王爾申，張淑芳，雷虹，張磊

（1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院，沈陽110136；2.大連海事大學信息科學技術學院，遼寧大連116026；3.電磁環(huán)境效應航空科技重點實驗室，沈陽110035；4.沈陽航空航天大學通用航空實驗室，沈陽110136）

復合材料無人機電磁兼容設計?

王爾申1，張淑芳2，雷虹3，張磊4

（1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院，沈陽110136；2.大連海事大學信息科學技術學院，遼寧大連116026；3.電磁環(huán)境效應航空科技重點實驗室，沈陽110035；4.沈陽航空航天大學通用航空實驗室，沈陽110136）

研究了一種復合材料無人機系統(tǒng)的電磁兼容設計。在分析系統(tǒng)中造成電磁干擾的因素和電磁干擾的傳遞方式的基礎上，討論了系統(tǒng)設計中的屏蔽技術和靜電放電防護技術，研究了復合材料電搭接的方法，分析了各子系統(tǒng)間的布局、布線方法對系統(tǒng)電磁兼容性能的影響等問題。仿真驗證了數(shù)據(jù)鏈路天線反射板的合理尺寸。

無人機；復合材料；電磁兼容；電磁干擾；電搭接；靜電放電

1 引言

飛機電磁兼容性是指在飛機有限的空間、時間、頻譜資源條件下，飛機電子設備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)［1］。隨著電子、電氣、計算機、控制理論與控制工程等科學技術的發(fā)展，飛機電子設備類型、數(shù)量和工作方式愈來愈多，頻率覆蓋范圍不斷擴展，發(fā)射功率愈來愈大，接收靈敏度愈來愈高，機上設備共用的電磁環(huán)境也越來越復雜，復雜的電磁環(huán)境同時對機上電子設備提出了更為苛刻的電磁兼容性要求［2］。

目前，隨著復合材料技術的發(fā)展，同時也從減輕飛機的重量進行考慮，復合材料在無人機的設計中得到了大量的使用，特別是先進復合材料。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上各種先進的無人機復合材料的用量一般占機體結構總量的60%～80%，有些甚至是全復合材料飛機，即復合材料的用量達90%以上。先進復合材料高比強度、高比剛度的特性實現(xiàn)減重，在滿足機體結構強度和剛度的前提下確保結構重量系數(shù)達到30%以下，然而，復合材料是一種非金屬材料，具有特殊的電磁性能，導電及屏蔽等性能都不如金屬材料。而無人機上有許多電氣設備比如天線的裝載、電源供電回路、接地、靜電防護等，這些無疑給復合材料無人機整機的電磁兼容設計提出了更高的要求。

本文結合復合材料無人機系統(tǒng)的設計實例，從系統(tǒng)的整體設計和模塊設計的角度研究了其電磁兼容性設計，給出了系統(tǒng)設計中的EMC優(yōu)化方法和數(shù)據(jù)鏈天線反射板尺寸的設計。

2 系統(tǒng)的整體設計

復合材料無人機系統(tǒng)主要負責飛機的安全飛行、執(zhí)行相應的任務，并與地面站進行有效的數(shù)據(jù)通信。為了滿足上述功能，其組成主要包括電源系統(tǒng)、機載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。其中，電源系統(tǒng)為無人機提供動力，機載系統(tǒng)包括飛管計算機（集成慣導系統(tǒng)、磁航向等）、數(shù)據(jù)鏈路終端、GPS導航接收機、差分電臺、大氣處理單元、舵機等，地面系統(tǒng)包括地面控制站（數(shù)據(jù)鏈路終端、地面站配套軟件及硬件）、差分電臺。系統(tǒng)各個組成部分通過相應的總線進行通信，機載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間通過無線數(shù)據(jù)鏈路進行通信，其系統(tǒng)組成結構框圖如圖1所示，本文只討論無人機機載電子設備的EMC設計。

3 復合材料無人機系統(tǒng)電磁干擾產生與傳播途徑分析

電子系統(tǒng)電磁干擾的產生必須具有3個要素，即干擾源、干擾傳播途徑和敏感設備。由此可見，在進行系統(tǒng)設計中，只要消除了電磁干擾的三要素中的一個因素，干擾就會被抑制［3］。

復合材料無人機系統(tǒng)中的干擾源主要有：

（1）無人機發(fā)動機瞬間點火以及舵機電刷動作產生火花形成的電磁干擾；

（2）無線電射頻數(shù)據(jù)鏈路（包括發(fā)射機和接收機）、穩(wěn)壓電源、電機調速器、旋轉電機以及其它機載電子設備內部的振蕩器等，這些設備直接產生的電磁波或互調后的雜波干擾；

（3）系統(tǒng)供電系統(tǒng)接地回路的噪聲；

（4）無人機飛行時，其表面與空中塵埃以及其它物質粒子發(fā)生碰撞，在復合材料表面形成電荷，從而產生很大的電位，形成電暈或火花放電，其產生寬帶電磁場對天線和飛機蒙皮內電子設備產生干擾［4］，進而導致通信、導航、計算機控制的失靈，甚至導致飛機、導彈等武器裝備的嚴重損壞或事故；

（5）GPS模塊與數(shù)據(jù)鏈路通信模塊共存于同一個系統(tǒng)中，兩者的工作頻率相近，由于GPS信號自身比較弱，淹沒在噪聲中；而數(shù)據(jù)鏈路信號發(fā)射功率比較大，因此，兩者在同一個系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈路通信模塊也是GPS模塊的一個很嚴重的干擾源。

復合材料無人機系統(tǒng)中主要干擾傳播途徑有：

（1）設備傳導耦合：設備和設備連接導線相互之間的電磁耦合，是設備對設備耦合的途徑之一；

（2）輻射耦合：多數(shù)電子設備都有很好的機箱外殼，它對電磁輻射具有屏蔽作用，但是機箱上的許多通風散熱孔、導線引出孔、鉚接縫都會滲入電磁波，或者泄出電磁波，這些電磁輻射在附近的導線上感應電流造成干擾；

（3）感應耦合：信號線間共模和差模感應耦合；

（4）公共地阻抗耦合：不同子系統(tǒng)之間傳遞信號需要一個公共基準點，流入公共阻抗的電流將會把干擾耦合到其它電路中，不良的接地方式是引起公共阻抗耦合的主要原因。

4 復合材料無人機系統(tǒng)電磁干擾抑制優(yōu)化設計

4.1 電源電路的優(yōu)化設計

電源是無人機機載設備電磁干擾（EMI）麻煩的制造者，也是受害者。電源電路的選擇與設計直接關系到設備的EMC指標，甚至關系到設備能否正常工作。而在所有電源干擾（如快速瞬變脈沖群干擾、電源瞬時跌落等）中，尤其以快速脈沖群干擾最為嚴重。本系統(tǒng)在電源設計時采用濾波、隔離和吸收方法來抑制電源引入的干擾，如圖2所示。機載設備電源由DC／DC變換器消除因公共電阻引起的耦合，經穩(wěn)壓電源、濾波器件濾掉高頻信號干擾、扼流圈抑制共模干擾，瞬態(tài)抑制器件吸收尖峰干擾電壓再提供機載電子設備［5-6］。

機載系統(tǒng)中電子設備的種類繁多，設備內部電路的供電需求各異，加上大電流與小電流電源進行分離，需要多個電源進行供電。比如，在舵機動作的瞬間需要大電流，設計中將自駕儀與伺服系統(tǒng)的電源分開，避免對自駕儀工作帶來干擾。另外，由于復合材料自身導電性能較差，無法將其作為機載供電電源的負母線，需要將單線制供電方式設計為雙線制供電方式。

4.2 系統(tǒng)間接口電路的優(yōu)化設計

無人機機載系統(tǒng)的核心為自駕儀系統(tǒng)，它需要和外部的多個子系統(tǒng)相互接口，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在與舵機的接口中選用RS485總線，在其引線上加裝RF濾波器，以使伺服機穩(wěn)定可靠地工作。同時，為了提高飛機的抗干擾能力，在飛機水平尾翼采用了雙舵面冗余設計，即在每側水平尾翼做成兩個舵面，采用兩個舵機進行控制。在與GPS接收機的RS232接口上引入吸收和濾波器件。

4.3 機載電子系統(tǒng)的布局及布線

機載電子設備的安裝布局要考慮工藝要求和EMC設計兩方面的因素。其中，考慮到發(fā)動機點火時瞬間產生火花以及工作時產生的振動，本設計中，將敏感設備比如自駕儀、超聲波高度計遠離發(fā)動機，并避免與大功率無線收發(fā)機靠近。同時，結合各個部件自身的特點，對以下幾方面進行了優(yōu)化處理。

GPS天線安裝位置對GPS的工作效果有影響，為了獲得最佳工作性能，按照以下規(guī)則安裝GPS天線。

（1）安裝一個金屬地板。安裝地板將改善信號接收和GPS性能，通過實驗驗證可使用10 cm×10 cm的銅皮。

（2）避免遮擋。GPS信號比較弱，所以小的遮擋都會降低信號。

（3）離開發(fā)動機安裝。天線安裝離發(fā)動機太近將增大震動，且易受燃料的污染。

（4）避免射頻干擾。GPS信號易受其它設備的射頻干擾，如無線調制／解調器、無線視頻發(fā)射機等。

（5）GPS電纜不要來回折疊捆扎，會影響GPS信號，打大彎捆扎成圓較好。

空速管連接器用一個普通的內徑為5 mm的銅管。使用時，在機翼下方安裝一個直徑3～5 mm的黃銅管，要盡量遠離機翼，不要受螺旋槳氣流影響。

確認電纜的長度不引起問題，如果電纜引起了太大的壓降，導致伺服電機在任何位置上的抖動，應改成截面積更大的電纜。如果電纜的長度符合了射頻波長的四分之一或二分之一長度且射頻足夠強，電纜就成了有效的接收天線。

4.4 機載電子系統(tǒng)的屏蔽及靜電抑制

屏蔽裝置可使電磁波產生吸收損耗和反射損耗，電磁屏蔽方法切斷干擾傳輸途徑，尤其對空間干擾可以起到較好的效果。

電磁屏蔽有兩種作用：一種是屏蔽干擾源對外產生干擾，另一種是屏蔽外來的干擾。為了獲得良好的屏蔽效能，對自動駕駛儀采取了屏蔽措施，阻止外界的電磁波對自動駕駛儀造成不良影響。用銅箔包裹自動駕駛儀或者鎳噴涂，使得屏蔽改善；或者把自動駕駛儀裝入鋁盒也會有幫助；或者在自動駕駛儀的處理器部分加裝銅皮，可以焊接到接地端，這可以增加對RF干擾的抑制。

靜電放電器用來泄放飛機上積累的電荷，避免產生過分的無線電噪聲?？紤]到飛機上靜電荷最集中的地方是在機翼尖端部分的后緣。將高阻靜電放電器安裝在復合材料靜電荷累積的地方，與基本結構中的預埋金屬件進行搭接，使得采用碳纖維復合材料蒙皮上沉積的電荷以較快的速率到達放電點，從而防止了大量的電荷堆積和電勢的增加。實踐表明，系統(tǒng)屏蔽以及較粗接地導線可提高設備的抗干擾能力。

4.5 電搭接措施

搭接的目的在于為飛機各結構件以及結構件、設備、附件與基本結構之間提供穩(wěn)定的低阻抗通路，防止它們之間產生電磁干擾，提供電源電流返回通路，也是靜電保護、雷電防護以及保證天線性能的必要措施。

由于是復合材料無人機，所以，機身的導電性能較差，無法像金屬材料飛機一樣將蒙皮作為搭接面，因此，對于復合材料無人機結構件上必須設計有一條金屬組成的主電流回路，供裝在復合材料上的設備搭接用。飛機蒙皮裝配后使蒙皮成為均勻的低阻抗通路，從而具有防射頻干擾的功能。構成蒙皮的所有構件，包括復合材料蒙皮與相鄰的金屬蒙皮之間均應實現(xiàn)射頻搭接。飛機上任何設備均應牢固地搭接到基本結構上，以防止飛行中與氣流摩擦而產生靜電積累［7］。本設計中通過在飛機蒙皮內部埋入金屬件以及表面噴涂的方式使其構成搭接回路。

4.6 數(shù)據(jù)通信鏈路天線反射板的設計

設計的復合材料無人機航電系統(tǒng)的鏈路天線采用單極子鞭形天線，工作頻率2.4 GHz，工作波長0.125m，覆蓋角度主要是飛機下方的圓錐形區(qū)域。為了獲得較好的天線輻射性能，利用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對該天線進行建模、仿真、優(yōu)化，得到在不同尺寸金屬反射板的情況下的天線輻射性能。天線的輻射性能主要有天線工作帶寬（回波損耗要求）、輻射方向圖以及增益等。本仿真采用銅材料單極子鞭狀天線陣子，反射板選用矩形對比分析，天線陣子長度約30mm，經仿真實驗得出，反射板選用矩形為150mm×150mm×2mm尺寸時天線輻射效果很好，回波損耗-10 dB效果很好。實際中天線饋線處信號傳導良好，基本沒有反射。仿真結果如圖3和圖4所示。

5 結論

本文結合復合材料無人機系統(tǒng)的設計，對無人機系統(tǒng)的電磁兼容設計和天線反射板的設計等技術問題進行了研究。實踐表明，復合材料無人機系統(tǒng)設計中應充分注重各子系統(tǒng)的布局、布線、地線敷設、屏蔽和靜電防護抗干擾措施等方面工作，才能獲得系統(tǒng)性能的優(yōu)化。本文研究的復合材料無人機系統(tǒng)的EMC設計，對于復合材料在無人機中的安全應用以及提高復合材料無人機電磁兼容性能具有一定的意義和參考價值。

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WANG Er-shen was born in Liaoyang，Liaoning Province，in 1980.He is now an associate professor with the Ph.D.degree.His research concerns GPSsignal processing.

Email：wes2016＠126.com

張淑芳（1955—），女，遼寧大連人，教授，主要從事全球定位系統(tǒng)理論與應用等領域的研究；

ZHANG Shu-fang was born in Dalian，Liaoning Province，in 1955.She is now a professor.Her research concerns GPS theory and applications.

雷虹（1965—），女，遼寧沈陽人，研究員，主要從事電磁兼容研究。

LEIHong was born in Shenyang，Liaoning Province，in 1965. She is now a researcher.Her research concerns EMC.

Electromagnetic Compatibility Design of a Composite Materials UAV

WANGEr-shen1，ZHANGShu-fang2，LEIHong3，ZHANG Lei4
（1.School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.Information Science and Technology College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China；3.Electromagnetic Environment Effect Top Laboratory of Aviation Industry，Shenyang 110035，China；4.General Aviation Laboratory，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

EMC（Electromagnetic Compatibility）reliability design of a compositematerialUAV（Unmanned Aerial Vehicle）is researched.The factors causing electromagnetic interference（EMI）and the transmissionmode of the interference are analysed.The system shielding technique and static-discharge protectionmethod are discussed. Themethod of compositematerial electricity bonding is given.Moreover，some problems affecting EMC performance of the system，such as layout and routing for some parts of the system are studied.The size of data-link antenna reflected board is simulated.Some simulation results are demonstrated.

UAV；compositematerial；electromagnetic compatibility（EMC）；electromagnetic interference（EMI）；electric bonding；electrostatic discharge

The National High-tech R＆D Program（863 Program）of China（2009AA12Z312）；The National Natural Science Foundation of China（No.61101161）；The Startup Foundation for Doctors of Liaoning Province（No.20101081）；The Startup Foundation for Doctors of Shenyang Aerospace University（10YB01）

TN973.3；V279

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.022

王爾申（1980—），男，遼寧遼陽人，博士，副教授，主要從事GPS接收機信號處理方面的研究；

1001-893X（2011）11-0107-05

2011-07-11；

2011-09-28

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2009AA12Z312）；國家自然科學基金資助項目（61101161）；遼寧省博士啟動基金資助項目（20101081）；沈陽航空航天大學博士啟動基金項目（10YB01）