機載數據傳輸系統的電磁防護

陳振威

摘 要：飛機數據鏈路的數據傳輸經常受到其它電子或電氣設備干擾，易導致接收數據大量誤碼，并影響其機載成品正常工作，本文分析了機載數據系統可能出現的各種電磁干擾，并介紹了電磁防護的各種方法。

關鍵詞：電磁兼容性；屏蔽保護；干擾抑制

1 引言

機載數據傳輸系統用于飛機與飛機、地面指揮臺之間數據鏈數據的傳輸，數據系統成品分布在飛機各部分，數字技術快速發展，數據傳輸多樣性分布式發展，需要的功率及發射和接收靈敏度提高，向著集成型化和模塊化的設計方向，使得機載數據傳輸密集度愈來愈高，電路系統的電磁干擾環境的要求越來越高。在現代戰爭中電磁干擾對機載數據傳輸的干擾迫使我們必須加強對研究機載成品的電磁兼容防護措施，使得數據傳輸具有高度的暢通和可靠性。

電磁兼容性指電子設備在共同的電磁環境中能完成本身功能的共存狀態，能達到成品本身正常工作又不產生干擾抑制。機載數據傳輸具有大功率發射及高靈敏度接收，所以對電磁干擾的敏感度要遠大于其他電子設備。所以，機載數據傳輸的電磁兼容防護措施是保證成品正常工作的基礎。本文主要對數據傳輸系統的收發電磁屏蔽防護方法進行分析研究。

2 數據傳輸系統的搭地設計

電磁干擾通過地線把無用信號送入數據系統內部，這個信號隱蔽性高不易被識別。地線的各種電流通過它回到各自的電路里，若接收機地線布置不當，電磁干擾通過地線容易引入，使得成品無法正常工作。

2.1 搭地保護方式

搭地的含義是為了電路或系統提供一個等電位點或面，為系統提供低阻抗回路，接收機數據系統地線設計基本原則是地線長度應小于最短波長的1/20。

措施如下：

機殼、屏蔽殼與地線應緊密的結合成一個整體，盡量降低它們之間的連接電阻和連接電感。

電路中最好采用大面積接地，印刷版地線也要加寬，用來減少地的分布電感量，降低它的特性阻抗。

接地應和退耦措施、電源布線等綜合考慮，使電路中的交流分量就近接地，并能以最短的距離放回電路中。

合理布置地線，使所有地電流各走各的路，盡量互相不感應，少耦合，避免地電流構成閉環回路。

2.2 搭地形式及搭地方法

地的形式有三種形式，即模擬信號地、數字信號地和噪聲地。接收機中的模擬電路和它們的電源等地線均為模擬信號地；數字電路和它們的電源等地線均為數字信號地；交流電源的變壓器和交流電源線的屏蔽地均為噪聲地。三者應嚴格區分，以減少由地線帶來的干擾。

接地方法數據系統采取的搭地分為以下幾種：

懸浮地指電子設備的地線與周圍的地絕緣，以防機殼與地線上的串擾信號耦合干擾該設備。該設備的信號通過電纜與其他電路系統連結，通過電纜外導體與其它電路地線相連接，一般用于特殊的保護電路。單點搭地用多個數據提供公共參考點連接在一起。其特點不存在阻抗耦合和低頻地環路的問題。多點接地（f>10MHz）電路多點接地時，各電路均有信號線相連，將容易構成地環路。地電壓將疊加在有用信號上，產生干擾。抑制方法是切斷地環路。使用多點接地時一般電路都以機殼為參考點因此應盡量減少接地電阻，接地電感。

在接收機系統設計，微波電路、中頻模擬電路和高速數字電路一般采用大面積多點接地方式；而模塊和模塊之間及數字電路版一般為單點接地；重點保護電路例如基準晶振可考慮懸浮地。

某數據系統在某科研項目工作中，由于局部空間過小導致多個設備地線混亂，測試設備地線中的回路電流通過了機載電臺的地線，從而引發了對機載電臺的干擾。后經過改變地線位置及對多處地線的處理才解決問題。這說明地線的設計確實會對機載電臺的工作產生一定影響。

3 數據系統屏蔽保護方法

屏蔽方法用來防止電磁干擾沿空間發送。適當加強屏蔽保護覆蓋范圍，加強屏蔽線的搭地可靠性可以減少數據傳輸信號的波動。

3.1 數據系統的屏蔽設計

在電磁兼容的設計中，屏蔽體設計是非常重要的。屏蔽是抑制一切無關信號的重要手段，一般可分三種類型：靜電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽。空間任何兩個帶電物體均可產生靜電場，其中一方電壓的變化必定會引起另一方的變化，產生靜電耦合。克服靜電耦合最好的方法是利用金屬板作靜電屏蔽體，把受干擾的兩個源用金屬板做靜電屏蔽體隔開。靜電屏蔽板必須良好接地，否則不起屏蔽作用。

電流在導線中流動，其周圍產生磁場，磁場通過互感來感應，尤其在3KHz以下的低頻條件下，主要干擾影響是由磁場引起的。電磁屏蔽與電磁場的性質、變化頻率、及輻射源和受感器之間的距離等有關。在接收機電路系統中，在10KHz以上的電路，一般選用鋁為電磁屏蔽材料，制成的鋁屏蔽盒，優良的鋁屏蔽盒對300MHz信號屏蔽隔離可達100dB以上。同時，在接收機電路系統中，為了內部走線及取出放置電路方便，屏蔽盒一般有蓋板，為了通風、散熱等需要開孔和縫，這些使屏蔽體出現間斷點，引起信號泄露，形成干擾，需要認真考慮，正確排列元件的位置，使縫和孔不要切斷感應電流，必要時可將孔改用截止波導管，使孔輻射進一步削弱。

3.2 數據系統屏蔽保護方式

除了屏蔽設計以外，組裝技術也很重要，尤其是對射頻系統的組裝，更應細心。

屏蔽設計注意事項，內部電路的屏蔽設計，應能防止電子線路自身的射頻能量泄漏，同時，也防止外界電磁能量對它的影響。防止電路級與級之間不必要的反饋和耦合。必要時可加吸收材料，吸收反饋能量。對電源加濾波去耦措施，衰減抑制射頻信號在電子組合內部和電子組合之間傳導。射頻接地電阻接地電感越小越好。

屏蔽保護盒設計，當數據傳輸衰減要求較高時，用組裝盒結構形式較好，它可做成單隔離室形式，也可以設計成多個隔離室形式，即一個屏蔽盒，內分幾個隔離室。這樣的組裝盒對靜電場和電磁場均有較好的隔離。制造組裝盒的材料最好選用鋁，它既便宜又輕，對機載電臺的電路系統，隔離效果也好。在裝配這些屏蔽體時，常遇到長縫泄漏，對此應采取必要措施，使長縫上能有許多觸點。可用增加螺釘，加設彈性片和加襯導電襯墊等措施。這樣做一定要注意防腐，尤其電化防腐蝕，否則不能長期保持滿意的效果。

射頻傳輸導線設計，解決射頻導線的干擾，應合理選取傳輸信號的幅度，正確安排系統電纜走向，脈沖信號線、交流信號線相互不應綁在一起，尤其大幅度的脈沖信號，與高純度的信號在傳輸時應嚴加區別。屏蔽設計是一項較為復雜的設計，首先需要熟悉所涉及的電路、磁路及電磁場等方面的知識，同時，還必須具備一定的電氣結構及工藝設計方面的知識。

早期一些機載電臺經常是在地面測試時性能非常好，而在機上驗證就經常會受到干擾。其原因就是因為屏蔽性不過關。如今的機載電臺基本上都應用了多項屏蔽技術，很少出現因為屏蔽不好的原因受到其他電子和電氣設備的干擾。

4 數據傳輸系統的電磁兼容

4.1 數據傳輸系統的電源電磁兼容設計

在電磁兼容試驗中，數據傳輸系統來自電源方面的干擾也會影響數據的傳輸。

電源外部進來的數據信號，它即可從交流供電線引入，也可以是電磁干擾方式進入；電源本身的噪音由于電源要給很多電路供電，這些電路的電流變化將在電源及饋線的內阻上產生電壓降，這些電壓降又隨電源送到其他電路，引起相互干擾。

抑制方法如下：電源變壓器的屏蔽措施

電源變壓器屏蔽，初次級繞組之間要加靜電屏蔽，減弱由初級交流電源中進來的干擾，整個變壓器加磁屏蔽，抑制變壓器磁場帶來的干擾。所有這些屏蔽都應良好可靠接地。濾波退耦，每個電路系統和每塊印刷電路都要在電源進入端接濾波去耦電路，在電路中每級電路和單元都要再接一級濾波去耦電路，濾波去耦電路通常有一只幾十μF的 電解電容與一只零點幾μF或幾千PF的高頻電容并聯組成。

電源輸入端除了加濾波退耦電路外，還可加一級有源濾波器。這樣的有源濾波器可使有源紋波改善一個數量級；對電源噪聲也有良好的抑制作用，但缺點是降低了電源電壓。

選擇合適電源線，電源的饋線線直徑粗細合理，屏蔽保護緊密，使用雙絞線屏蔽線。印制板上的饋電線條要足夠寬，減小引線電感量，降低特性阻抗，削弱揀拾噪聲干擾。電源線的走向應考慮先后秩序，不應形成閉環。電源線盡量短以免易受到干擾侵害。

4.2 數據傳輸系統的干擾和電磁防護措施

數據傳輸干擾可分為兩種。一種是數據傳輸系統線外，當信號電壓和電流加到傳輸線上時，導線周圍形成電場。解決方法主要靠結構安排，布線合理，加屏蔽等措施來克服。第二種是數據傳輸系統線中，當信號在傳輸線中傳輸時，有延遲、反射和輻射等，尤其是反射，它將串入其它電路形成反射干擾。解決方法主要是匹配和隔離。

電磁屏蔽與結構設計和布線安排密切相關，不僅對干擾源進行電磁屏蔽，對敏感源和重要組合也要進行屏蔽。屏蔽時應根據具體情況重點實行磁屏蔽和電屏蔽。不論那一種屏蔽都應注意應良好的單接地。對最敏感的重要電路，如晶振需要加減震屏蔽措施。對較敏感電路及干擾源等可加適當屏蔽措施，例如低噪聲高增益放大器、設置在高頻組合中的直流放大電路及鑒相器等都應加屏蔽盒。對大功率大電流及高穩定信號饋線合理屏蔽，同樣要特別注意屏蔽線的接地合理性，降低干擾。在結構上干擾源不應靠近敏感電路。合理布線，交直流分開走分別扎線。

組合內部走線措施由于電磁感應使組合內導線與導線之間都存在相互感應問題，形成信號串擾，所以要求信號線相互距離要盡量遠一些，走線不要平行，導線不應太細并盡量短，盡可能靠近地線傳輸。長線應使用同軸電纜，減少撿拾其他干擾信號。信號傳輸的入口到出口方向排成一字形，避免迂回。對數字集成電路，都是一種電壓較低電流較大的低阻器件，所以受電場引起的干擾較小，而受磁場影響較為顯著。傳輸信號與線間有磁場耦合，即線間存在寄生互感。減小互感就是抑制串擾的主要措施。對于匹配與隔離措施，傳輸高頻信號時，信號線往往按長線對待，因而不匹配引起的反射干擾應特別重視，抑制反射的主要措施就是匹配和隔離。一般電路各級之間應有匹配網絡或阻抗變換器等，輸入和輸出是50Ω，易與同軸電纜匹配。而對數字集成電路也應注意電路之間的隔離緩沖，防止反射脈沖影響正常工作狀態。同時注意各級輸出下拉和上拉電阻，且匹配電阻應接在接收端。雙絞線的特征阻抗一般為120～200Ω，必要時也應接匹配電阻。

某數據傳輸系統在某通道發射時對飛機操縱系統有干擾。在飛行中數據傳輸系統使用此通道，飛機很可能會出現操縱失控。經驗證數據傳輸系統的發射通道與操縱系統的控制通道相近，產生的互感引發操縱控制線路中電流發生了變化，產生干擾抑制。更改電纜走向和對電纜本身進行抗耦合處理使得問題得以解決。這個問題提示我們，數據傳輸系統電纜敷設及屏蔽保護必須適應飛機整體兼容性。

5 結束語

數據傳輸系統，要求低相噪屏蔽性電路，布局合理的電磁兼容設計，否則絕對達不到系統要求的預定指標。我國數據傳輸系統機上安裝必須進行系統的結構設計，確保數據傳輸性能的實現。屏蔽保護設計和模塊劃分必須適應電磁兼容設計。數據傳輸的電磁兼容性設計需要安全合理的電路設計，還須由生產工藝和產品結構配合，共同完成合理的設計。不論是搭地線的設置，電纜分布走向安排，還是電子組合的屏蔽保護設計，數據系統電子組合的排列的放置位置，及各種材料的選擇等都屬于電子結構問題。而屏蔽層的加工制造，數據傳輸系統的裝配等將直接影響屏蔽，輻射及傳導效果，我們現有的技術很難處理的數據傳輸系統的電磁兼容問題，其中就包括信標機在數據傳輸系統發射時為避免受到干擾而采取閉鎖的被動措施。

參考文獻

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