某机载设备电磁试验分析

0引言

随着科技的进步与发展,机载设备的复杂程度和智能程度也在飞速提高。现阶段,飞机机载系统和设备经过几代的发展，经历了从分立式、联合式到综合模块化的发展历程，复杂度、集成度越来越高，功能也越来越完备[1—2]。在这个过程中，机载设备对电子元器件的使用也变得更加频繁,同时也面临着更加复杂的电磁环境。复杂的电磁环境往往伴随着频谱干扰与冲突，对电子和通信系统的威胁也将更高[3—4]。当机载设备受到较强的电磁干扰时,电磁波会直接物理损伤或损坏电子信息系统中的敏感电子元器件,给设备造成不可逆的“硬杀伤”，从而严重影响到机载设备的正常运行,甚至造成空难的发生。

为了提高机载设备的抗电磁干扰设计能力,所有机载产品在研制阶段均需通过一定的环境试验要求。本文以某机载电子设备的射频敏感度试验中的辐射试验为例,对试验过程中遇到的问题进行分析总结,提出有效的抗电磁干扰的防护措施,为以后的机载电子设备电磁兼容防护设计指明了方向。

1试验件及试验条件描述

1.1 试验件介绍

本文的受试设备(Equipment Under TestIEUT)为某机载综合模块化航电系统设备,该设备由机箱(包含风阀组件)、电源模块、接口模块和信息处理模块组成,整机示意图如图1所示,其提供与飞机对接、内部配电和环境散热等功能。该设备包含计算资源，提供高完整性的处理环境，支持所有级别的驻留应用。

1.2 试验实施

为了保证机载电子设备的质量,设备制造商应主机要求需完成RTCADO—160《机载设备环境条件与测试规程》中的一些试验要求,其中射频敏感性辐射试验用于评估电子设备、系统或组件在暴露于外部射频电磁场干扰时的抗干扰能力和稳定性。本试验是通过暴露设备在不同频率、场强和调制方式的射频信号下,找出可能导致产品性能下降或故障的敏感频段。

试验的布置示意图如图2所示,通过信号发生器和功率放大器调制出满足要求的辐射信号并通过喇叭状的天线施加给受试设备,从而观察产品的运行状态。本试验要求的辐射调制信号如表1所示,其中Cw(Continuouswave)为连续波ISw(Squarewave)为方波IPM(Pulse Modulation)为脉冲调制。

2试验问题分析与整改

2.1 试验问题

受试设备在试验前可以稳定运行，在不同的调制辐射场强下,发现受试设备出现故障无法正常工作,具体表现为在1.6~2.0、2.2~2.5、3.1、3.3~3.5 GHz的辐射频率下设备的辅助散热风扇反复重启,在1~1.1、1.2~1.3、1.4、2.6~2.7、2.8~3GHz的辐射频率下设备的辅助散热风扇停止工作。因该设备在高温时的散热方式为强迫风冷,当散热风扇出现异常时,会使设备内部的运行温度急速升高,造成设备热损坏,从而使机载设备出现严重故障,无法正常工作。

2.2电磁干扰

2.2.1 电磁干扰的影响

电磁干扰主要是由电磁脉冲引起的,电磁脉冲是一种瞬态高强度的电磁能量扰动现象,表现为极短时间内(通常为纳秒至微秒级)释放宽频带的电磁辐射脉冲,可以造成电子设备信号失真、工作中断甚至损坏电路元器件[5]。电磁脉冲在自然界广泛存在,如雷电脉冲、太阳活动引发的电磁脉冲及静电脉冲等,除了自然界存在的电磁脉冲外,还有很多电子设备运行过程会产生电磁脉冲,这些都是无法避免的,所以要提高产品的电磁防护能力。

2.2.2 电磁干扰的传播途径

电磁干扰可以通过传导耦合、辐射耦合、电磁感应耦合三种方式进入电路,导致信号失真甚至烧毁电路器件[6]。传导耦合指的是电磁干扰信号通过与设备直接相连的物理导体(如电源线、信号线和接地线)传递到设备中的现象,当多个设备使用同一供电线和直接共地时,其中某个设备产生电压波动或受到外部电磁干扰时,产生的干扰信号会引起其他设备信号失真甚至产生设备损坏。辐射耦合指的是瞬态电磁能量通过近场电磁波进行传播,通过设备的外表面孔洞、螺钉间隙、结构搭接面等微小间隙直接侵入设备内部敏感电路,并在电路间形成局部高能量密度的干扰信号使设备无法正常工作。电磁感应耦合指的是电磁干扰引起周围磁场发生变化,并通过电磁感应的方式对附近的导体产生干扰,这些干扰可以直接或间接地通过导体线路进入设备内部,从而影响设备正常工作。

2.3试验问题分析及整改方案

2.3.1 电磁感应耦合干扰

通过对产品进行分析,发现产品内部的辅助散热风扇内部线缆如图3所示,根据电磁感应耦合干扰可知近场辐射电磁波会引起周围磁场变化,磁场变化会在传输线缆上耦合感应出电流并通过线缆进入风扇内部,较大的电流会对风扇内部电路产生过冲干扰现象,从而使风扇无法正常工作,出现故障。

2.3.2辐射耦合干扰

辅助散热风扇对外出风口如图4所示,根据辐射耦合干扰传播路径可知,电磁干扰的辐射电磁波会通过产品的缝隙、孔洞进入产品内部。

电磁波通过孔缝的泄漏与电磁波频率(fc)和孔缝最大尺寸(d)直接相关,当孔缝尺寸d≥λ/2时,电磁波会高效穿透,使屏蔽效能急剧下降。电磁波频率和波长之间的关系如公式(1)所示:

式中:C为光速,C≈3×108m/s;λ为电磁波波长。

根据试验现象,风扇在1~3.5 GHz均受影响,使用公式(2)计算可知最高干扰频率3.5 GHz下的电磁波波长为:

临界孔缝最大尺寸dmax≈42.9mm,而现在风扇出风口最大开口尺寸为131 mm× 8.2 mm,不满足电磁屏蔽要求。故辐射电磁波会通过该孔洞缝隙进入风扇内部,导致风扇内部的电子元器件受到干扰从而无法正常工作。

2.3.3整改方案

通过对以上故障原因进行分析,采取对风扇线缆增加屏蔽层,并对屏蔽层进行接地处理的措施,保证传输线缆可以有效屏蔽电磁的耦合干扰。此外,需对风扇出风口进行改进,减小单个出风孔洞的尺寸,根据2.3.2章节可知当孔缝长度小于波长的一半时,就能达到衰减电磁波的 目的,即3.5GHz的情况下,孔缝隙尺寸小于42.9 mm。整改后的风扇出风口实物图如图5所示,通过整改使风扇出风口的缝隙长度均小于42.9 mm。然后再次对整改后的产品进行试验,发现通过以上整改的产品在100 MHz~18 GHz的辐射调制信号下均可正常工作,顺利通过该射频试验。

2.4其他电磁防护措施及建议

电磁兼容问题是一个很复杂的问题,除了本文中提到的两种整改措施,针对传导耦合引起的电磁故障可以使用滤波器或者在电路内部采取磁珠共地措施等进行防护。电磁兼容防护除了增加外部的防护措施外,还需提高设备自身的抗干扰能力,可以从电路的设计入手进行优化,如优化器件布局,将数字电路、模拟电路和其他噪声器件等分区放置,对于易受干扰的差分信号线布线需等长且走平行线,敏感信号线靠近地平面布线,使其信号回路面积减小,从而提高抗干扰能力。

3结束语

本文以某机载产品电磁试验为例,通过对试验故障现象和原因进行分析,并结合电磁干扰的耦合路径,提出了切实有效的电磁干扰防护整改措施,并通过试验验证其有效性。同时还提出了其他电磁防护建议及注意事项,对以后的机载电子产品设计及电磁试验整改具有良好的借鉴意义。

[参考文献]

[1]王明明,胡军,张维珺,等.基于模型的IMA时间资源配置验证方法研究[J].计算机技术与发展,2018,28 (5):32-37.

[2]秦琪,湛文韬,杨忠斌.IMA演示验证平台的设计与实现[J].电脑编程技巧与维护,2021(10):31-32.

[3]黄裕年.高功率微波武器技术的发展评述[J].微波学报,1999(4):354-360.

[4]王永芳,于槟恺,王凌云.基于专利分析的高功率微波武器技术发展研究[J].航空兵器,2019,26(5):19-25.

[5] 陆尚雨.基于能量选择表面的强电磁环境防护技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2022.

[6]唐鑫,杨建军,严聪,等.HPM武器电子毁伤效能评估方法[J].系统工程与电子技术,2016,38(10):2317-2323.

《机电信息》2025年第22期第18篇