機載設備的電磁干擾及電磁兼容實驗分析

張 鵬

（航天江南集團有限公司，貴州 貴陽 550009）

當今社會的信息化發展速度逐步加快，電氣電子設備應用量也逐漸增加，導致出現了多種類型的電磁波，這些電磁波會對電子設備正常運行產生干擾，易使高頻通信設施間產生極為嚴重的電磁干擾，會進一步加劇電磁輻射的影響程度。由于機載設備需在相對敏感的特殊環境下工作，以小空間內多個電子設備及電纜的集中化為特征，具備大范圍的電磁頻譜、較高的發展功率、高靈敏性的接受器，存在多種干擾因素，因而有必要針對飛行器線纜及設備的電磁干擾展開探討，通過電磁兼容性分析消除電磁干擾的影響，從而減少飛行器運行中因電磁干擾所導致的危害。

1 機載設備的電磁干擾

1.1 電磁環境效應

電磁波輻射是指無線電偵查、通信等設備應用中，利用天線及其他輻射體將電能轉化為電磁能并向外部傳遞的過程或所產生的現象。所有可產生電磁輻射的設備統稱為輻射電磁源。輻射電磁源不同，其所產生的電磁環境效應也并不一致。如人為電磁源是通過人為操控電子設備而產生的電磁輻射，而被動電磁輻射則不是由天線輻射產生的，其是在電子或電器設備運行中意外出現的電磁輻射，會使之周邊形成嚴重電磁干擾區，或導致脈沖放電，會增強電磁環境的復雜性。除此之外，由自然因素導致的自然電磁輻射會導致靜電產生，也會引發雷電或是形成地磁場，靜電會擊穿損壞元件或融毀精密半導體器件，直擊雷及電磁脈沖兩種雷電對新技術設備會產生更為嚴重的損害，瞬變電磁波會導致瞬變電磁場形成，從而影響三維空間中的全部電子設備，會產生感應電流或導致感應電壓增高。

1.2 電磁干擾模型的組成

作為電磁干擾機理及實驗分析描述的電磁干擾模型，由電磁干擾源模型、傳輸通道模型、敏感器模型3個部分組成。電磁干擾模型的組成如圖1所示。

圖1 電磁干擾模型組成

1.2.1 電磁干擾源模型

電磁干擾源模型有兩個干擾源，一是自然干擾源，二是人工干擾源，所有電子系統既是接收機也是干擾源。電磁干擾源中涵蓋微處理器、傳送器和微控制器，并且靜電放電以及瞬時功率執行元件也是其結構之一，如機電繼電器便是典型的干擾源。干擾源模型常以時域進行表示，此種表示方式更加直觀。干擾源時域有多種波型，如脈沖序列波、梯型單脈沖波等。

1.2.2 耦合路徑

電子電力系統的傳輸通道模型有5種，除了導線對導線感應模型、電磁場對導線感應耦合模型以外，還有電阻、電容、電感3種傳導耦合模型。這些傳輸通道共同存在，無法單一描述，可基于寬頻范圍對系統內部電磁兼容問題進行預測，用于單個或多個設備間干擾問題的評估。電磁干擾有兩種傳輸途徑一是傳導、二是輻射。電磁干擾的耦合路徑分類如圖2所示。

圖2 電磁干擾耦合路徑分類

1.2.3 敏感器模型

模擬及數字電路是電子系統及電磁兼容預測中的重要敏感器，傳導干擾作用于模擬及數字電路時會產生響應，輻射干擾由導體感應向電路后傳遞間接作用時也會產生響應，可根據敏感度對這些響應進行描述，這便是敏感度模型。

1.3 飛行器電磁環境及其效應分析

各種環境下，只要是在機載電子設備壽命周期內，便存在傳導或輻射等多種電磁干擾，飛行器機體內部及外部均存在多個電磁干擾源。機體內部的電磁干擾源有搭載設備、機載設備以及軍用電子裝備等，機外電磁干擾源為廣播電臺、電力傳輸線、變電站以及電磁輻射武器等。外界電磁環境的強弱決定著飛行器所受到的電磁干擾大小，且飛行器自身結構、系統布局以及所采用的工作方式也與其外部電磁環境產生的影響有所關聯。

2 機載設備的電磁兼容實驗

2.1 測量實驗的一般要求

2.1.1 測量容差

測量容差的距離誤差不高于5%，頻率偏差控制在2%之內，測量系統及測量接收機的幅度誤差不可超過3%與2%，時間及波形偏差應低于5%。

2.1.2 電磁環境電平

電磁環境電平應控制在規定極限值6 dB以下，斷開受試設備（EUT）且在與電阻負載相連接的情況下方可測量傳導環境電平，且電阻負載的額定電源要與受試設備一致。需于電磁環境電平最低值時開展屏蔽室外測試，非室內檢測中需于報告中記錄電磁環境電平。

2.1.3 屏蔽室

屏蔽室中的輻射發射及敏感度測試時，需在EUT上部、兩側及后方應用射頻吸波材料，且輻射天線及接收天線后側也要應用此種材料。

2.1.4 接地平板

需要在接地平板上安裝EUT，多種安裝形式下應選用金屬接地平板，且面積應高于2.25 m2，短邊不能低于76 cm。無接地平板時可將EUT安裝于非導電面上。

2.1.5 電源阻抗

以線路阻抗穩定網絡對電源干擾進行隔離，進而為EUT提供與規定要求相符的電源阻抗。

2.2 EUT的相關規定

2.2.1 EUT電纜搭接與取向

非特殊要求，不可將設備外殼及安裝基座搭接在一起，應根據規定決定是否將之搭接于接地平板之上。搭接條應符合安裝規定要求，根據測試方式對電源電纜安全接地設備進行接地處理。應用振動或沖擊減震器基座時需做好EUT在基座上的加固，安裝備有搭接條的基座時，搭接條應搭接在接地平板上，根據是否有接地要求選擇性將外部接線端子及連接插頭連接或不連接于接地平板之上。將EUT輻射較大一側朝向天線，且安裝位置是接地平板前緣8～12 cm處。

2.2.2 EUT電纜構成與敷設

按照實際安裝利用情況敷設電纜，根據要求判斷是否應用屏蔽電纜或電纜內屏蔽線，并要檢測敷設形式的正確性。按照實際安裝要求將單獨互連線組成電纜，其長度應與平臺長度相等。與前緣邊界敷線相平行的互連電纜應長于2 m，其應以Z字型牽引至配置后側。敷設多根電纜時，電纜外緣之間要相隔2 cm，于工作臺上利用接地平板布置EUT時，電纜應敷設于接地平板前緣10 cm處，按照互連線的敷設方法敷設2 m長的EUT輸入電源線，將之連接于線路阻抗穩定網絡之上，且二者之間電源線長度應大于2.5 m。所有電纜均應比接地平板高5 m。在EUT發射量最大時測量發射量，在最敏感狀態下測量敏感度，若有多個狀態，則需進行多次狀態測試。

2.3 測試設備的使用

2.3.1 發射測試

以表1中接收機的帶寬數據為依據進行發射測量，帶寬為接收機總選擇性曲線6 dB帶寬，且不可利用視頻濾波器對接收機響應產生限制，具備可控視頻帶寬時應將數值設置為最高。在頻率范圍內進行發射測量的掃苗，根據表1中的測量時間數據設置模擬式測量接收機的最小測量時間，若為數字式接收機，其掃頻步長不可高于半個帶寬，且駐留時間也要按表1數據設置。發射測試參數詳見表1。

表1 發射測試參數

2.3.2 敏感度測試

應根據表2數據設置敏感度測試時的信號源掃頻速率及頻率，根據信號源調諧頻率、結合倍乘因子確定頻率及步長。連續調頻的信號源便是模擬式掃描，而于離散頻率點上采用相繼方式調諧頻率合成信號源則為步進式掃描。步進式掃描時，各調諧頻率上的駐留時間不可低于1 s。為提升部分EUT響應觀察效果，可酌情調低掃描速率或降低步長。敏感度掃描參數見表2。

表2 敏感度掃描參數

2.4 實驗過程

2.4.1 CE102（10 kHz～10 MHz電源線傳導發射）測試

（1）實驗目的。根據CE102測試要求對EUT輸入電源線之上的傳導發射進行檢驗。對測試設備的輸出幅值進行觀測，對其與GJB 151A—97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》所規定的適用極限值中的要求進行對比，判斷受試設備的額定電源電壓是否達到了高于28 V這一標準。于電磁兼容實驗室之中開展CE102實驗。

（2）測試設備。CE102要準備充足的設備，除了測量接收機、信號發生器之外，還要準備數據記錄裝置、衰減器以及示波器，還要有T型同軸連接器，且要做好線路阻抗穩定網絡設置。CE102測試配置圖如圖3所示。

圖3 CE102測試配置圖

（3）測試方法。CE102實驗開始之前，要先啟動測試設備以及受試設備，先通電預熱一段時間，待設備溫度達到實驗要求后再實施實驗檢測。測試時要合理選用電源線，測量時所選定的帶寬是10 kHz～10 MHz，應根據規定要求的測量時間進行最小測時時間的設定，并且需在規定的頻率范圍之內完成測量接收機的整個掃描過程。測試完成之后，要對所有檢測數據進行詳細記錄，并仔細核對保證數據精準性。

（4）測試數據。本次測試對測試設備采取了傳感器+設備電纜（直流供電±15 V）模式下的接正線實驗以及接回線實驗2種測試方式，將設備測試結果與國家軍用標準質量管理體系規定的極限值進行對比。

（5）測試結果。根據接正線與接回線兩種實驗測試的結果分析得知，測試設備在輸入電源線上所產生的傳導干擾曲線走向與國家軍用標準質量管理體系曲線的走向相一致，說明這一傳導干擾未超出國軍標的規定范圍。

2.4.2 RE102（30 MHz～1 GHz電場輻射發射）測試

（1）實驗目的。以RE102測試要求為依據，對EUT及連接于設備之上的電線電纜的電場發射情況進行檢測，進而判定測試設備的輸出輻值與GJB 152A-97中的極限值曲線要求是否相符，即判斷受試設備的額定電源電壓是否高于28 V。本次RE102試驗也在電磁兼容實驗室內進行。

（2）測試設備。測試所用設備有測量接收機、信號發生器及數據記錄裝置3個必備設備，還需準備10 pF電容器、頻率介于30～200 MHz之間的對數周期天線以及頻率范圍為30 MHz～1 GHz的雙錐天線，此外，還要應用短棒輻射器以及線路阻抗穩定網絡。RE102測試配置圖如圖4所示。

圖4 RE102測試配置圖

（3）測試方法。測試之前，需通電預熱受試設備以及測試設備，確保所有設備均可穩定運行。而后利用對數周期天線，在30～200 MHz頻率范圍之內，在EUT工作狀態下測試外界的電場輻射，而后再運用雙錐天線于EUT工作狀態之下檢測外部電場輻射的強度，頻率范圍不可低于200 MHz，也不能高于1 GHz。檢測時隨時記錄相關數據。

（4）測試數據。屏蔽室中不存在EUT時，得出電磁環境的檢測結果。在傳感器+設備電纜（直流供電±15V）情況下，對測試設備進行接回線實驗測試。

（5）測試結果。通過測試結果分析發現，無論是屏蔽室內無EUT時的電磁環境檢測還是接回線測試時，所得到的測試結果均與國家軍用標準質量管理體系規定的極限值相一致。

3 結論

電磁兼容技術具備較強的工程性特征，當今社會背景下，其在電子領域中所起到的作用越發顯著。在飛行器設計、定型、加工制作以及利用過程中，機載設備的電磁干擾始終存在，且電磁兼容性特性也貫穿于整個過程當中。通過了解電磁環境效應與電磁環境干擾模型，結合飛行器的電磁環境特點，通過CE102、RE102兩組測試項目研究了機載設備的電磁特性及電磁兼容性，為機載電子設備的抗干擾設計及抗干擾方法應用提供了支持。可基于飛行器的電磁兼容性設計出有效的傳導干擾及輻射干擾防護方案，以此提升飛行器的抗干擾能力，從而保障飛行器的運行安全。