仵 浩，李潤(rùn)玲，王 娜，苗 強(qiáng)

(1. 93128部隊(duì)，北京 100000；2. 931601部隊(duì)，北京 100000；3. 218廠，北京 100176)

航空器中電子設(shè)備越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜，電磁環(huán)境日益惡劣，設(shè)備之間的電磁互擾日益嚴(yán)重，影響了電氣、設(shè)備和系統(tǒng)的功能性能，電磁兼容設(shè)計(jì)[1-2]顯得尤為重要。各種電氣或電子設(shè)備在電磁環(huán)境復(fù)雜的共同空間中，以規(guī)定的安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的工作能力，即為電磁兼容性。為了保證產(chǎn)品滿足航空器電磁兼容要求，在設(shè)計(jì)之初就開(kāi)展電磁兼容性設(shè)計(jì)，引入電磁兼容設(shè)計(jì)約束，但是由于考慮不足和缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，往往在試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)暴露出相應(yīng)的設(shè)計(jì)缺陷。本文以某型備份顯示系統(tǒng)的試驗(yàn)問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)、接地、振蕩源、電纜方面開(kāi)展電磁兼容性分析，找到問(wèn)題的癥結(jié)。

1 EMC試驗(yàn)中常用理論及處理方法

1.1 電磁干擾三要素

1)干擾源[3]：產(chǎn)生電磁干擾的任何器件、設(shè)備或自然現(xiàn)象，如雷電、電路板上的高頻時(shí)鐘、開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率等。

2)耦合路徑：能夠?qū)⒏蓴_源產(chǎn)生的干擾能量傳遞到敏感源的路徑。干擾的耦合路徑通常分為傳導(dǎo)耦合及輻射耦合。傳導(dǎo)耦合即通過(guò)導(dǎo)線傳輸帶來(lái)的耦合干擾，主要通過(guò)共阻抗耦合和地環(huán)路耦合方式產(chǎn)生干擾；輻射耦合即通過(guò)空間傳播產(chǎn)生的干擾。

3)敏感設(shè)備：受電磁干擾影響的電路或設(shè)備弱電信號(hào)中的放大器、A/D變換器敏感元件，數(shù)字電路中的高速時(shí)鐘線、控制線和地址數(shù)據(jù)線等均是敏感器件。

1.2 常用處理方法

為了實(shí)現(xiàn)電磁兼容，必須從上述3個(gè)要素出發(fā)，確定電磁干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備，采取對(duì)干擾源屏蔽、濾波的方法，切斷、濾除或減小干擾源干擾幅值，降低敏感設(shè)備對(duì)干擾源的響應(yīng)。

1)屏蔽。

屏蔽[4]就是對(duì)2個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。屏蔽對(duì)于削弱或切斷電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁輻射3種干擾耦合方式是行之有效的。圖1所示為磁場(chǎng)耦合示意圖[5]，采用高磁導(dǎo)率的磁性材料做屏蔽殼體[6]，利用其磁阻小的特點(diǎn)給干擾磁通提供了一條低阻通路，使得空間磁場(chǎng)集中在屏蔽材料中，從而使敏感器件免受磁場(chǎng)干擾，實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽。

圖1 磁場(chǎng)屏蔽示意圖

2)接地。

“接地”[7]一般是指電路或系統(tǒng)與“地”之間構(gòu)成低阻抗通路。接地基本目的有2個(gè)：一個(gè)是信號(hào)接地為信號(hào)電壓提供一個(gè)零電位參考點(diǎn)；另一個(gè)是為了安全接地。電磁兼容技術(shù)的接地屬于信號(hào)接地，良好的接地是改善電路或系統(tǒng)電磁兼容性能的一種有效而經(jīng)濟(jì)的方案。信號(hào)接地方式有如下幾種：共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地；獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地；獨(dú)立地線并聯(lián)多點(diǎn)接地；電路系統(tǒng)的組合接地。

3)濾波器。

濾波器[8]的主要功能是將有用信號(hào)以外的信號(hào)能量進(jìn)行抑制，可以顯著減弱干擾源和被干擾電路之間的傳導(dǎo)干擾電平，它是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波器是由集中參數(shù)的電阻、電感和電容，或分布參數(shù)的電阻、電感和電容構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)。濾波器按頻率特性一般分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器；按濾波機(jī)理來(lái)分，可分為吸收型濾波器和反射型濾波器；按選用的元件分為有源濾波器和無(wú)源濾波器。濾波器按電路一般分為單電容型(C型)、單電感型(L型)、Γ型、反Γ型、T型和π型(見(jiàn)圖2)。

圖2 各種不同類型的濾波器

2 某型備份顯示系統(tǒng)RE102試驗(yàn)暴露問(wèn)題

某型備份顯示系統(tǒng)由備份飛行顯示器和捷聯(lián)磁傳感器兩部分構(gòu)成，其中備份飛行顯示器將慣性測(cè)量單元、航姿解算單元、動(dòng)靜壓傳感器組件、大氣解算單元以及LCD顯示及圖形處理單元等模塊集成在一起，同時(shí)配備外置捷聯(lián)安裝的磁傳感器，使得整個(gè)系統(tǒng)具有解算并顯示飛機(jī)的姿態(tài)、航向、指示空速、升降速度和高度等參數(shù)信息。系統(tǒng)內(nèi)部原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部原理框圖

備份顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程也遵從了相應(yīng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但是在第一次進(jìn)行RE102試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，在3M～30M之間超出的點(diǎn)多且超出的量值比較大，最大點(diǎn)接近20 dB，RE102試驗(yàn)未能通過(guò)。第一次RE102試驗(yàn)圖譜如圖4所示。

圖4 第一次RE102試驗(yàn)圖譜

3 電磁兼容試驗(yàn)的故障排查與設(shè)計(jì)改進(jìn)

由于捷聯(lián)磁傳感器是我國(guó)電子領(lǐng)域中常用的成熟顯示元件，能夠獨(dú)立通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)，較好地滿足抗電磁干擾的三要素需求，因此無(wú)需考慮捷聯(lián)磁傳感器本身的電磁干擾問(wèn)題，而是從備份飛行顯示器的系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，使其滿足航空器電子產(chǎn)品電磁兼容性要求。

3.1 備份飛行顯示器EMC故障排查

針對(duì)RE102試驗(yàn)中暴露的問(wèn)題，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部振蕩源、接地情況、電纜狀態(tài)等4個(gè)方面進(jìn)行備份飛行顯示系統(tǒng)的EMC故障排查。

1)備份飛行顯示器結(jié)構(gòu)分析。

理想的屏蔽結(jié)構(gòu)是無(wú)縫隙、無(wú)孔洞、無(wú)滲透的金屬結(jié)構(gòu)體[9]。備份飛行顯示器結(jié)構(gòu)如圖5所示，從圖5中可以看出，備份飛行顯示器螺釘接合的地方有4處：導(dǎo)光板與外殼、外殼與后蓋、外殼與散熱器、產(chǎn)品插座與后蓋。從輻射理論考慮，在機(jī)箱的接縫處往往會(huì)導(dǎo)致屏蔽體上形成不連續(xù)的導(dǎo)電點(diǎn)，易產(chǎn)生電磁泄漏，應(yīng)在接縫處選擇適當(dāng)?shù)钠帘尾牧蟻?lái)堵縫。而且由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，為了減小體積，電路板之間采用了飛線連接，增加了導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的場(chǎng)耦合。

圖5 備份飛行顯示器結(jié)構(gòu)圖

2)備份飛行顯示器內(nèi)部振蕩源的查找。

電源組件：開(kāi)關(guān)電源模塊，開(kāi)關(guān)頻率約為300～500 kHz；航姿解算板組件：?jiǎn)喂S422接口波特率分別為19 200和38 400 bps，雙工RS422接口波特率分別為115 200和19 200 bps，雙工ARINC429總線波特率為100 kHz，晶振3.686 4 MHz；大氣圖形板組件：RS422雙工接口波特率為19 200 bps，晶振10 MHz；D/S板組件：RS422雙工接口波特率為115 200 bps，晶振22.118 4 MHz；大氣傳感器組件：TTL方波，頻率范圍為30～45 kHz；慣性測(cè)量單元：RS422接口波特率為38 400 bps。對(duì)比產(chǎn)品內(nèi)部振蕩源頻率和RE102試驗(yàn)圖譜，航姿解算板組件、大氣圖形板組件中的晶振頻率為3～30 MHz，符合故障頻段。

3)備份飛行顯示器接地分析。

航姿解算板、大氣圖形板、DS轉(zhuǎn)換板都有獨(dú)立的數(shù)字地和模擬地，且各電路板上都有二次電源芯片，同時(shí)電源的輸入端、輸出端進(jìn)行了濾波設(shè)計(jì)。電路板布局設(shè)計(jì)中，依據(jù)電磁兼容性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，定義了獨(dú)立的電源層和地層。

對(duì)電源組件中地的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析：電源組件主要是為了對(duì)輸入28 V電源進(jìn)行濾波以及電源轉(zhuǎn)換。在電源電路設(shè)計(jì)中，考慮到電磁兼容性要求，為了抑制來(lái)自電源線上的輻射干擾和傳導(dǎo)干擾，電源濾波器安裝到設(shè)備屏蔽殼體的入口處，即電源濾波器緊靠產(chǎn)品連接器安裝，濾波器殼體與產(chǎn)品殼體良好搭接，使濾波器具有良好的濾波特性，充分發(fā)揮濾波效果，有效抑制了紋波；同時(shí)，通過(guò)電源濾波器FK9501內(nèi)部的電感隔離機(jī)上電源地與產(chǎn)品內(nèi)部電源地，保證外部噪聲無(wú)法通過(guò)電源線引入到系統(tǒng)內(nèi)部。

但在故障排查檢測(cè)時(shí)[10]發(fā)現(xiàn)，電源濾波器FK9501的殼地實(shí)際上與電源地短接在一起，導(dǎo)致電源濾波器的Y電容(抑制共模干擾的電容)變成了X電容(抑制差模干擾的電容)，從而對(duì)于共模干擾無(wú)法進(jìn)行有效濾波，導(dǎo)致RE102試驗(yàn)中3M～30M之間頻點(diǎn)超出，因此更改電源濾波器FK9501的殼地改接至產(chǎn)品殼地。

4)備份飛行顯示器電纜分析。

從電纜設(shè)計(jì)上看，按照一般的設(shè)計(jì)思路，電纜插頭均選用屏蔽插頭和屏蔽尾附，導(dǎo)線外層套防波套，防波套與電纜尾附件360°搭接。電纜內(nèi)部導(dǎo)線均選用屏蔽線，其中對(duì)于電源線和開(kāi)關(guān)量選用單股屏蔽線，對(duì)于數(shù)字信號(hào)線選用雙絞屏蔽線和三絞屏蔽線，整個(gè)電纜的屏蔽層和導(dǎo)線的屏蔽層最終與產(chǎn)品殼地相連，即按照正常生產(chǎn)工藝加工的電纜對(duì)于電場(chǎng)輻射有良好的抑制作用，自身沒(méi)有泄漏點(diǎn)。

3.2 備份飛行顯示器EMC設(shè)計(jì)改進(jìn)

針對(duì)備份飛行顯示器的EMC故障點(diǎn)，設(shè)計(jì)備份飛行顯示器EMC改進(jìn)方案，提出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)、振蕩源優(yōu)化、液晶屏優(yōu)化等工藝改進(jìn)措施。

1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝改進(jìn)。

產(chǎn)品外殼和后蓋的氧化處理方式為硬鋁陽(yáng)極氧化，縫隙處采用普通橡膠條密封，導(dǎo)致后蓋與產(chǎn)品外殼接縫處不導(dǎo)電連接，后蓋上濾波插座并沒(méi)有與殼地真正連接，同時(shí)產(chǎn)品的殼地也沒(méi)有真正同大地連接，屬于懸浮狀態(tài)。為了增加產(chǎn)品整體導(dǎo)電的連續(xù)性，達(dá)到連續(xù)金屬屏蔽結(jié)構(gòu)體，進(jìn)行工藝改進(jìn)。首先，將產(chǎn)品的外殼、后蓋的氧化處理方式變?yōu)閷?dǎo)電氧化；同時(shí)在接縫處的端面部位不做噴漆處理，保留導(dǎo)電氧化層的狀態(tài)；然后，將原縫隙處的普通橡膠條或橡膠板更換為導(dǎo)電橡膠條和導(dǎo)電橡膠板，并使用導(dǎo)電膠固化，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連續(xù)性。

2)振蕩源的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

產(chǎn)品電路板之間飛線為普通導(dǎo)線，增加了導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與晶振電磁場(chǎng)之間的耦合。進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)：板與板之間的數(shù)字信號(hào)線(RS422信號(hào)線、ARINC429信號(hào)線)均更換為雙絞屏蔽線；根據(jù)4.1.2中分析的產(chǎn)品內(nèi)部振蕩源，晶振的外殼采取接地處理。

3)液晶屏的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

查找液晶顯示器的手冊(cè)，該顯示器能夠通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)，但是在試驗(yàn)室近場(chǎng)探頭掃描卻發(fā)現(xiàn)顯示屏在近場(chǎng)掃描時(shí)仍有少量輻射，恰好與RE102圖譜中未通過(guò)頻率吻合。進(jìn)一步優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)，液晶屏加裝屏蔽玻璃，加裝后進(jìn)行試驗(yàn)室近場(chǎng)掃描，屏蔽效果明顯。

4 改進(jìn)系統(tǒng)的EMC試驗(yàn)與分析

最后，對(duì)改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)與分析，經(jīng)RE102試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)能夠解決3M～30M段輻射量值超高的問(wèn)題，滿足航空器電子產(chǎn)品電磁兼容性要求。

經(jīng)過(guò)上述工藝、設(shè)計(jì)改進(jìn)后，產(chǎn)品進(jìn)行第二次RE102試驗(yàn)，原先3M～4M處的輻射量值明顯降低，但6M～30M處的輻射量值沒(méi)有很大的改善。第二次RE102試驗(yàn)圖譜如圖6所示。

圖6 第二次RE102試驗(yàn)圖譜

從系統(tǒng)角度再次分析，備份顯示系統(tǒng)包含備份飛行顯示器和捷聯(lián)磁傳感器兩部分，而捷聯(lián)磁傳感器為外購(gòu)產(chǎn)品，該產(chǎn)品已通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)，因此，輻射信號(hào)仍然是備份飛行顯示器信號(hào)或2個(gè)設(shè)備之間交聯(lián)鏈路產(chǎn)生；為了驗(yàn)證備份飛行顯示器液晶屏電磁兼容性，取下屏蔽玻璃，圖譜沒(méi)有變化，因此判定電磁泄漏為產(chǎn)品內(nèi)部輻射出來(lái)的信號(hào)。再次進(jìn)行干擾源和干擾鏈路分析。

備份飛行顯示器與磁傳感器相交聯(lián)的引線包含8 V電源線和RS422信號(hào)線，備份飛行顯示器提供8 V電源信號(hào)給捷聯(lián)磁傳感器，電路設(shè)計(jì)中未對(duì)8 V輸出電源信號(hào)進(jìn)行濾波，而其開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的輻射信號(hào)不可忽略；備份飛行顯示器插座上含有RS422信號(hào)和ARINC429數(shù)字信號(hào)，插座引線均使用普通導(dǎo)線，導(dǎo)線之間容易場(chǎng)耦合。

針對(duì)上述分析，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)改進(jìn)：備份飛行顯示器內(nèi)部插座上的RS422信號(hào)線、ARINC429信號(hào)線從普通導(dǎo)線更換為雙絞屏蔽線；備份飛行顯示器與捷聯(lián)磁傳感器相交聯(lián)的RS422信號(hào)線更換為雙絞屏蔽線；在備份飛行顯示器8 V電源信號(hào)線的輸出端增加通用電源濾波器。改進(jìn)完成后再次進(jìn)行RE102試驗(yàn)驗(yàn)證，6M～30M段的輻射量值大幅下降，滿足航空器電子產(chǎn)品電磁兼容性要求。第三次RE102試驗(yàn)圖譜如圖7所示。

圖7 第三次RE102試驗(yàn)圖譜

5 結(jié)語(yǔ)

航空飛行器越來(lái)越復(fù)雜，集成度越來(lái)越高，這就帶來(lái)電子設(shè)備電磁兼容性的困難。一般情況下，航空電子設(shè)備均會(huì)依據(jù)通用電磁兼容性原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并形成電磁兼容設(shè)計(jì)方案落實(shí)到產(chǎn)品圖樣中，但通常在進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)時(shí)，還是存在有些試驗(yàn)不能通過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其RE102最不容易通過(guò)。

本文針對(duì)備份顯示系統(tǒng)在RE102試驗(yàn)中超標(biāo)的問(wèn)題，依據(jù)電磁干擾理論，對(duì)設(shè)備內(nèi)部電路、干擾源、結(jié)構(gòu)、設(shè)備之間交聯(lián)系統(tǒng)分析查找干擾源和干擾鏈路，采用工程方法對(duì)產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，最終使得產(chǎn)品通過(guò)RE102項(xiàng)試驗(yàn)。電磁兼容是一門(mén)理論結(jié)合實(shí)際的學(xué)科，它不僅有豐富的理論知識(shí)，同時(shí)更需要實(shí)際的工程實(shí)踐，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中引入電磁兼容設(shè)計(jì)的要求，在試驗(yàn)階段輔以相應(yīng)的檢測(cè)手段進(jìn)行定位，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計(jì)。