機(jī)載直流電源系統(tǒng)對(duì)無線電設(shè)備的電磁干擾研究

胡 強(qiáng) 趙子華 李 斌

(1.海軍裝備研究院航空裝備論證研究所 上海 200436;2.北京航空航天大學(xué) 北京 100191;3.海軍駐貴陽軍事代表室 貴州安順 510018)

0 引言

機(jī)載直流電源系統(tǒng)為全機(jī)系統(tǒng)及設(shè)備供電，但其中的直流控制和調(diào)壓器件等會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的電磁發(fā)射，同時(shí)由于機(jī)載無線電設(shè)備中均是用頻設(shè)備，如羅盤、電臺(tái)等使用頻段從幾百kHz 至幾百M(fèi)Hz，而這些頻段正是電源系統(tǒng)可能發(fā)射出來的電磁干擾頻段，因此非常容易造成電磁不兼容的現(xiàn)象。

本文以機(jī)載直流電源系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)控制盒為研究對(duì)象，分析了發(fā)電機(jī)控制盒與直流發(fā)電機(jī)之間的調(diào)壓線路所形成的電磁發(fā)射造成無線電羅盤定向失效的機(jī)理，并提出了利用傳輸線理論和減小環(huán)路面積的方式消除干擾的方法，最后通過實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證，使得二者之間電磁兼容性得以滿足［1-2］。

1 問題提出

機(jī)載直流電源系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)控制盒通過調(diào)壓線連接直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈，由于機(jī)上負(fù)載的變化使得發(fā)電機(jī)輸出電壓隨之變化，發(fā)電機(jī)控制盒采集的敏感電壓與穩(wěn)壓電源輸出值相比較，通過放大電路后再輸出給直流發(fā)電機(jī)，形成負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過輸出電流的變化達(dá)到調(diào)壓的目的。圖1 給出了發(fā)電機(jī)控制盒調(diào)節(jié)機(jī)上電壓的原理圖。發(fā)電機(jī)控制盒調(diào)節(jié)頻率約為1200Hz，因此其高次諧波在幾百kHz 頻率范圍內(nèi)會(huì)對(duì)無線電羅盤造成電磁干擾。

圖1 發(fā)電機(jī)控制盒調(diào)節(jié)原理簡圖

2 直流電源系統(tǒng)輻射發(fā)射原理

飛機(jī)直流電源系統(tǒng)調(diào)壓采用的是負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。發(fā)控盒內(nèi)運(yùn)算放大器N1-2(-)端感受的為敏感線路采集點(diǎn)的電壓，N1-3(+)為基準(zhǔn)電壓。當(dāng)N1-2(-)端點(diǎn)位小于N1-3(+)時(shí)，運(yùn)算放大器N1 輸出高電位，N1-2(-)端電位大于N1-3(+)時(shí)，輸出低電位。運(yùn)算放大器N1 輸出脈沖經(jīng)三極管整形放大和功率放大后輸入到發(fā)電機(jī)并激繞組中。由于發(fā)電機(jī)的并激繞組具有電感性質(zhì)，所以加載并激繞組上的脈沖電壓可以在并激繞組中行成脈動(dòng)很小的平滑電流。脈沖越寬，則并激繞組中的電流值也越大。發(fā)電機(jī)電壓變化，致使運(yùn)算放大器N1 的輸出脈寬也隨之變化，因而使發(fā)電機(jī)并激繞組中的電流也隨之變化，從而達(dá)到電壓調(diào)節(jié)的目的。因此，只要敏感線路采集點(diǎn)電壓高于或者低于基準(zhǔn)電壓(28.5V)，發(fā)控盒都能將其調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)電壓附近(28.5 ±0.75V)。通過發(fā)控盒上設(shè)置的調(diào)整點(diǎn)調(diào)節(jié)旋鈕來調(diào)節(jié)發(fā)控盒中的電位器R0(圖1)，使輸出電壓整定在28.5 ～28.6V。

在上述直流電源系統(tǒng)的調(diào)壓原理中可以得到在其發(fā)控盒與發(fā)電機(jī)之間的調(diào)壓線承載著該調(diào)壓脈沖信號(hào)，圖2 和圖3 給出在占空比分別為20%、50%、80%時(shí)，該調(diào)壓信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。

圖2 脈沖信號(hào)不同占空比下時(shí)域波形

圖3 脈沖信號(hào)不同占空比下頻域波形

此時(shí)該調(diào)壓信號(hào)的頻率是在1200Hz 附近變化的，其變化原因與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，調(diào)壓頻率越高。因此結(jié)合其占空比從0% ～100%變化的情況可知，在發(fā)控盒工作范圍內(nèi)，為了保證機(jī)上的直流電壓穩(wěn)定在28.5 ±0.75V，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及機(jī)上負(fù)載的變化會(huì)使該脈沖信號(hào)形成非常寬的頻譜干擾，通過實(shí)際測量，其高次諧波最高可達(dá)10MHz。而且由于上述的變化過程非常快，導(dǎo)致形成的干擾頻譜已經(jīng)不是單一基波的各次諧波，而是在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)形成噪聲干擾。

3 無線電羅盤受擾情況分析

一般機(jī)載電子設(shè)備中工作在1k ～10MHz 的主要有無線電羅盤和短波電臺(tái)，本文主要以無線電羅盤作為敏感設(shè)備進(jìn)行分析。

無線電羅盤一般由接收機(jī)、環(huán)匹配器、環(huán)形天線、垂直天線、放大器、控制盒、轉(zhuǎn)換按鈕盒、控制盒轉(zhuǎn)換器、濾波器以及指示器等組成。直流電源發(fā)控盒輸出的調(diào)壓信號(hào)形成的高次諧波有三種可能造成無線電羅盤系統(tǒng)受擾:a.通過機(jī)體地線傳導(dǎo)至羅盤接收機(jī);b.通過線間耦合到羅盤系統(tǒng)中的互聯(lián)線纜;c.通過線纜輻射被羅盤天線系統(tǒng)所拾取［3］。

正常地面導(dǎo)航臺(tái)站提供給無線電羅盤的信號(hào)樣式為150k ～1750kHz 單頻并具有1kHz，30%占空比的調(diào)幅波，通常在其定向功能時(shí)廠家給出的指標(biāo)為在飛機(jī)高度為5000m，定向距離為250km，飛機(jī)高度為10000m，定向距離為350km。該數(shù)值的給出主要源于飛機(jī)在該高度時(shí)，飛機(jī)與地球切線的距離。考慮到無線電羅盤接收機(jī)的靈敏度(-90dBm)與信噪比要求(6dB)可知，當(dāng)在最遠(yuǎn)距離情況下，導(dǎo)航信號(hào)在飛機(jī)位置的強(qiáng)度應(yīng)高于接收機(jī)噪底6dB，才能保持穩(wěn)定定向。因此需要保證飛機(jī)自身在上述頻段的輻射發(fā)射不能超過-90dBm。由于這種干擾是一直伴隨飛機(jī)的，并且其干擾信號(hào)幅度不隨飛機(jī)高度位置變化而變化，因此一旦干擾信號(hào)超過羅盤靈敏度將直接影響的是作用距離。真實(shí)情況中當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí)飛機(jī)在幾十公里就已經(jīng)無法完成定向［4］。

圖4 發(fā)電機(jī)控制盒與發(fā)電機(jī)互連關(guān)系

因此，如果出現(xiàn)干擾無線電羅盤導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)的電磁波時(shí)，除了其頻率應(yīng)在無線電羅盤范圍內(nèi)，其信號(hào)幅度也應(yīng)達(dá)到或者超過此時(shí)羅盤接收機(jī)接收到的正常導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)的強(qiáng)度。通常情況下不同的信號(hào)幅度使得羅盤指針指示出現(xiàn)不同的現(xiàn)象。

當(dāng)出現(xiàn)指針亂擺，無固定指向時(shí)，說明此時(shí)的干擾信號(hào)在頻率上與正常導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)不固定重合;當(dāng)指針亂擺，有固定指向范圍時(shí)，說明此時(shí)干擾信號(hào)與正常導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)之間存在方位上的共同點(diǎn)，信號(hào)幅度基本一致;當(dāng)出現(xiàn)指針固定方向，但為錯(cuò)誤方位時(shí)，說明干擾信號(hào)的出現(xiàn)使得正常導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)不滿足信噪比要求，如6dB;當(dāng)出現(xiàn)指針?biāo)街赶颍f明此時(shí)干擾信號(hào)的幅度已經(jīng)超過了正常導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)，而干擾信號(hào)又不載有方位信息，因此造成接收機(jī)判斷無導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)，形成方位鎖定［5］。

4 干擾機(jī)理分析

發(fā)電機(jī)控制盒與直流發(fā)電機(jī)之間的互連線纜產(chǎn)生差模輻射是造成上述干擾的原因。差模輻射通常可以模擬為一個(gè)環(huán)形天線。對(duì)于一個(gè)面積為A的環(huán)路，載有電流Idm，在遠(yuǎn)場中距離為r 處，自由空間中測得的電場E的幅度等于:

其中E單位為V/m，f的單位是Hz，A的單位是m2，Idm的單位是A，r的單位是m，θ 是觀察點(diǎn)與環(huán)路平面垂線間的夾角。

由于互連線纜形成的環(huán)周長小于四分之一個(gè)波長，因此可以認(rèn)為環(huán)中電流的相位處處相等。自由空間的一個(gè)環(huán)天線方向圖是一個(gè)圓環(huán)體(面包圈狀)，這種形狀的最大輻射為環(huán)的邊緣且在環(huán)平面上，零輻射出現(xiàn)在環(huán)平面的法線方向上。由于直流電源系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)控制盒與直流發(fā)電機(jī)的互連線纜形成的環(huán)由7 根線纜共同組成，其位置關(guān)系導(dǎo)致其線長超過10m，因此根據(jù)其環(huán)周長與波長之間的關(guān)系，對(duì)7 根線纜形成的環(huán)進(jìn)行推斷，雖然式(1)是由圓環(huán)推導(dǎo)而來的，但因?yàn)榄h(huán)輻射的幅度和方向圖與環(huán)的形狀無關(guān)，而只依賴于環(huán)的面積，所以可以應(yīng)用于任何平面環(huán)。也就是說無論環(huán)的形狀如何，所有相同面積的輻射是相同的。因此對(duì)于7 根互連線纜來說其敷設(shè)形式可以變化，但只要其面積確定，其輻射量就確定了。式(1)中第一項(xiàng)是描述媒質(zhì)特性的常數(shù)，該式為自由空間;第二項(xiàng)定義了輻射源的特性，即此環(huán)路;第三項(xiàng)表示場從源傳播出來的延遲;最后一項(xiàng)描述了測量點(diǎn)相對(duì)于環(huán)平面垂線的角度方向。

式(1)是對(duì)于一個(gè)環(huán)位于自由空間，周圍沒有任何反射體，然而真實(shí)情況中線纜的互連形成的環(huán)首先位于機(jī)艙內(nèi)部，其測量或者說輻射量值就受到了周圍設(shè)備的影響，如在地面測量就已經(jīng)不是自由空間，最多可以作為開闊場考慮。大地提供了一個(gè)必須考慮的反射面。反射面可以增大測量的發(fā)射6dB 之多，考慮到這個(gè)反射，需要乘以系數(shù)2。修正地面反射，并在距離環(huán)平面r 處進(jìn)行觀察(θ=90°)此時(shí)可以將式(1)改為

式(2)表明輻射與電流I、環(huán)面積A和頻率f的平方成正比，對(duì)于此時(shí)該環(huán)與無線電羅盤天線的位置關(guān)系，我們定義處此時(shí)3m 為測量距離，式可以改寫為

因此，差模(環(huán)路)輻射可以用下列方式進(jìn)行控制:

減小電流幅度;

減小頻率或電流的諧波成分;

減小環(huán)路面積。

對(duì)于一個(gè)不用于正弦波的其他波形，電流波形的傅里葉級(jí)數(shù)必須帶入式(3)前被確定。

對(duì)稱方波，一般真實(shí)電路中為梯形波，因?yàn)樯仙拖陆禃r(shí)間是有限的。第n 次諧波電流由式(4)給出:

其中I是方波的幅度，tr是上升時(shí)間，d是占空比t0/T，T是周期，n是1 到無窮大的整數(shù)。由于方程中其余的量是無量綱的，所以In的單位與I所用單位相同。式(4)中假設(shè)上升時(shí)間等于下降時(shí)間。

圖5 方波參數(shù)設(shè)定

結(jié)合飛機(jī)直流電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)控制盒給直流發(fā)電機(jī)的調(diào)壓線，即圖4 中2 孔線纜輸出的1200Hz 方波，平均電流大小是由其方波的占空比決定的，因此減小電流就只能通過改變占空比的方式進(jìn)行，而這樣勢必造成輸出平均電流降低導(dǎo)致直流發(fā)電機(jī)獲得的勵(lì)磁電流過小，從而使發(fā)電機(jī)輸出電壓偏低，因此減小電流幅度的方式不適用;其次，減小頻率的方式可以通過改變發(fā)電機(jī)控制盒內(nèi)部器件或者改變其敏感線位置的方式進(jìn)行改變，更換之后的方波頻率可以降低為120Hz 左右，頻率降低了10 倍，其高次諧波分量幅度也有較為明顯的降低，對(duì)無線電羅盤的干擾信號(hào)幅度降低約20dB 左右，但同時(shí)造成調(diào)壓電流偏低，調(diào)壓速率下降，會(huì)使飛機(jī)直流電源供電出現(xiàn)大范圍波動(dòng)，因此減小頻率的方式也不適用，關(guān)于電流的諧波分量問題由于其勵(lì)磁電流機(jī)理是用方波的占空比調(diào)節(jié)來控制輸出電流，因此不能改變其方波的本質(zhì)，按照其傅里葉變換到頻域就出現(xiàn)了高次諧波，無法避免，因此單獨(dú)控制諧波也不適用;而減小環(huán)路面積的方式可以通過對(duì)發(fā)電機(jī)控制盒與直流發(fā)電機(jī)的互連線纜的具體位置關(guān)系進(jìn)行有效約束，從而盡量減小環(huán)路面積來控制其對(duì)外輻射發(fā)射。

由方波給出的基波電流及占空比可以獲得此時(shí)關(guān)注的諧波頻段電流大小，將該值代入到式(1)可以得到其在一定距離下產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。結(jié)合無線電羅盤天線參數(shù)和接收機(jī)靈敏度就可以估計(jì)原狀態(tài)下環(huán)路面積大小，以及需要降低的輻射發(fā)射量值，由于電流強(qiáng)度是無法控制的，或者說不能改變的，其大小由占空比來控制，因此要想達(dá)到預(yù)期的輻射幅度下降的裕度關(guān)鍵看此時(shí)環(huán)路面積減小的程度。

同時(shí)為了保證調(diào)壓在正常范圍內(nèi)，還需要使發(fā)電機(jī)控制盒輸出的調(diào)壓信號(hào)工作在較高的頻率范圍，而這樣反而會(huì)使高次諧波幅度上升。因此需要在較高的調(diào)壓頻率上采取方案來減小干擾程度。

并線與分線改變調(diào)壓頻率:

1、4 線在發(fā)控盒端短接為并線，4 號(hào)線直接連至發(fā)電機(jī)+端為分線。

并線導(dǎo)致4 號(hào)線敏感電壓值偏低，理論計(jì)算值為1.9V，此時(shí)當(dāng)主匯流條電壓為28.5 時(shí)，發(fā)控盒接收到的敏感電壓為26.6V，此時(shí)由于發(fā)控盒調(diào)壓范圍為28.5 ±0.75(占空比從0% ～100%)，已經(jīng)超出了調(diào)壓范圍，因此調(diào)壓占空比已經(jīng)達(dá)到了100%，即發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流一直處于上升，直到主匯流條電壓提升到30.4 ±0.75，4 號(hào)線敏感電壓進(jìn)入28.5 ±0.75，占空比才降低到100%以下，此時(shí)勵(lì)磁電流下降，但很快又需要抬升才能穩(wěn)定輸出。

由圖5 可知，上面的波形為并線狀態(tài)，下面的波形為分線狀態(tài)。并線情況下導(dǎo)致平均電流過大，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流過大將導(dǎo)致直流發(fā)電機(jī)輸出電壓過高，從而使得全機(jī)用電不穩(wěn)，當(dāng)超過允許值后可能導(dǎo)致某些用電設(shè)備燒毀，因此通過改變?yōu)榉志€狀態(tài)使得平均電流下降，同時(shí)調(diào)壓頻率也上升，使得電壓波動(dòng)的動(dòng)態(tài)范圍減小，電壓更穩(wěn)定。

5 解決方案及結(jié)論

根據(jù)上述干擾機(jī)理的分析可知，通過改變直流電源系統(tǒng)原有的線纜接線方式以及布線原則來提高調(diào)壓頻率并減小環(huán)路面積。這種方式對(duì)飛機(jī)裝配改變最小，方案改動(dòng)中將原有線纜的屏蔽層均取消，這同時(shí)帶來了重量減小的收益。

圖6 分線及并線狀態(tài)調(diào)壓波形變化

具體解決方案如下:

5.1 更改直流發(fā)電機(jī)控制盒1、4 孔線端接位置，直連至發(fā)電機(jī)輸出+端;作用:使得調(diào)壓頻率從120Hz 左右上升到1200kHz。

5.2 1 、2 號(hào)線繼電器位置更改為緊鄰發(fā)控盒輸出端;作用:減小1、2 號(hào)線形成的環(huán)路面積。

5.3 將18、20 號(hào)線在發(fā)控盒端短接后連接到發(fā)電機(jī)地線端;作用:使地線與其他線纜形成的回路面積減小。

5.4 取消1、2、4、8、14、19、20 號(hào)線原有屏蔽層，采用線纜束布線方式，僅加一層防波套;作用:減小共模輻射。

試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，通過地面開車以及飛行試驗(yàn)，干擾現(xiàn)象消失。經(jīng)在羅盤接收機(jī)處測量導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)信噪比無明顯噪聲抬升情況。導(dǎo)航臺(tái)處頻率范圍內(nèi)噪聲下降幅度約為20 ～25dB。

本文通過對(duì)形成輻射干擾的設(shè)備互連線纜進(jìn)行分析，主要以減小環(huán)路面積的方式對(duì)差模干擾進(jìn)行了有效遏制，從而排除了對(duì)無線電羅盤的干擾情況，此方法同樣有助于對(duì)其他10MHz 以下無線電設(shè)備的干擾情況，其取消線纜屏蔽層的方式更為節(jié)約重量提供了新的途徑。

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