系留無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性分析及整改

魏志強(qiáng)，陳明，宋金華，黃錦元

（同方電子科技有限公司，江西九江，332002）

0 引言

系留無(wú)人機(jī)已廣泛應(yīng)用于車載移動(dòng)通信系統(tǒng)、消防現(xiàn)場(chǎng)指揮、車載光電偵察系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)遙控站、艦載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)、艦載通信系統(tǒng)、國(guó)土防空等領(lǐng)域。

由于地球表面曲率或障礙物遮擋影響，無(wú)線電波視距傳播受限，通過(guò)無(wú)人機(jī)（無(wú)線設(shè)備）的升空增加海拔高度，可以改善無(wú)線電波的傳播效果，提升無(wú)線設(shè)備接收性能。本文針對(duì)某系留無(wú)人機(jī)超短波偵察接收系統(tǒng)，實(shí)際使用效果不理想的電磁兼容性問(wèn)題進(jìn)行分析排查整改[1]。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及干擾模型

系統(tǒng)包括飛控平臺(tái)、任務(wù)平臺(tái)及地面設(shè)備部分。其該功能及干擾模型圖如下：

圖1 系統(tǒng)功能及干擾模型圖

如圖1所示，系統(tǒng)主要有三部分組成：無(wú)人機(jī)飛控平臺(tái)、任務(wù)平臺(tái)、地面設(shè)備。飛控平臺(tái)包括有：在機(jī)艙內(nèi)的電源及其它控制等電路部分，機(jī)艙外部的六根可拆卸旋翼機(jī)臂、兩個(gè)GPS差分天線、一根飛控天線；任務(wù)平臺(tái)包括有：機(jī)艙內(nèi)的超短波接收機(jī)、機(jī)艙外部的五根超短波有源天線；任務(wù)平臺(tái)與飛控平臺(tái)的連接線纜在機(jī)艙外，該線纜為電源、網(wǎng)線的復(fù)合線纜；地面設(shè)備包括有電源及控制部分。

如圖1所示，系統(tǒng)中可能導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)際使用效果不理想的電磁干擾有：無(wú)人機(jī)機(jī)艙縫隙電磁泄漏；GPS差分天線電磁輻射；飛控天線電磁輻射；旋翼機(jī)臂電磁輻射；電源/網(wǎng)線電磁輻射；地面設(shè)備及系留線纜電磁輻射；上述輻射信號(hào)被任務(wù)天線接收導(dǎo)致系統(tǒng)接收效果差。

2 干擾現(xiàn)象

系統(tǒng)接收效果差，終端顯示接收頻譜底噪較高，有用信號(hào)被淹沒(méi)在底噪干擾中。如圖2所示為整改前系統(tǒng)的接收頻譜。

圖2 整改前系統(tǒng)接收頻譜

3 干擾排查分析整改

初步懷疑無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)被系統(tǒng)天線接收到，有用信號(hào)被淹沒(méi)在自身干擾信號(hào)中，導(dǎo)致系統(tǒng)使用效果差。

為了進(jìn)一步深入的分析排查無(wú)人機(jī)的干擾信號(hào)情況，在暗室搭建系統(tǒng)模擬工作平臺(tái)，用頻譜儀（測(cè)試頻段為30MHz～500MHz）對(duì)系統(tǒng)接收天線上（五根中的任一根）接收的信號(hào)干擾情況進(jìn)行測(cè)試分析。

3.1 電磁環(huán)境及初始狀態(tài)測(cè)試

3.1.1 電磁環(huán)境測(cè)試

為了便于對(duì)比分析，首先對(duì)暗室電磁環(huán)境測(cè)試進(jìn)行測(cè)試。用電池只給系統(tǒng)天線供電，其它設(shè)備電路都不上電，電磁環(huán)境頻譜如下圖3。

圖3 暗室環(huán)境測(cè)試

如圖3所示，其中譜線上的尖峰干擾是測(cè)試使用的頻譜儀工作時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)被系統(tǒng)天線接收到。

3.1.2 初始狀態(tài)測(cè)試

系統(tǒng)按正常工作狀態(tài)加電，系統(tǒng)天線接收到的干擾頻譜如下圖4。

圖4 系統(tǒng)初始狀態(tài)測(cè)試

如圖4所示，系統(tǒng)天線接收到的信號(hào)頻譜底噪被明顯抬高，其底噪走勢(shì)與圖1系統(tǒng)實(shí)際飛行工作時(shí)接收頻譜的底噪走勢(shì)基本一致。

3.2 GPS差分天線干擾分析及整改

3.2.1 干擾分析

利用排除法來(lái)查找系統(tǒng)中的干擾源[2]，首先拆除靠近測(cè)試天線的一個(gè)GPS差分天線，測(cè)試結(jié)果如下圖5所示。

圖5 拆除一個(gè)GPS差分天線測(cè)試

如圖5所示，與圖4對(duì)比，頻譜中100MHz頻段附近的底噪干擾明顯降低。

再拆除遠(yuǎn)離測(cè)試天線的一個(gè)GPS差分天線，測(cè)試結(jié)果如下圖6所示。

圖6 拆除另一個(gè)GPS差分天線測(cè)試

如圖6所示，與圖4對(duì)比，頻譜中100 MHz頻段附近的底噪干擾基本消除。

對(duì)比圖4、圖5、圖6分析，系統(tǒng)中的GPS差分天線是一個(gè)較大的干擾源，在100MHz附近頻段干擾幅度約10dB。該天線射頻線纜自機(jī)艙內(nèi)部直接穿出，射頻線纜耦合了機(jī)艙內(nèi)部的干擾噪聲后通過(guò)GPS差分天線對(duì)外輻射產(chǎn)生干擾[3]。

3.2.2 整改措施

根據(jù)以上分析，采取的整改措施為：GPS差分天線的射頻線纜在機(jī)艙內(nèi)部出艙部位卡磁環(huán)（FC-CF-80）并繞一圈，該磁環(huán)可以有效的抑制射頻線纜上的高頻共模噪聲[4]。該磁環(huán)為鎳鋅材料，其頻率特性如下圖7所示。

圖7 FC-CF-80頻率特性

3.2.3 整改效果

兩根GPS差分天線的射頻線纜按上述措施整改后進(jìn)行復(fù)測(cè)，其測(cè)試結(jié)果與圖6基本相似，GPS差分天線帶來(lái)的電磁干擾基本消除。GPS差分天線的整改效果明顯。

3.3 飛控天線干擾分析及整改

3.3.1 干擾分析

飛控平臺(tái)的飛控天線也是直接自機(jī)艙縫隙穿出。根據(jù)對(duì)GPS差分天線的分析整改經(jīng)驗(yàn)，飛控天線也可能耦合內(nèi)部干擾信號(hào)，并通過(guò)該天線對(duì)外輻射產(chǎn)生電磁干擾。

3.3.2 整改措施

根據(jù)以上分析，采取的整改措施為：飛控天線的射頻線纜在機(jī)艙內(nèi)部出艙部位卡磁環(huán)（FC-CF-80）并繞一圈。

3.3.3 整改效果

飛控天線整改后進(jìn)行復(fù)測(cè)，結(jié)果如下圖8。

圖8 飛控天線整改后測(cè)試

如圖8所示：飛控天線整改后，在250 MHz～350 MHz頻段，系統(tǒng)接收頻譜的底噪干擾下降明顯。飛控天線的整改效果明顯。

3.4 任務(wù)設(shè)備干擾分析及整改

3.4.1 干擾分析

任務(wù)設(shè)備為一臺(tái)多通道超短波接收機(jī)，排查任務(wù)設(shè)備干擾時(shí)，飛控平臺(tái)都不上電，只給任務(wù)設(shè)備供電。頻譜儀接收到的干擾情況如圖9。

圖9 任務(wù)設(shè)備整改前測(cè)試

如圖9所示，與圖3對(duì)比，頻譜中多了一些尖峰干擾，這些尖峰干擾主要是接收機(jī)的時(shí)鐘及其諧波信號(hào)。其泄漏途徑可能為接收機(jī)的電源輸入線、接收機(jī)外殼縫隙。接收機(jī)的外形結(jié)構(gòu)如圖10。

圖10 接收機(jī)外型結(jié)構(gòu)

如圖10所示，接收機(jī)為幾個(gè)相同的接收單元層疊起來(lái)，用印制板來(lái)分隔。印制板板材的非導(dǎo)電性，導(dǎo)致該部位長(zhǎng)條縫隙的電磁泄漏[5]。

3.4.2 整改措施

電源輸入端口位置增加高頻電容；接收機(jī)外殼縫隙貼銅箔膠帶進(jìn)行屏蔽。

3.4.3 整改效果

整改后其尖峰干擾基本消除，測(cè)試結(jié)果與圖3基本一致。任務(wù)設(shè)備的整改效果明顯。

3.5 電源網(wǎng)線復(fù)合線纜干擾分析整改

系統(tǒng)中的飛控平臺(tái)與任務(wù)平臺(tái)的互聯(lián)線纜是一根復(fù)合屏蔽線纜，里面包括有任務(wù)設(shè)備供電的12V電源線、與任務(wù)設(shè)備通信的網(wǎng)線。該線纜雖然是屏蔽線纜，但在150MHz左右仍有些干擾信號(hào)。進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，機(jī)艙的圓形連接器法蘭盤安裝部位有油漆，連接器接地不良導(dǎo)致該部位有電磁泄漏。把該部位的油漆清除干凈并墊導(dǎo)電襯墊后再測(cè)試[6]，該部位無(wú)電泄漏。

3.6 其它部位干擾分析整改

其它部位如：機(jī)艙外殼內(nèi)部已襯了屏蔽材料，具有一定的電磁屏蔽效能，在接收機(jī)整改后機(jī)艙縫隙泄漏沒(méi)有再帶來(lái)明顯的電磁干擾；旋翼機(jī)臂與機(jī)艙連為一體，其沒(méi)有暴露在機(jī)艙外部的線纜及電路部分，旋翼機(jī)臂沒(méi)有帶來(lái)明顯的電磁干擾；飛控平臺(tái)的高壓DC/DC電源的電源輸入端已設(shè)計(jì)有專用的電源濾波器，地面設(shè)備得到電源輸出端也已設(shè)計(jì)有專用的電源濾波器，地面設(shè)備及系留線纜沒(méi)有帶來(lái)明顯的電磁干擾。這些部位不用整改。

4 整改效果

4.1 整改效果內(nèi)場(chǎng)測(cè)試

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)整改后，在暗室內(nèi)上電進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如下圖：

圖11 系統(tǒng)整改后測(cè)試

如圖11所示，與圖4對(duì)比，系統(tǒng)整改后接收頻譜的底噪得到有效的抑制。系統(tǒng)整改效果明顯。

4.2 整改效果飛行測(cè)試

整改后無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在室外進(jìn)行飛行復(fù)測(cè)，并與整改前的接收頻譜進(jìn)行對(duì)比，飛行復(fù)測(cè)如下圖：

圖12 改進(jìn)后系統(tǒng)接收頻譜

結(jié)論：如圖12所示，與圖3對(duì)比，整改后系統(tǒng)接收頻譜的底噪有近10dB的降低，系統(tǒng)接收效果改善明顯。這次整改是成功的有效的。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的電磁干擾排查分析，提出該系統(tǒng)得改進(jìn)建議和措施：GPS差分天線和飛控天線的射頻線纜通過(guò)機(jī)艙壁高頻連接器轉(zhuǎn)接引出，或在機(jī)艙內(nèi)加磁環(huán)濾波；網(wǎng)絡(luò)和電源線纜改善連接器接地；接收機(jī)電源輸入端加高頻貼片電容,加強(qiáng)屏蔽，印制板邊緣金屬化。

通過(guò)這次整改，詳細(xì)的測(cè)試分析了系統(tǒng)的電磁輻射發(fā)射干擾情況。結(jié)合在整改中的措施，為本系統(tǒng)的后續(xù)研制改進(jìn)，提出電磁兼容性設(shè)計(jì)改進(jìn)建議措施。