直升機中電磁耦合薄弱路徑的確定方法

賈云峰吳 亮*李 紅魏嘉利胡 修馬 超

①(北京航空航天大學電子信息工程學院 北京 100191)②(陸航學院基礎部 北京 101116)

1 引言

隨著計算機技術、信息技術及智能技術在直升機上的應用，在直升機系統的有限空間內，設備的發射功率越來越大，接收機的靈敏度也越來越高，因此系統更容易受到電磁干擾[1]。為了保障系統的電磁兼容性，只要切斷電磁兼容三要素中的任意一個就可以有效地抑制電磁干擾，改善系統的電磁兼容性。

在電磁耦合方面，隨著電磁干擾現象的研究[2,3]，準確、快速的電磁數值計算方法得到了廣泛的運用。機載電子系統由于系統內部物理尺寸相差巨大且結構復雜，導致剖分網格過多，計算時間和計算資源不可接受，而電磁拓撲為這一問題的解決提供了方法。電磁拓撲的思想[4,5]是將具有較大體積和復雜結構的系統分層剝離并轉化為一些小體積、結構簡單的分系統。其中電磁拓撲理論最經典的方法是BLT方程[6]，它通過建立各層之間的傳遞函數來實現復雜系統電磁耦合問題的研究。電磁拓撲理論得到了廣泛的關注，文獻[7,8]使用電磁拓撲對復雜傳輸線網絡的耦合問題進行了研究分析，文獻[4,9]應用電磁拓撲研究了電磁脈沖傳播與耦合問題，文獻[10]研究了多層電磁屏蔽條件下電子器件之間的相互耦合問題，文獻[11]將矩形孔縫的耦合轉換成傳輸線網絡，并使用電磁拓撲計算了機箱的屏蔽效能。但隨著電子設備集成度的增加，設備之間的耦合變得更加復雜，傳統的電磁拓撲方法難以對系統進行準確的分層，且各獨立單元之間傳遞函數的計算也異常復雜。

為了解決上述問題，本文首先利用電磁耦合的網絡特性，將系統中設備的端口映射成頂點并形成耦合有向圖，然后使用比較成熟的數值算法或試驗獲取孔縫耦合、線纜耦合、天線-線纜耦合等端口之間的S參數或者衰減特性，最后使用最短路徑算法尋找系統的電磁薄弱環節，從而解決了復雜系統的電磁干擾耦合問題。

2 電磁薄弱路徑分析

2.1 電磁薄弱路徑確定流程

為了準確獲取直升機電子系統中干擾源與敏感點之間的主要耦合路徑，本文提出了一種電磁干擾耦合薄弱路徑的確定方法，提取薄弱路徑的流程如圖1所示。該方法首先將電磁干擾耦合網絡轉換成有向圖，然后使用電磁仿真工具和試驗數據相結合的方法量化并化簡有向圖，最后采用Dijkstra算法尋找出有向圖中的最短路徑。根據有向圖與耦合網絡之間的對應關系，最終尋找出薄弱路徑上的關鍵整改點，從而高效地解決電磁干擾耦合問題。

2.2 構建耦合有向圖

本文首先將系統內的電磁干擾耦合方式分為：天線-天線，天線-線纜，機殼-機殼，線-線，共阻抗 5類[12]，并結合系統的工作原理圖和電路原理圖，找出系統可能的電磁干擾耦合路徑。然后將耦合路徑上的設備端口一一映射為頂點，再根據系統的耦合關系和能量傳輸方向將各頂點連接起來，并信號的傳播方向，從而實現了電磁干擾耦合有向圖標明的構建。

圖1 電磁干擾耦合薄弱路徑確定流程

典型電子系統的耦合示意圖如圖 2(a)所示，圖中干擾源通過天線、線纜、孔縫等對敏感設備產生了干擾。將圖 2(a)中的各端口等效成節點，形成的電磁耦合有向圖如圖2(b)所示(圖2中沒有標出電纜節點，因為該模型中不包括電纜耦合)。電磁波在實際傳輸過程中是進行雙向傳遞，在這里僅考慮由干擾源向敏感體的單向傳播。通常機箱孔縫數量比較多，在進行初始分析時可以對機箱的孔縫進行統一考慮，當確定孔縫是引起干擾的主要路徑時，可以對孔縫進行進一步地細分，如圖2(b)箭頭所示，通過對有向圖的深入分析，最終找出電磁干擾耦合通道的薄弱路徑。

2.3 化簡耦合有向圖

對于單干擾對間的耦合有向圖，即單個起始點和單個終止點，可根據圖論知識計算出有向圖中各個頂點的度，并標出有向圖的分支，根據頂點的度和分支來簡化有向圖。化簡的內容主要包括：刪除電磁干擾耦合有向圖中頂點的度為0的頂點，即去除系統中不干擾任何其它設備，也不會被其它設備所干擾的設備，如圖3(a)所示，即刪除節點4A，其中1A為干擾源，3A為敏感點；刪除電磁干擾耦合有向圖中與源點和終點不連通的子圖，即去除系統中干擾能量不通過的設備，如圖3(b)所示，即刪除節點4B,7B,8B形成的子圖，其中1B為干擾源，3B為敏感點；刪除電磁干擾耦合有向圖中不在源點和終點連通路徑上的頂點，即去除系統中其它不相關的干擾源或敏感點，如圖 3(c)所示，即刪除圖中的節點4C和節點7C，其中1C為干擾源，3C為敏感點。

圖3 電磁干擾耦合有向圖化簡

2.4 耦合有向圖賦值

在單個干擾對間的電磁干擾耦合網絡中，某個頻點處的干擾能量在傳遞的過程中可能包含的損耗有：濾波器損耗fL，線纜損耗lL，線纜間耦合lA，天線-線纜耦合tlA ，天線-孔縫耦合taA ，天線間耦合等，將各損耗量用dB進行表示，則該鏈路上的總損耗量為

當某耦合路徑是電磁干擾耦合網絡中所有干擾能量損耗最小的路徑時，即耦合有向圖中的最短路徑，因此可以用有向圖的最短路徑來表征電磁干擾耦合薄弱通道。其中，有向圖中任意兩頂點間的衰減量，可以通過仿真或試驗的手段獲得。在系統中，設端口i到端口j在頻率f條件下的損耗值為ijL，則對應的有向圖中頂點i到頂點j的一條邊的數值就為ijL，且方向為i→j。為了準確地獲取耦合有向圖中所有的ijL，即耦合網絡矩陣，對于干擾信號在濾波器和線纜中的損耗量，可以通過對濾波器和線纜兩端的傳遞特性進行測試或計算來獲取；天線-線纜間耦合的仿真和測試，采取逐一在某個天線或線纜端加入激勵信號，而其它天線或線纜端接入負載，然后計算或測試天線-線纜間的損耗值；對于天線間的耦合，通過建立天線模型并進行仿真或測試，來得到各天線端口間的隔離度數據；線纜間耦合的獲取，需要將帶天線的線纜進行等效(例如帶天線的線纜需要使用等效阻抗替換天線)，從而得到線纜間的損耗值。對于多線纜的耦合，同樣需依次在某一線纜端加入激勵信號，而其它線纜端接入等效負載，從而計算或測量該線纜和其它線纜間干擾信號的傳遞損耗值；對孔縫間耦合的粗分析，只計算機箱的整體屏蔽效能，在進行細分析時，需要對部分孔縫進行封閉來分別考慮不同孔縫的屏蔽效能。

2.5 薄弱耦合路徑尋跡

圖論與不斷發展完善的計算機數據結構及算法的有效結合使得最短路徑算法不斷涌現，目前此類最短路徑的算法大約有17種以上。文獻[13]對其中的15種方法進行了測試，結果顯示Dijkstra算法更適合于計算兩點間的最短路徑問題，但效率不高。文獻[14]針對該算法的 3個缺點提出了一種改進的Dijkstra算法，Dijikatra算法在各個領域進行了廣泛的應用[15,16]。耦合有向圖中兩頂點之間的最短路徑可以說是最常見的最短路徑問題，Dijkstra算法簡單易用，是目前應用較多的算法，且采用結點-弧結構的存儲結構，適合于本文中耦合有向圖的求解，因此采用Dijkstra算法來進行最短路徑尋跡。

圖4 最短路徑尋跡流程圖

(2)如果i=S V，尋找完畢，算法終止，這時對每個；否則轉入(3)進行迭代計算。

2.6 鏈路關鍵點選取

單干擾對間耦合有向圖的化簡、賦值、尋跡方法同樣適用于同頻多設備對和多頻多設備對。它們的不同點在于：在同頻單設備對的有向圖中只有單個源和敏感點，只需進行一次最短路徑尋跡；同頻多設備對的有向圖中，擁有多個干擾源和多個敏感點，進行有向圖化簡時需要考慮所有干擾對，需要依次使用最短路徑算法確定有向圖中每一個干擾源和敏感點間的最短路徑；多頻多設備的有向圖中，需根據每個分析頻點得到多個單頻多設備對的電磁干擾耦合有向圖，并依次使用最短尋跡算法確定每一個有向圖中的每一個干擾源到敏感體間的最短路徑。

以上3種情況的電磁干擾耦合薄弱路徑的關鍵點選取方法為：(1)同頻單干擾對：只需針對最短薄弱路徑上的設備進行整改，整改的關鍵點根據設備整改的效費比來確定。(2)同頻多干擾對：(a)對于每一個敏感點，關鍵點為最短路徑上所有干擾源到該敏感點的重疊路徑；(b)對于每一個干擾源，關鍵點為最短路徑上該干擾源到所有敏感點的重疊路徑；(c)對沒有重疊路徑的最短路徑，需考慮該最短路徑上的每一個節點。(3)多頻多干擾對：(a)將所有最短耦合路徑上除了干擾源和敏感體的頂點按照頂點出現的次數進行排序；(b)出現次數最多的頂點為關鍵點，并去除關鍵點所在的薄弱路徑；(c)判斷出現次數次之的頂點是否在剩余的最短路徑中，若在則為關鍵點，并去除關鍵點所在的薄弱路徑，若不在則考慮下一個頂點，直至包含所有最短路徑。

為了解決復雜系統的電磁干擾耦合問題，對關鍵點采取電磁兼容措施后，可再次判斷系統是否仍受擾，若受擾則再次尋找最短路徑，直到滿足要求。線為線纜，Port指向部分表示天線。由該系統的組成框架和工作原理分析得出主要包含的干擾耦合網絡如圖6所示，并在此基礎上使用FEKO建立相應的電磁兼容仿真模型。根據 2.4節的方法，機載天線-線纜間的耦合特性曲線和線纜間的耦合特性如圖7所示。

圖5 直升機設備布局圖

3 分析實例

采用本方法對某直升機上由電臺和處理機組成的系統進行電磁干擾耦合薄弱路徑的確定，直升機的外形、電纜分布和天線布局如圖5所示，其中虛

由于該電臺在200 MHz處受到處理機的干擾，因此計算每個設備在200 MHz處的電磁損耗量。按照該方法形成的電磁干擾耦合有向圖如圖8所示。其中主要包含了6條耦合路徑，使用Dijkstra算法對圖8中由頂點D2到頂點D13之間的有向圖進行最短路徑尋跡。表1表示了Dijkstra算法尋跡的結果，求得處理機到電臺的最短路徑長度為33，即從干擾源(處理機)到敏感設備(電臺)的電磁損耗量為33 dB，也就是說該鏈路是該系統中傳遞電磁干擾信號能量最多的通道，即系統的電磁干擾耦合薄弱通道。其最短耦合路徑為：處理機→處理機電源線A→電源濾波器→電臺電源線B→電臺。

圖6 電磁干擾耦合網絡

圖7 耦合特性曲線

圖8 電磁干擾耦合有向圖

表1 電磁耦合路徑

本例屬于單干擾源和單敏感設備之間的干擾，只需對最短路徑上的鏈路進行處理。本例中干擾信號是通過電源系統進行傳播的，可以在處理機和電臺的電源系統中加強濾波器在200 MHz附近的濾波效果，從而達到對干擾信號的抑制。根據尋跡結果還可以看出，干擾嚴重次之的路徑是路徑 1，如果路徑3的抑制不夠還可以對路徑1采取相應的措施。路徑3中包含有天線等強耦合器件，因此，在對路徑3進行整改時，盡量不要改動天線的結構、位置等參數，因為初始的天線布局已經滿足了天線隔離度的要求，再次變動會改變天線的布局設計等，此時可以在天線鏈路中加入濾波器增強帶外抑制，或增加線纜的屏蔽效能。本文的主要耦合路徑為路徑3，在路徑3處理機的電源線上加入濾波器，其濾波器對200 MHz干擾信號的抑制為14 dB，路徑3的衰減量最終變為 47 dB。整改后干擾消失，從而實現對系統電磁兼容性的改善。

4 結論

本文針對機載電子系統的電磁干擾耦合問題，結合電磁兼容理論和圖論的知識，對單頻單干擾對電磁耦合有向圖的創建、化簡以及最短路徑尋跡進行了詳細的分析，并討論了單頻多干擾對和多頻多干擾對電磁薄弱路徑的確定方法。通過對單頻單干擾對系統的電磁薄弱路徑的分析，表明了該方法的可行性。通過該方法對電子系統薄弱環節的定位，為系統電磁兼容的預測和整改提供了有效的技術手段。

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