某型無人機系統級電磁兼容試驗方法研究*

柳銳鋒 張廣軍 梁 婷

(中國洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)

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某型無人機系統級電磁兼容試驗方法研究*

柳銳鋒 張廣軍 梁 婷

(中國洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)

參照電磁兼容相關國軍標,結合某型無人機系統,提出了被試裝備的系統級電磁兼容試驗方法,并對電磁兼容試驗方法進行了理論分析,提出了電磁兼容試驗布局、被試裝備工作狀態及判決,最后給出了結論建議。

電磁兼容; 外部射頻電磁環境; 傳導安全裕度; 機載天線耦合電平

Class Number TN914

1 引言

某型無人機系統由一架無人機和若干輛地面車輛組成,具體包括飛行器、任務載荷、指揮控制、數據鏈、數據處理、綜合保障等,其中設備/分系統電磁兼容試驗已通過檢驗,在實際平臺上組裝后,由于天線、射頻電纜的輻射、傳導的耦合效應會產生互調、交調、亂真等電磁兼容問題,被試裝備戰場電磁環境適應性如何,還需通過系統級電磁兼容試驗檢驗。

電磁兼容系統級試驗方法國內外至今沒有研究機構正式發布,GJB1389A-05僅規定了系統級電磁兼容試驗要求[1～3]。本文結合工作實際,借助于電磁兼容對美軍標、國軍標的理解,提出了無人機的系統級電磁兼容試驗方法。

2 試驗方法及分析

試驗前,對測試場地電磁環境進行了全天監測,測試結果表明測試場地電磁信號多為民用通信、廣播信號,滿足系統級電磁兼容試驗要求[4～5]。

根據相關要求被試裝備系統級電磁兼容內容包括:機載天線耦合電平測試、外部射頻電磁環境、系統內電磁兼容性、傳導安全裕度、輻射安全裕度試驗、電磁屏蔽性能測試和靜電電荷控制,下面詳細介紹各項目試驗方法[6～7]:

1) 機載天線耦合電平

試驗方法:用接收機在被測天線接收頻段內測試其它天線發射的信號電平(各天線的所有工作頻道、大功率、小功率等多種工作狀態都需要測試),檢測所測的信號電平是否超過被測天線的靈敏度。

機載天線耦合電平用于評估有多個天線的平臺的電磁兼容能力。對于飛機、艦船這類裝備,在狹小的空間上分布很多無線電設備,很容易相互干擾。某型無人機有多副天線,分別為通信天線、導航天線、GPS數傳電臺天線、無線電高度表接收天線、GPS/GLONASS/北斗三合一天線等,工作頻段覆蓋相對集中。設計時如果不統籌考慮各天線的工作頻率分配,抑制各天線的諧波、底噪、互調、亂真等發射,很容易引起飛機的電磁不兼容。

2) 外部射頻電磁環境

試驗方法:選取被試裝備的門、窗、通風波導窗、電源/信號濾波器轉接板以及天線座等處為外部射頻電磁環境測試點,測試天線與被測試點距離1m。按照2%頻率步進,在10kHz～18GHz范圍內確定測試頻點(被試裝備工作頻點除外)。用信號源產生測試信號,用功放和天線輻射到測試點,以電場探頭監測測試點的電場ER,調節信號源和功放,使其產生的場強ER達到GJB151A-97中表5規定的信號強度,觀察系統內各設備/分系統是否正常工作。改變測試頻率、極化方式和測試點,直至完成所有測量。

外部射頻電磁環境用于檢驗被試裝備和互連電纜承受輻射電場的能力。試驗時容易引起被試裝備敏感的耦合途徑有兩條:一是被試裝備屏蔽性能差的位置,二是通過被試裝備的電源線、信號線耦合,因此對于地面車輛外部射頻電磁環境試驗我們選擇的位置為被試裝備的門窗、電源/信號線盒。對于飛機,選擇飛機的前艙、后艙兩個位置作為試驗部位,保證整個飛機的電子設備都能被輻射到。由于飛機距離地面車輛很遠,更容易受到大功率設備的干擾,因此飛機的外部射頻電磁環境極限值與地面車輛(場強50V/m)不同,按200V/m場強進行考核。

試驗選擇的信號樣式為1kHz、50%占空比的脈沖調制(也可用1kHz方波)。之所以采用這種信號樣式有幾個原因:一是1kHz在多數模擬電路的通帶內;二是方波容易產生高的平均功率;三是方波是一種嚴格的幅度調制形式,被應用于通信和廣播領域;四是它也是一種高占空比的雷達脈沖調制形式。

3) 系統內電磁兼容性

試驗方法:將被試裝備的各設備/分系統按照干擾源和敏感體進行分類,建立干擾矩陣。試驗時用地面托架將飛機托起,連接好地面動靜壓試驗器,使大氣機處于高度1000m狀態;通過地面檢測車接通機上所有用電設備;用地面主指揮控制站發送遙控指令使數據鏈處于上行、下行互通狀態;慣導系統處于對準狀態;SAR采用自檢狀態下的模擬圖像傳輸狀態;地面差分GPS數傳電臺處于發射狀態;機載應答機處于應答狀態,逐一檢查起落架裝置收放、雷達天線開機、光電平臺動作、通信鏈路轉換、應答機開關、衛星天線動作、發動機在3500轉和5000轉狀態下運轉等動作對導航、飛控、電氣、發動機設備、數據鏈設備、機載數據記錄設備、雷達系統、綜合光電平臺、應答機的影響,檢查內容為各分系統的圖像、數據顯示是否合理、正確。對遙控、遙測、數據鏈系統要使用不同工作波段、不同動作進行檢驗。

系統內電磁兼容性用于評估全系統的自兼容能力,它關系到系統內各電子設備能否互不干擾兼容工作。被試裝備容易引起干擾信號的動作有起落架裝置收放、雷達天線開機、光電平臺動作、通信鏈路轉換、應答機開關、衛星天線動作、發動機在3500轉和5000轉狀態下運轉,易受到干擾的電子設備有導航、飛控、電氣、發動機設備、數據鏈設備、機載數據記錄設備、雷達系統、綜合光電平臺、應答機,試驗按照干擾源(各動作引起)與敏感源的關系建立干擾矩陣,在主指揮控制車觀察各分系統工作狀態。

4) 傳導安全裕度

試驗方法:選取信號線端口50mm處為傳導安全裕度測試點。采用油機對系統進行供電,被試裝備正常工作,并處于最大輻射狀態。測試選用的頻率范圍為10kHz～400MHz,按照2%步長,選擇傳導安全裕度測試頻點,將電流監測探頭卡在選取的電源線、信號線測試點處,測量該測試點的實際干擾電流,將其作為該測試點的基礎干擾電流I0。將監測探頭卡在選取的測試點處,電流注入探頭卡在距監測探頭外側50mm處,對其注入干擾電流IS,同時用EMI接收機進行監測。以基礎干擾電流I0為起始值,逐漸增加干擾注入電流IS(IS最大值比I0高6dB),觀察系統內各設備/分系統是否正常工作。

傳導安全裕度用于檢驗被試裝備承受耦合到與EUT有關電纜(電源線、互聯電纜)上的射頻信號的能力。由于光纖電纜傳輸的為光信號,它與電磁信號不會相互作用,因此傳導安全裕度測試對象為電源線、電信號線,不包括光纖電纜。信號線上的傳導干擾來源主要有:外界信號耦合電纜上的干擾、電網或發電機上帶來的干擾信號以及通過互聯電纜從其它裝備引入的傳導信號。由于400MHz以上的輻射信號很難耦合到電纜上,所以測試頻率為10kHz～400MHz。

5) 輻射安全裕度

試驗方法:試驗前及試驗過程中通過電磁環境監測系統進行外界電磁信號監測。剔除外界環境電平較大的信號,按照2%的頻率步進,重點選取整個頻段內輻射幅度較大的點,以及指控、數據鏈等設備的工作頻率及其二、三次諧波附近,在10kHz～18GHz范圍內確定測試頻點。選取被試裝備內部計算機、遙控遙測單元、數據處理系統、路由器、網絡交換機、顯示器等處為測試位置。被試裝備正常工作,并處于功率最大輻射狀態,關閉所有門窗。將測試接收天線布設在選取的測試點處,以水平和垂直極化分別測量該測試點的實際輻射電場強度,作為該測試點的基礎輻射電場強度E0。對各測試點輻射信號ES,同時用場強監測儀進行監測。以基礎輻射場強E0為起始值,逐漸增加輻射場強ES至比E0高6dB,觀察系統內各設備/分系統是否正常工作。

輻射安全裕度就是檢驗系統電磁波輻射水平以及承受電磁波輻射的能力。通過對地面車輛各分系統的設備級電磁兼容性能分析,可以判斷哪些分系統是敏感設備,試驗時將測試天線主瓣方向對準敏感分系統。被試裝備的無意發射信號主要來自:(1)天線的底噪、諧波、互調、亂真,例如晶振的時鐘信號、倍頻器的信號等;(2)等效為天線發射信號的環路電路;(3)等效為單極子或偶極子天線的各種電纜發射信號。

6) 屏蔽性能測試

屏蔽性能測試用于檢驗被試裝備方艙的屏蔽性能。被測車輛方艙包括:主指揮控制站、視距鏈路車、情報處理車、衛通設備車、綜合檢測車;測試部位選擇方艙屏蔽性能低的部位,具體為電源線盒、信號線盒、窗戶、屏蔽門、通風窗等位置;測試頻點為14kHz、100kHz、200kHz、450MHz、930MHz、5GHz、8GHz、12GHz、18GHz。試驗時,被試裝備不工作,僅保證照明、測試儀器用電;發射天線與接收天線距離如表1所示。

表1 屏蔽測試發射天線與接收天線距離

測試在低頻段屏蔽性能往往較差,原因是低頻段電磁波表現為磁場特性,需檢查門窗的電氣連接,在屏蔽門處使用鎳鈷等材料提高低頻段屏蔽性能。另外,在100kHz、200kHz頻點電源的諧波信號強度較大,可以用穩壓源進行供電。

7) 靜電電荷控制

靜電電荷控制用于檢驗被試裝備承受靜電放電的能力。試驗時所有分系統開機并處于最大發射狀態,選擇飛機的前艙、后艙及機翼三處進行空氣放電和接觸放電,每個位置放電10次,放電電壓25kV,在主指揮控制車內觀察載荷控制、飛行控制、指揮規劃、鏈路監控等設備工作是否正常,各項技術參數顯示是否合理正確,放電后檢查飛行控制系統能夠正常工作。

25kV靜電放電用于模擬人體靜電放電,用于檢驗被試裝備的電子元器件是否會被損壞,電子設備是否存在誤動作。

3 試驗布局、被試裝備工作狀態及判據

試驗采用靜態測試,即飛機位于地面狀態進行測試,試驗時飛機位與地面車輛分開布置,并保持一定距離[8～10]。

為模擬實際飛行時飛機與地面車輛距離較遠,傳導安全裕度、輻射安全裕度、外部射頻電磁環境三項試驗時數據鏈系統處于小功率發射狀態外,其它試驗項目(電磁屏蔽性能測試設備不工作)所有電子系統均處于最大發射工作狀態。

在地面車輛內觀察被試裝備工作是否正常,數據、圖像傳輸、顯示是否合理正確。

4 結語

根據電磁兼容實際測試經驗,有兩點建議:一是由于輻射安全裕度試驗和外部射頻電磁環境試驗內容重合,對很多裝備輻射安全裕度試驗不必做;二是通過監測室外測試場地的電磁環境,實現室外開展系統級電磁兼容試驗的新方法。另外,對于外部射頻電磁環境、安全裕度的頻率步進如何設置才能保證既能不漏頻點又高效快捷,還需進一步研究。

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Study of Unmanned Aircraft System-level EMC Test Approach

LIU Ruifeng ZHANG Guangjun LIANG Ting

(Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003)

Based on EMC associative standard and the system of unmanned aircraft, system-level EMC test approach of EUT is presented in this paper, and the test approach is analyzed. Furthermore, layout of EMC test, operating mode and criterion are presented. At last, the conclusion and recommendation is given.

EMC, external EME, safety margins, airborne antenna coupling level

2015年3月7日,

2015年4月20日

柳銳鋒,男,碩士,工程師,研究方向:電磁兼容。張廣軍,男,工程師,研究方向:電磁兼容。梁婷,女,工程師,研究方向:電磁兼容、環境適應性與可維修性。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.042