復雜電磁環境下機載飛行控制器結構設計

陳旸，許鳴，張孫虎，彭飛，包健，茹坤

(南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210000)

復雜電磁環境下機載飛行控制器結構設計

陳旸，許鳴，張孫虎，彭飛，包健，茹坤

(南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210000)

分析了機載飛行控制器所處的復雜電磁環境，針對其關鍵的結構部件進行電磁兼容方面的設計，以解決傳導敏感度的問題。介紹了電源濾波器的布局、外殼和線纜的結構屏蔽設計，最終滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。

飛行控制器；結構設計；電磁兼容；濾波器安裝；屏蔽

0 引言

隨著電氣電子技術在航空飛行器上的成熟應用，飛行器所處的電磁環境日益復雜。各類航空電子設備及分系統的結構設計為解決使用環境中的電磁兼容問題作出了貢獻。現對某型無人機機載飛行控制器關鍵部件做了針對性的結構設計，以滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。總結了結構設計中濾波器的安裝，接口與線纜屏蔽應注意的問題，并給出了對應的設計策略，力圖解決機載飛行控制器的電磁敏感問題[1-2]。

在某型機載飛行控制器設計階段，從分析復雜電磁環境入手，采取了適當的結構設計方法和措施，以滿足GJB151A-97和GJB152A-97中“CS101 25 Hz～50 kHz電源線傳導敏感度”與“CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導敏感度”兩項測試，做到了設備自兼容和一定程度的抗擾度。為機載設備和分系統的電磁兼容性分析設計提供了實例參考。

1 復雜電磁環境分析

文中設計的機載飛行控制器由主飛控、備飛控和雙仲裁3個主要部件構成，如圖1所示。主飛控和備飛控采集前級的信號參數，匯集、判斷、計算，通過串口RS422/232通信，傳送到雙仲裁，雙仲裁通過預先設定好的算法和判據對兩個飛控的輸出做判斷，以監測飛行器的各項指標，最終輸出到后級。作為整架飛行器的“大腦”，機載飛行器外部和內部所處的電磁環境十分復雜，不同類型的干擾源會對其敏感部件產生干擾，對設備的正常工作產生影響。

圖1 機載飛行控制器功能示意圖

如圖2所示，飛行器外部的干擾源主要有：

1) 自然界的無線電噪聲：以銀河系為例，其頻段在20 MHz～500 MHz范圍內；

2) 雷電干擾：雷電現象發生在離地球表面15 km～25 km處，其頻率在1 kHz～5 MHz范圍內，放電峰值電流可達30 kA，破壞能力極強；

3) EMP：空間中釋放的強電磁脈沖(EMP)具有很寬的頻譜，耦合到敏感設備上的干擾很強。

飛行器內部的干擾來自電源、感性負載、開關觸點等，易產生從音頻到百兆頻率的不同程度的干擾。

圖2 飛行器外部的干擾源示意圖

這些內部和外部的干擾，可以通過傳導耦合和輻射耦合的機理影響到敏感設備。前者通過線束耦合到設備的電源線、信號線、核心電路、顯示屏等重要部件，干擾信號疊加在有用信號上，使得高度集成、高度精確性、高度復雜性的電路部件出現敏感現象，例如電源轉換電路的輸出電壓不穩定；傳感器數據受干擾；舵機誤動作；GPS定位錯誤等問題，最終影響航空飛行器的使用。

嚴酷的電磁環境，使得機載飛行控制器的各個部件都有可能成為敏感部件。在結構設計中，應周全的考慮會受到影響的敏感部件，針對關鍵部件，選擇費效比合適的設計方案，來解決設備的敏感度問題十分重要，也是電磁兼容設計中關注的重點。現從結構布局、外殼屏蔽和線纜屏蔽3個部分做了結構設計。

2 關鍵部件結構設計

2.1 結構布局

為了提高整機的電磁兼容性能，在設計時應考慮整機的結構布局，全盤設計接地、屏蔽、搭接等措施。為了實現布局的合理有效，應從電路板級考慮靜態區域的分布。靜態區域應包含數字電路、模擬電路、電源電路、高頻電路、IO接口電路、接地層等部分的隔離。這種隔離避免了PCB板其他區域的噪聲源干擾及其他敏感電路。如圖3所示，就是飛行控制器中3個子部件在結構布局上的原則示意圖。

圖3 電路整體布局

為了控制電源線的傳導干擾噪聲，在電源輸入端增加EMI濾波器是常見的措施。但濾波器的安裝位置也十分重要。產品布局初期采取了圖4(a)的濾波器安裝位置，但在測試驗證中發現其弊端，即外界通過電源線耦合的干擾信號在未經過濾波器時就已經存在于部件的殼體內，濾波器的作用無法充分發揮。后改進了安裝位置，如圖4(b)所示，將濾波器移到殼體的入口，并采用屏蔽板隔離。濾波器的外殼也進行了良好的接地。通過這樣的結構改動，達到了傳導敏感度的設計要求。

圖4 電源濾波器布局

2.2 線纜設計

接口的設計除了電路板上的芯片做抗干擾處理，還要選用帶濾波功能的連接器，如航空連接器，其內部有小孔徑磁珠。必須要保證濾波連接器良好的接地性能，金屬外殼應與機殼保持良好的電連續性。采用360°環接，連接阻抗要小于1mΩ。

機箱外部的所有連接電纜采用金屬編織網屏蔽線纜，編織密度大于95%。這樣具有屏蔽層的線纜，在傳輸高頻信號(>100kHz)時，屏蔽層應雙點或多點接地；如頻率>1MHz或者線纜長度>0.05λ(λ為信號線中最高頻率對應的波長)，由于集膚效應，使得干擾噪聲電流只在屏蔽層外表面通過，屏蔽層應采用多點接地，每隔(0.05～0.1)λ距離接一次地。本設備外部線纜的屏蔽層采用的是多點接地，接口與線纜的設計效果如圖5所示。

圖5 接口與線纜的設計效果圖

2.3 殼體屏蔽

屏蔽是利用導電或導磁材料制成的殼、板、套等各種形狀的屏蔽體，并能將電磁能量限定在一定的空間范圍內，以抑制輻射電磁干擾的一種有效措施。屏蔽效能(SE)是評估殼體屏蔽的指標，但考慮到接縫、散熱、連接器等要素，實際屏蔽體上同時存在多個泄漏耦合結構，設有n個泄漏耦合結構，接縫、通風口、屏蔽體壁板等各泄漏耦合結構的單獨屏蔽效能為SEi(i=1, 2, …,n)，則屏蔽體總的屏蔽效能為式(1)所示。

(1)

由式(1)看出，屏蔽體的屏蔽效能由各個泄漏耦合結構中產生最大泄漏耦合的結構決定。在殼體屏蔽設計時采取了以下3個策略，目的都是將縫隙的泄漏減少到最小。

1) 3個部件的殼體為一次整銑成型；

2) 內部電路板采用排插式安裝，整個殼體只保留1個蓋板；

3) 唯一保留的蓋板的接縫處增加導電襯墊。

屏蔽設計中選用導電性能高的導電襯墊可以對界面的導電狀態進行適當控制，以減小界面阻抗。如圖6所示，能夠足夠變形的導電襯墊既能獲得最佳的屏蔽效能，又能確保襯墊維持應有的彈性，達到重復使用的目的。最終蓋板與殼體接縫處的結構設計如圖7所示。

圖6 導電襯墊變形程度和屏蔽效能的關系

圖7 蓋板與殼體接縫處的導電襯墊使用示意圖

3 測試評估

依據GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114兩個項目進行測試，來評估該機載飛行控制器傳導敏感度設計的有效程度。CS101是測量直接施加在被測設備電源線上的連續波敏感度，主要考核的是電源高次諧波，通常是7次以上的傳導敏感度。而CS114用于檢驗被測設備承受出現在互連電纜上的射頻干擾信號的能力，采用的是調制信號，占空比50%、頻率1 kHz 方波進行調頻調制，借助電流探頭，將干擾信號耦合到受試線纜上，電源線和信號線都是CS114考核的對象[3-4]。飛行控制器在注入規定電平的電磁發射情況下，未出現性能下降或故障，則為合格，否則為不合格。文中的機載飛行控制器的測試評估要求如表1所示。

表1 測試評估結果

4 結語

針對機載飛行控制器使用的特點，在功能性設計基礎上進行了針對電磁兼容性要求，加強了結構設計。給出了結構布局、線纜和外殼屏蔽的結構設計方法。最后通過了GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114兩個項目最為嚴酷的測試，達到了設計的預期目的，也為其他方面的電磁兼容設計提供了參考。該設備現已通過鑒定驗收，投入到某型無人直升機平臺的使用中。

[1] 蘇東林, 王冰切. 電子戰特種飛機電磁兼容預設計技術[J]. 北京航空航天大學學報，2006, 169(10) : 2100-2104.

[2] 王志強, 陳啟忠, 顧幸生. 某航天系統控制器的電磁兼容設計[J]. 宇航學報，2009，30(3)：1159-1163.

[3] 國防科學技術委員會. GJB 151A-97 軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求[S]. 北京：中國標準出版社，1997.

[4] 國防科學技術委員會. GJB 152A-97 軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[S]. 北京：中國標準出版社，1997.

Structure Design of Airborne Controller in Complex Electromagnetic Environment

CHEN Yang, XU Ming, ZHANG Sunhu, PENG Fei, BAO Jian, RU Kun

(NRIST-60, Nanjing 210000, China)

This paper analyzes the complex electromagnetic environment which the airborne controller is in and describes. the structure design of the important units in detail, including the layout of the EMI filter and shielding. The airborne controller meets the demand for GJB151A-97 and GJB152A-97.

airborne controller; structure design; electromagnetic compatibility; layout of filter; shielding

陳旸(1989-)，男，江蘇南京人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為電磁兼容、電氣工程。

V241

B

1671-5276(2015)05-0186-03

2014-04-14