許　鳴　陳　旸

(南京模擬技術研究所　南京　210000)

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某機載飛行控制器傳導敏感度分析與設計*

許鳴陳旸

(南京模擬技術研究所南京210000)

摘要論文分析了傳導敏感度的機理,針對某機載飛行控制器電氣系統(tǒng)的關鍵部件做了傳導敏感度方面的設計,詳細介紹了電源濾波器、RS422串口、RS232串口、線纜的設計電路,最終滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。為機載設備的電磁兼容設計提供了參考。

關鍵詞電磁兼容; 傳導敏感度; 濾波器; RS422; RS232; 線纜屏蔽

Conducted Susceptibility Analysis and Design for Airborne Controller

XU MingCHEN Yang

(Nanjing Research Institute on Simulation Technology, Nanjing210000)

AbstractIn this paper, the conducted susceptibility analysis and design for important electronic units in airborne controller was presented. The design for power line filter, RS422, RS232 and cable was described in detail. The airborne controller met the demand for GJB151A-97 and GJB152A-97. Moreover, it provided the reference for electromagnetic compatibility design of airborne equipment.

Key Wordselectromagnetic compatibility, conducted susceptibility, filter, RS422, RS232, cable shielding

Class NumberV240

1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(huán)境日益復雜。各類航空電子設備及分系統(tǒng)的電磁兼容性設計與評估就顯得越來越重要。本文針對某型無人機機載飛行控制器電氣系統(tǒng)的關鍵部件做了傳導敏感度方面的設計,以滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求?？偨Y了電源線、信號線和核心電路板在傳導敏感度設計中應注意的問題,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[1～3]。

本文在某型機載飛行控制器設計階段,從傳導敏感度機理入手,分析干擾源、耦合路徑和敏感電路及器件,采取了適當?shù)脑O計方法和措施,以滿足GJB151A-97和GJB152A-97中“CS101 25Hz～50kHz電源線傳導敏感度”與“CS114 10kHz～400MHz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(tǒng)的電磁兼容性分析設計提供了實例參考。

2敏感度機理分析

2.1敏感度三要素

所有的電磁兼容敏感度問題產生需要同時具備三個條件,即敏感度三要素:電磁干擾源、耦合途徑(或傳輸通道)以及敏感設備,如圖1所示。電磁干擾源是指產生電磁干擾的任何元件、器件、設備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象;耦合途徑(或傳輸通道)是指將電磁干擾能量傳輸?shù)绞芨蓴_設備的通道或媒介,包括線纜、空間等;敏感設備是指受到電磁干擾影響,或者說對電磁干擾發(fā)生響應的設備[4]。

2.2干擾源

機載飛行器外部和內部的干擾源會對其敏感電路和器件產生干擾,對設備的正常工作產生影響。如圖2所示,飛行器外部的干擾源主要有:

圖1　敏感度三要素

圖2　飛行器外部的干擾源示意圖

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

2) 雷電干擾:雷電現(xiàn)象發(fā)生在離地球表面15km～25km處,其頻率在1kHz～5MHz范圍內,放電峰值電流可達30kA,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。

機載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。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(xiàn)敏感現(xiàn)象,例如電源轉換電路的輸出電壓不穩(wěn)定,傳感器數(shù)據(jù)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。

2.3耦合路徑

電磁干擾敏感度的耦合路徑可以分為傳導耦合和輻射耦合兩種,如圖3所示。前者是干擾源與線纜存在電氣連接,把干擾源疊加在傳遞的電流信號上,從而影響敏感設備。國軍標考核的CS101、CS114等就是用“直接注入”或“探頭注入”的方法,將干擾噪聲疊加在被測設備的電源線束、信號線束上,從而評估被測設備的傳導敏感度。

圖3　耦合路徑示意圖

2.4敏感部件

嚴酷的電磁環(huán)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。如設備的電源模塊、串口通信、MCU核心電路、無線電臺通信、電機繼電器等。在傳導敏感噪聲源的干擾下,未考慮電磁兼容設計的部件或考慮不周全的部件都有可能出現(xiàn)敏感現(xiàn)象,如通信亂碼、程序跑飛、器件損壞等。所以在傳導敏感度設計中,周全的考慮會受到影響的敏感部件,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。

3傳導敏感度設計

3.1飛控控制器功能介紹

本文設計的機載飛行控制器由主飛控、備飛控和雙仲裁三個主要部件構成,如圖4所示。主飛控和備飛控采集前級的信號參數(shù),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(jù)對兩個飛控的輸出做判斷,以監(jiān)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”,該機載飛行控制器的作用至關重要,也是電磁兼容設計中重點關注的設備。本文從電源、串口通信和線纜三個部分做了傳導敏感度的設計。

圖4　機載飛行控制器功能示意圖

3.2電源設計

圖5　電源濾波器電路

電源端使用濾波器是最常見的設計方法。本文中飛控控制器的電源端的濾波器設計如圖5所示?？紤]傳導敏感度的干擾機理,選用了共模電感(LCM)、貼片電容(C1、C2、C3、C4)和磁珠(FB1、FB2)的拓撲組合。磁珠是一種鐵氧體器件,有很高的電阻率和磁導率,等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化[5]。相比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時呈現(xiàn)阻性,所以能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗,從而提高調頻濾波效果。與傳統(tǒng)的電源濾波器相比,選用WE-742792097的磁珠串聯(lián)在濾波器輸出端,有助于解決電容濾波存在的“窄帶濾波”問題,抵抗線路上的高頻干擾。圖6表示無磁珠串聯(lián)時該款濾波器的插入損耗,再加上磁珠在高頻體現(xiàn)出的阻抗,大大增加了干擾噪聲的衰減。

圖6　濾波器的插入損耗

3.3信號串口設計

RS422和RS232都是典型的串口信號,其中RS422在正負電平之間變動,發(fā)送端與接收端通過雙絞線將AA、BB相對應連接。RS422的傳輸信號共有四路,如圖7所示,Y、Z兩組發(fā)送,A、B兩組接收,可以同時發(fā)送和接收信號,還有地線,便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信。接收端A-B的差值大于-50mV定義為正邏輯電平,小于-200mV定義為負邏輯電平,弱信號的傳送過程中極易受到傳導敏感噪聲的干擾,影響接收端的邏輯判斷。故在RS422和RS232串口設計時要兼顧過電壓保護和高頻噪聲這兩種的干擾[6]。

圖7　RS422信號原理圖

本文的飛行控制器選用了ADM 3076型的串口芯片。ADM 3076為3.3V低功耗數(shù)據(jù)收發(fā)器,適用于多點總線傳輸線路的全雙工和半雙工通信,符合TIA/EIA標準。還具有1/8單位負載接收器輸入阻抗,允許一條總線最多連接256個收發(fā)器。由于任一時間僅使能一個驅動器,因此禁用或關斷驅動器的輸出處于三態(tài),避免總線過載。接收器輸入具有真故障安全特性,無需外部偏置電阻;當輸入開路或短路時,可確保提供邏輯高輸出電平。

雖然ADM 3076芯片本身提供±15kV的ESD保護功能,但考慮到國軍標CS101和CS114對傳導敏感度的要求[7],RS422芯片和RS232端口還采取了以下設計(未給出RS422和RS232功能性的設計電路),如圖8和圖9所示。

1) ADM 3076的供電引腳(VCC)增加并聯(lián)1nF的電容至GND;

2) ADM 3076的輸入引腳(A、B、DI)增加并聯(lián)1nF的電容至GND;

3) RS232串口的2#、3#端口并聯(lián)TVS(D1、D2)至GND,以對EMP干擾做出快速反應;

4) RS232串口的2#、3#端口串聯(lián)磁珠(FB1、FB2),以應對耦合的高頻噪聲。

圖8　ADM 3076設計電路

圖9　RS232端口設計電路

3.4線纜選用

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,其金屬外殼應與機殼保持良好的電連續(xù)性。采用360°環(huán)接,連接阻抗要小于1mΩ[8]。

機箱外部的所有連接電纜采用金屬編織網(wǎng)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10所示。

4測試評估

4.1測試評估方法

依據(jù)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。飛行控制器在注入規(guī)定電平的電磁發(fā)射情況下,未出現(xiàn)性能下降或故障,則為合格,否則為不合格。

本文的機載飛行控制器的測試評估要求如表1所示。

表1　測試評估要求

CS101是測量直接施加在被測設備電源線上的連續(xù)波敏感度,如圖11(a)所示,主要考核的是電源高次諧波,通常是七次以上的傳導敏感度。而CS114用于檢驗被測設備承受出現(xiàn)在互連電纜上的射頻干擾信號的能力,如圖11(b)所示,采用的是調制信號,占空比50%、頻率1kHz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[9～10]。

圖11　測試評估方法

4.2測試評估結果

表2表示了測試評估的結果,可以看出,僅考慮電源設計時只有CS101項目合格,主要通過線束“探頭耦合”的CS114依然影響到設備的正常工作。采用電源、串口、線纜設計后,電源線和信號線均通過了CS101和CS114,達到了設計的預期。

表2　測試評估結果

5結語

針對機載飛行控制器使用的特點,本文在功能性設計基礎上進行了傳導敏感度分析與設計。給出了改進后的電源濾波器、RS232、PCB芯片和線纜的設計電路或原理圖。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。

參 考 文 獻

[1] 蘇東林,王冰切.電子戰(zhàn)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] 蘇東林,王東方,王明皓,等.機載天線電磁兼容性分析[J].北京航空航天大學學報,2002,28(2):228-230.

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

[4] 陳旸.電快速脈沖群引起的輻射電磁干擾機理分析及其應用[D].南京:南京師范大學碩士論文,2014:1-2.

[5] 陳旸,趙陽,等.線束串擾的電磁騷擾應用仿真研究[J].電子質量,2013(9):74-78.

[6] 孫自勝,譚涌波,馮民學.串行通信中RS422接口浪涌保護器的設計與研究[J].電瓷避雷器,2013,3:36-41.

[7] 鄭紅星,曹曉緋.RS422在反坦克導彈上的應用研究[J].彈箭與制導學報,28(4):32-35.

[8] Shim Jongjoo, et al. Circuital modeling and measurement of shielding effectiveness against oblique incident plane wave on apertures in multiple sides of rectangular enclosure[J]. IEEE Trans Electromagn Compat,2010,52(3):566-577.

[9] 國防科學技術委員會.GJB 151A-97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京,1997:7-8.

[10] 國防科學技術委員會.GJB 152A-97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量[S].1997:24-79.

中圖分類號V240

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.012

作者簡介:許鳴,男,碩士,高級工程師,研究方向:電磁兼容、通信網(wǎng)絡、無人機測控。陳旸,男,碩士,助理工程師,研究方向:電磁兼容。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年8月27日