AFDX網(wǎng)絡設備電磁兼容設計方法分析

白楊 孔維剛 董偉

摘? ?要：AFDX網(wǎng)絡是當前國際公認的運輸機主流機載網(wǎng)絡。AFDX作為航電主干網(wǎng)絡，連接諸多AFDX網(wǎng)絡設備，因此，這些機載設備的電磁兼容問題則顯得尤為重要。文章針對AFDX網(wǎng)絡設備的電磁兼容問題，從實際工程經(jīng)驗出發(fā)，針對AFDX網(wǎng)絡設備，分析了時鐘電路、接口電路、機械結(jié)構(gòu)及外圍電纜的電磁兼容影響，提出了實際的設計方法和典型的應用實例。

關(guān)鍵詞：航空電子全雙工交換式以太網(wǎng);電磁兼容;電磁干擾

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）是當前國際公認的運輸機主流機載網(wǎng)絡。隨著航空電子設備數(shù)據(jù)處理能力和綜合化程度的發(fā)展，掛接在AFDX網(wǎng)絡中的機載電子設備數(shù)量日益增多，在飛機機艙空間中會產(chǎn)生嚴重的電磁兼容問題。文章分析了電磁兼容問題產(chǎn)生的原因，并分別提出了實際的設計方法。

1? ? AFDX網(wǎng)絡設備電磁環(huán)境分析

AFDX網(wǎng)絡通常在飛機中作為飛機主干網(wǎng)絡，為飛機各分系統(tǒng)提供網(wǎng)絡通信服務，AFDX網(wǎng)絡設備廣泛分布于機載電子設備中。同時，機載設備工作頻譜分布較為擁擠，AFDX網(wǎng)絡設備產(chǎn)生的電磁干擾極易干擾超短波電臺，影響飛機通信。因此，電磁兼容性作為現(xiàn)代航空裝備的重要技術(shù)指標之一，必須在AFDX網(wǎng)絡設備研制的各個階段進行設計迭代和優(yōu)化。

2? ? AFDX網(wǎng)絡設備電磁兼容分析

2.1? AFDX網(wǎng)絡設備干擾源分析

AFDX網(wǎng)絡的物理層滿足IEEE 802.3標準[1]。目前，在飛機中采用的AFDX網(wǎng)絡設備的通信速率多為100 Mbps。

AFDX網(wǎng)絡設備在物理層通信，主要通過物理層PHY芯片的MII/RMII等介質(zhì)獨立接口與MAC芯片完成數(shù)據(jù)傳輸和交互。MII接口采用4根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)100 Mbsp速率傳輸，而RMII接口則采用2根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)100 Mbsp速率傳輸。因此，AFDX網(wǎng)絡設備通常采用25 MHz時鐘或50 MHz時鐘的晶振來匹配MII接口或RMII接口。而25 MHz，50 MHz以及其倍頻的電磁干擾會耦合至設備內(nèi)部電源和信號中，并通過空間、傳導的方式從設備外殼、縫隙、接口及線纜向外發(fā)射。

2.2? AFDX網(wǎng)絡設備機械結(jié)構(gòu)分析

AFDX網(wǎng)絡設備主要用于飛機主干網(wǎng)絡，為滿足機載應力環(huán)境，需要保證其良好的散熱和強度較高的機械結(jié)構(gòu)。機械結(jié)構(gòu)需要起到對電磁干擾的屏蔽和抑制作用。

AFDX網(wǎng)絡設備在飛機中較多的裝備在設備艙，采用風冷散熱，因此設備殼體多留有通風孔，航插連接器信號集中，有些面板還存在離散量開關(guān)、指示燈等組件;另外，還需要考慮機械結(jié)構(gòu)的減重設計，導致機械結(jié)構(gòu)各部件之間的縫隙增多，以上因素均會導致電磁干擾通過這些縫隙產(chǎn)生輻射。

2.3? AFDX網(wǎng)絡設備線纜分析

在當前飛機主干網(wǎng)絡中，AFDX網(wǎng)絡設備的通信線纜仍以四同軸屏蔽線纜為主，光纖為輔，電磁兼容問題主要通過四同軸線纜產(chǎn)生。

四同軸線纜由4根芯線和芯線外部包裹的屏蔽層組成，4根芯線傳輸AFDX網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀，屏蔽層則實現(xiàn)電磁防護，但往往由于屏蔽層處理不當，導致其非但未能起到電磁屏蔽作用，還會形成天線效應，從而產(chǎn)生傳導發(fā)射。另外，四同軸線纜往往與電源線纜、離散量相互耦合，導致輻射耦合至其他線纜產(chǎn)生電磁干擾的傳導發(fā)射。

3? ? AFDX網(wǎng)絡設備電磁兼容設計

根據(jù)上述分析，AFDX網(wǎng)絡設備的電磁兼容性設計應該從電路設計、結(jié)構(gòu)設計和電纜屏蔽濾波幾方面著手。

3.1? AFDX網(wǎng)絡設備電路原理設計優(yōu)化

AFDX網(wǎng)絡設備的電路由印刷電路板實現(xiàn)，通過對電路板的合理優(yōu)化能夠有效減少電磁輻射。首先，在印刷電路特別是時鐘電路中，配置去耦電容，能夠有效減少電磁干擾的影響。其次，合理地設計布局電路板各類元器件能夠大大提高其抗干擾能力，減少電磁干擾的影響。最后，走線要避免使用直角布線，盡量加粗電源線與接地線，并采用獨立的電源層和接地層，減少表面相互間的電磁干擾。

AFDX網(wǎng)絡設備接口電路通常采用物理層PHY芯片及其相應配置電路構(gòu)成，如圖1所示。

為了減小電磁干擾通過AFDX網(wǎng)絡接口向外輻射，以太網(wǎng)變壓器和連接器之間應增加Bob-smith電路，同時，保證以太網(wǎng)變壓器初級線圈中間抽頭接地的通道不能過于狹窄，接機殼地，保證共模泄放路徑的暢通。次級線圈中間抽頭接地應當接印制板內(nèi)部的數(shù)字地，保證以太網(wǎng)變壓器兩側(cè)隔離，減少電磁干擾在兩側(cè)的耦合。以太網(wǎng)接口電路設計如圖2所示。

3.2? AFDX網(wǎng)絡設備機械結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

機械結(jié)構(gòu)的良好設計，能夠在很大程度上阻斷AFDX網(wǎng)絡設備內(nèi)部印制板與外界的電磁干擾。

在AFDX網(wǎng)絡設備的機箱結(jié)構(gòu)設計中，應該最大限度地避免通信設備機箱上的電不連續(xù)性問題。因此，在機箱和前面板接觸表面的位置增加一定凹槽，槽內(nèi)增加金屬編織絲網(wǎng)襯墊，金屬編織絲網(wǎng)襯墊中需要帶有導電橡膠芯，保證前面板和箱體緊密接觸。同時，由于AFDX網(wǎng)絡設備在飛機中較多的裝備在設備艙，采用風冷散熱，因此設備殼體多留有通風孔，為實現(xiàn)電磁屏蔽，需要在通風孔內(nèi)裝配金屬屏蔽絲網(wǎng)[2]。

蓋板的設計中采用導電氧化處理的鋁合金板材，保證良好的電連續(xù)接觸，增強電磁屏蔽作用。

機箱有良好的接地，能夠?qū)﹄姶鸥蓴_信號形成通常的泄放通路。通過接地能夠保證整個通信設備機箱等電位，最終實現(xiàn)通信設備以及機箱的電磁兼容。

3.3? AFDX網(wǎng)絡設備電纜設計優(yōu)化

AFDX網(wǎng)絡設備電纜通常分為3類：電源電纜、離散量信號線纜以及AFDX網(wǎng)絡通信線纜。

（1）針對電源電纜，可在電源輸入端增加濾波器，濾波器選取需要根據(jù)供電電源特有頻率以及AFDX網(wǎng)絡設備的固有頻率選取，保證輻射能量的最小化。根據(jù)工程經(jīng)驗，在電源正負線中，串接高頻穿心磁珠能夠?qū)?5 MHz，50 MHz及其倍頻耦合在電源線的電磁干擾產(chǎn)生較強的抑制作用，可有效解決以太網(wǎng)信號在電源線上的電磁干擾問題。

（2）離散量信號則可采用光電耦合器件，將印制板內(nèi)的電磁干擾通過光電子器件隔離在板內(nèi)[3]。

（3）AFDX網(wǎng)絡通信線纜通常采用四同軸屏蔽線纜，為了達到良好的屏蔽效果，四同軸的屏蔽層需要從連接器端實現(xiàn)360°環(huán)接，并且保證通信線纜兩端均能通過AFDX網(wǎng)絡設備實現(xiàn)良好的接地。

4? ? 結(jié)語

文章從實際工程經(jīng)驗出發(fā)，分析了AFDX網(wǎng)絡設備時鐘、接口電路、機械結(jié)構(gòu)及外圍電纜的電磁兼容影響，提出了實際的設計方法和典型的應用實例。相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，AFDX網(wǎng)絡設備的電磁兼容問題必將得到進一步的解決。

[參考文獻]

[1]ARINC 664.Aircraft data network[Z].Aeronautical，Radio，inc.，2009.

[2]強偉，唐正飛，岳德周.通信設備電磁兼容的機械結(jié)構(gòu)設計方法[J].無線互聯(lián)科技，2018（12）：73-74.

[3]曹軍旗，姚殿民，陶玉剛.艦船通信系統(tǒng)電磁兼容設計分析[J].環(huán)境技術(shù)，2013（2）：38-41.

Analysis of electromagnetic interference design method of AFDX network equipment

Bai Yang， Kong Weigang， Dong Wei

（Xian Institute of Aeronautical Computing Technology， AVIC， Xian 710065， China）

Abstract：AFDX is currently internationally recognized as the mainstream airborne network of transport aircraft. AFDX， as the main network of avionics， connects a lot of AFDX network equipment. Therefore， the EMC of these airborne equipment is particularly important. In this paper， based on the actual engineering experience， for AFDX network equipment， analyzes the EMC influence of the clock circuit， interface circuit， mechanical structure and cables. In addition， the practical design method and typical application examples are proposed.

Key words：avionics full duplex switched Ethernet; electromagnetic compatibility; electromagnetic interference