复杂电磁环境下机载飞行控制器结构设计

陈旸，许鸣，张孙虎，彭飞，包健，茹坤

(南京模拟技术研究所，江苏 南京 210000)

复杂电磁环境下机载飞行控制器结构设计

陈旸，许鸣，张孙虎，彭飞，包健，茹坤

(南京模拟技术研究所，江苏 南京 210000)

分析了机载飞行控制器所处的复杂电磁环境，针对其关键的结构部件进行电磁兼容方面的设计，以解决传导敏感度的问题。介绍了电源滤波器的布局、外壳和线缆的结构屏蔽设计，最终满足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。

飞行控制器；结构设计；电磁兼容；滤波器安装；屏蔽

0 引言

随着电气电子技术在航空飞行器上的成熟应用，飞行器所处的电磁环境日益复杂。各类航空电子设备及分系统的结构设计为解决使用环境中的电磁兼容问题作出了贡献。现对某型无人机机载飞行控制器关键部件做了针对性的结构设计，以满足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。总结了结构设计中滤波器的安装，接口与线缆屏蔽应注意的问题，并给出了对应的设计策略，力图解决机载飞行控制器的电磁敏感问题[1-2]。

在某型机载飞行控制器设计阶段，从分析复杂电磁环境入手，采取了适当的结构设计方法和措施，以满足GJB151A-97和GJB152A-97中“CS101 25 Hz～50 kHz电源线传导敏感度”与“CS114 10 kHz～400 MHz电缆束注入传导敏感度”两项测试，做到了设备自兼容和一定程度的抗扰度。为机载设备和分系统的电磁兼容性分析设计提供了实例参考。

1 复杂电磁环境分析

文中设计的机载飞行控制器由主飞控、备飞控和双仲裁3个主要部件构成，如图1所示。主飞控和备飞控采集前级的信号参数，汇集、判断、计算，通过串口RS422/232通信，传送到双仲裁，双仲裁通过预先设定好的算法和判据对两个飞控的输出做判断，以监测飞行器的各项指标，最终输出到后级。作为整架飞行器的“大脑”，机载飞行器外部和内部所处的电磁环境十分复杂，不同类型的干扰源会对其敏感部件产生干扰，对设备的正常工作产生影响。

图1 机载飞行控制器功能示意图

如图2所示，飞行器外部的干扰源主要有：

1) 自然界的无线电噪声：以银河系为例，其频段在20 MHz～500 MHz范围内；

2) 雷电干扰：雷电现象发生在离地球表面15 km～25 km处，其频率在1 kHz～5 MHz范围内，放电峰值电流可达30 kA，破坏能力极强；

3) EMP：空间中释放的强电磁脉冲(EMP)具有很宽的频谱，耦合到敏感设备上的干扰很强。

飞行器内部的干扰来自电源、感性负载、开关触点等，易产生从音频到百兆频率的不同程度的干扰。

图2 飞行器外部的干扰源示意图

这些内部和外部的干扰，可以通过传导耦合和辐射耦合的机理影响到敏感设备。前者通过线束耦合到设备的电源线、信号线、核心电路、显示屏等重要部件，干扰信号叠加在有用信号上，使得高度集成、高度精确性、高度复杂性的电路部件出现敏感现象，例如电源转换电路的输出电压不稳定；传感器数据受干扰；舵机误动作；GPS定位错误等问题，最终影响航空飞行器的使用。

严酷的电磁环境，使得机载飞行控制器的各个部件都有可能成为敏感部件。在结构设计中，应周全的考虑会受到影响的敏感部件，针对关键部件，选择费效比合适的设计方案，来解决设备的敏感度问题十分重要，也是电磁兼容设计中关注的重点。现从结构布局、外壳屏蔽和线缆屏蔽3个部分做了结构设计。

2 关键部件结构设计

2.1 结构布局

为了提高整机的电磁兼容性能，在设计时应考虑整机的结构布局，全盘设计接地、屏蔽、搭接等措施。为了实现布局的合理有效，应从电路板级考虑静态区域的分布。静态区域应包含数字电路、模拟电路、电源电路、高频电路、IO接口电路、接地层等部分的隔离。这种隔离避免了PCB板其他区域的噪声源干扰及其他敏感电路。如图3所示，就是飞行控制器中3个子部件在结构布局上的原则示意图。

图3 电路整体布局

为了控制电源线的传导干扰噪声，在电源输入端增加EMI滤波器是常见的措施。但滤波器的安装位置也十分重要。产品布局初期采取了图4(a)的滤波器安装位置，但在测试验证中发现其弊端，即外界通过电源线耦合的干扰信号在未经过滤波器时就已经存在于部件的壳体内，滤波器的作用无法充分发挥。后改进了安装位置，如图4(b)所示，将滤波器移到壳体的入口，并采用屏蔽板隔离。滤波器的外壳也进行了良好的接地。通过这样的结构改动，达到了传导敏感度的设计要求。

图4 电源滤波器布局

2.2 线缆设计

接口的设计除了电路板上的芯片做抗干扰处理，还要选用带滤波功能的连接器，如航空连接器，其内部有小孔径磁珠。必须要保证滤波连接器良好的接地性能，金属外壳应与机壳保持良好的电连续性。采用360°环接，连接阻抗要小于1mΩ。

机箱外部的所有连接电缆采用金属编织网屏蔽线缆，编织密度大于95%。这样具有屏蔽层的线缆，在传输高频信号(>100kHz)时，屏蔽层应双点或多点接地；如频率>1MHz或者线缆长度>0.05λ(λ为信号线中最高频率对应的波长)，由于集肤效应，使得干扰噪声电流只在屏蔽层外表面通过，屏蔽层应采用多点接地，每隔(0.05～0.1)λ距离接一次地。本设备外部线缆的屏蔽层采用的是多点接地，接口与线缆的设计效果如图5所示。

图5 接口与线缆的设计效果图

2.3 壳体屏蔽

屏蔽是利用导电或导磁材料制成的壳、板、套等各种形状的屏蔽体，并能将电磁能量限定在一定的空间范围内，以抑制辐射电磁干扰的一种有效措施。屏蔽效能(SE)是评估壳体屏蔽的指标，但考虑到接缝、散热、连接器等要素，实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构，设有n个泄漏耦合结构，接缝、通风口、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能为SEi(i=1, 2, …,n)，则屏蔽体总的屏蔽效能为式(1)所示。

(1)

由式(1)看出，屏蔽体的屏蔽效能由各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构决定。在壳体屏蔽设计时采取了以下3个策略，目的都是将缝隙的泄漏减少到最小。

1) 3个部件的壳体为一次整铣成型；

2) 内部电路板采用排插式安装，整个壳体只保留1个盖板；

3) 唯一保留的盖板的接缝处增加导电衬垫。

屏蔽设计中选用导电性能高的导电衬垫可以对界面的导电状态进行适当控制，以减小界面阻抗。如图6所示，能够足够变形的导电衬垫既能获得最佳的屏蔽效能，又能确保衬垫维持应有的弹性，达到重复使用的目的。最终盖板与壳体接缝处的结构设计如图7所示。

图6 导电衬垫变形程度和屏蔽效能的关系

图7 盖板与壳体接缝处的导电衬垫使用示意图

3 测试评估

依据GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114两个项目进行测试，来评估该机载飞行控制器传导敏感度设计的有效程度。CS101是测量直接施加在被测设备电源线上的连续波敏感度，主要考核的是电源高次谐波，通常是7次以上的传导敏感度。而CS114用于检验被测设备承受出现在互连电缆上的射频干扰信号的能力，采用的是调制信号，占空比50%、频率1 kHz 方波进行调频调制，借助电流探头，将干扰信号耦合到受试线缆上，电源线和信号线都是CS114考核的对象[3-4]。飞行控制器在注入规定电平的电磁发射情况下，未出现性能下降或故障，则为合格，否则为不合格。文中的机载飞行控制器的测试评估要求如表1所示。

表1 测试评估结果

4 结语

针对机载飞行控制器使用的特点，在功能性设计基础上进行了针对电磁兼容性要求，加强了结构设计。给出了结构布局、线缆和外壳屏蔽的结构设计方法。最后通过了GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114两个项目最为严酷的测试，达到了设计的预期目的，也为其他方面的电磁兼容设计提供了参考。该设备现已通过鉴定验收，投入到某型无人直升机平台的使用中。

[1] 苏东林, 王冰切. 电子战特种飞机电磁兼容预设计技术[J]. 北京航空航天大学学报，2006, 169(10) : 2100-2104.

[2] 王志强, 陈启忠, 顾幸生. 某航天系统控制器的电磁兼容设计[J]. 宇航学报，2009，30(3)：1159-1163.

[3] 国防科学技术委员会. GJB 151A-97 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S]. 北京：中国标准出版社，1997.

[4] 国防科学技术委员会. GJB 152A-97 军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[S]. 北京：中国标准出版社，1997.

Structure Design of Airborne Controller in Complex Electromagnetic Environment

CHEN Yang, XU Ming, ZHANG Sunhu, PENG Fei, BAO Jian, RU Kun

(NRIST-60, Nanjing 210000, China)

This paper analyzes the complex electromagnetic environment which the airborne controller is in and describes. the structure design of the important units in detail, including the layout of the EMI filter and shielding. The airborne controller meets the demand for GJB151A-97 and GJB152A-97.

airborne controller; structure design; electromagnetic compatibility; layout of filter; shielding

陈旸(1989-)，男，江苏南京人，助理工程师，硕士研究生，研究方向为电磁兼容、电气工程。

V241

B

1671-5276(2015)05-0186-03

2014-04-14