飛機機載設備改裝的屏蔽接地技術研究

許子健 李勇軍 丁兆宇 趙鵬飛

（國營蕪湖機械廠，蕪湖 241007）

1 引言

為了提高飛行安全性能，現代飛機的內部都裝備了大量的通信導航等機載系統設備。同時，隨著電子技術的快速發展，在飛機服役過程中往往還需要對機載電子設備進行更新換代，由于飛機機載產品的在工作中對周圍環境的穩定性和安全性具有較高的要求，在飛行過程中可能面臨雷暴天氣、復雜電磁環境等各種惡劣環境因素，并由此對飛機造成各種直接和間接的干擾，影響飛機的正常安全飛行。因此，在機載設備改裝過程中必須開展科學合理的接地和屏蔽設計工作。

2 設備接地的方法

對機載設備改裝屏蔽接地措施是保證機載設備具有良好的電磁兼容特性的基礎，但在實際改裝過程中需要考慮諸多因素，并且受到飛機質量、空間、結構、布局等多種因素的制約,所以，在機載設備改裝的過程中，設計人員通常將飛機機體結構作為“接地”回線，使得流經飛機結構的干擾電流通過“接地”回線產生與內部電路耦合的電壓升。飛機結構可用作配電系統的回線，但不可用作信號或控制電路的回線，這主要是因為線路和機體之間產生的環路感應電壓會疊加到系統的信號電壓上，從而對信號和控制電路產生一定的干擾作用。

2.1 單點接地

采用專用電纜導線作為回線的單點接地可以有效阻止環路電壓出現在系統中，對于包含有源電子設備的改裝系統，單點接地的設計方法對飛機能起到較好的抗電流干擾的效果。有源電子設備的電氣控制系統采用的是單點接地的雙絞線電路點接地的設計方法（見圖1），但單點接地線路設計過程中必須確保遠端電路元件與其臨近外殼之間的絕緣能夠承受這些電路的瞬變設計電平。單點接地的改裝方法存在的主要問題是：單點接地雖然避免了由于系統結構造成的電壓降和磁場感應電壓耦合問題，但不能徹底消除相關干擾，特別是對低電平電子電路的干擾，主要體現在單點接地不能消除雷電瞬變因素在電路中引起的行波問題，這些瞬變電壓沿電路來回反射，而行波瞬變所誘導的電壓和電流與電路的特征阻抗有關。

圖1 單點接地的雙絞線線路

2.2 多點接地

為了較好地屏蔽機載設備所產生的的電磁效應，在設計時通常要求設備殼體與機體之間進行良好的搭接。當用屏蔽層來保護互聯線路時，為了使屏蔽有效，屏蔽層的各端必須連接到機載設備上，這就要求機載設備和屏蔽層進行多點接地。當設備內的電路需要進行多點接地時（見圖2），要求每個獨立的設備殼體為其內部所有電路的單一基準點。從電磁兼容防護角度看，最好的方法是將線路先連接到本地參考平面（或電路板接地帯）上，然后將每個參考平面端接到設備底盤上，最后將設備底盤連接到最近的機體接地點，如圖2 （a）所示。有的設計方式是將改裝設備連接器的插腳連接到設備外面的接地點上，認為這種方式比在設備殼體內接地更顯而易見。但該做法通常需要更長的接地引線，當這些引線暴露于雷電電磁場中時，易將電磁干擾感應電壓耦合到電子設備上，如圖2（b）所示。

在某些特定的情況下，多點接地的設計方式效果不一定會更好，原因是多點接地會產生“接地回路”現象，從而使電磁干擾電流流入到屏蔽層，在屏蔽的導體中產生較低的電磁干擾電壓。這對在低電壓信號下工作的模擬電路的影響較大，但對具有較高噪聲閾值、能夠抵抗低電壓干擾的數字信號電路，通常不會產生影響。

圖2 本地多點接地線路

3 互連線路的屏蔽

為使改裝電氣線路具備抗雷電及其它電磁干擾效應的特性，設計人員必須在互連線路上采取適宜的屏蔽措施，并對這些屏蔽層提供適當的接地設計。

雖然屏蔽層可根據變化的磁場對設備線路提供保護，但如果屏蔽層僅采取一端接地的方式，則其對變化磁場感應的電壓無明顯影響，即使這種屏蔽層可在接地端保持低電壓，但在未接地端側的電壓將會較高。所以，設計人員通常對屏蔽層采取雙端接地的設計方式，使屏蔽層可載送能夠抵消電磁干擾影響的環流。

如果一條較長的屏蔽體僅在兩端接地，則電流將被迫在整個屏蔽層中流動，而采用多點接地的方式，可以使環流僅沿屏蔽層的一部分流動，因此，設計人員會根據屏蔽層的具體情況，采取適宜的屏蔽接地點的位置，以便將由高電平磁場和結構耦合所感應的屏蔽電流與較低電平耦合所感應的電流分開，將高幅值屏蔽電流限制在一定的區域內，從而使該電流對屏蔽線路上總感應電壓的影響減到最小。

4 電纜屏蔽層的接地方法

屏蔽高頻信號產生干擾的方法與屏蔽低頻干擾的方法差異較大，一個屏蔽系統通常無法同時滿足這兩個方面的要求。在機載設備改裝過程中，需要對低頻率信號的電路予以屏蔽，以免其受到源自飛機自身的低頻干擾，對于防護高頻信號及雷電效應干擾的屏蔽層必須采取兩端接地。屏蔽層通常由一個總編織屏蔽層組成，它套在一組導體上，且該屏蔽層的各端頭與機體結構接地。屏蔽層可以是一個屏蔽外殼、導線管或電纜槽，在屏蔽層內的導體可配置附加的內屏蔽。屏蔽層的接地方式對屏蔽防護的有效性會產生很大影響。常用的屏蔽層接地方法有以下幾種。

4.1 360°接地方法

為獲得最佳屏蔽接地效果，接地端在連接器后殼體上，利用外編織屏蔽層與該連接器后殼體進行360°圓周連接，且該連接器殼體對與其相配的面板連接器具有較低的直流電阻值。通常低電阻配合要求使用接地銷，以便在連接器殼體內建立良好的搭接。缺少接地銷的連接器與配合的殼體之間常有高電阻，因為這些殼體為減少銹蝕問題，常涂覆非導電的防腐涂層。面板連接器的殼體也應與金屬設備殼體進行360°圓周連接。使用該連接方式時，需要去掉設備殼體上的油漆或其他涂層以使其內部金屬外露。

4.2 引線接地方法

在無360°連接器時，通常使用一個外部引線將接地端接地，因為屏蔽層電流在流經引線時變得集中，集中的電流比連接器后殼體上的分布電流更容易磁耦合到被屏蔽導體上，所以引線連接比360°連接的效果要差。同時，使用該種接地方式，應采用長度盡可能短的引線，且將接地端設置在設備殼體的外部，不能通過一個連接器插腳直接連接到設備內部。

4.3 其他

在電磁屏蔽設計過程中，有時采用在產品內表面上用一根外部引線將屏蔽層接地到設備殼體外面的屏蔽接地方法，相比與采用通過內部導線或連接器中的一組接觸體使總屏蔽層在設備殼體內表面接地的效果要好，原因是內部接地引線的電氣長度比外部接地引線長，從而將電流和相關的磁場直接帶到設備殼體內部。一般情況下，應避免總屏蔽層在內表面接地，尤其當總屏蔽層的敷設可通過外部電磁場的能量區域時。另外應盡量避免使用遠程接地、懸浮接地和鏈式接地等屏蔽接地方法。

5 實際改裝設計案例

在某型飛機短波電臺改裝設計過程中，設計人員考慮到短波電臺發射功率大，容易出現電磁兼容性等問題，對電臺收發機和天調部件之間的改裝線路設計了360°屏蔽接地和高頻電纜多點接地措施。但改裝后的飛行使用過程中屢屢出現短波電臺發射信號時，產生干擾機上油量指示和平尾抖動等故障現象，經過長時間的故障排查工作，效果均不理想。后期通過研究人員開展系統原理分析和機上試驗等工作驗證，發現由于機載短波電臺工作頻率范圍為2～30MHz，其電臺信號頻率波長與飛機上短波電臺高頻電纜長度相近，經過對機載短波電臺進行多點均勻間隔屏蔽接地操作后，反而增強了某一特定頻率的共振，使得該頻率信號受到激勵，形成了駐波干擾，進而影響飛機其他系統的工作。

在發現以上問題后，設計人員提出將飛機短波電臺高頻電纜的均勻多點接地方式改為距離不等的多點接地方式，從而使短波電臺在工作中對對機上其他系統產品的干擾明顯減弱。

6 結束語

由于機載設備改裝工作容易產生相關干擾問題，其改裝的合理性既影響產品本身的正常工作，也對機上其他系統產品的工作產生影響，因此，設計人員必須研究機載設備改裝產品的電氣特性、電磁干擾的傳播途徑等方面的情況，針對改裝產品的特點制定合理的屏蔽和接地方法。