柳銳鋒 張廣軍 梁 婷

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003)

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某型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)方法研究*

柳銳鋒 張廣軍 梁 婷

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003)

參照電磁兼容相關(guān)國(guó)軍標(biāo),結(jié)合某型無(wú)人機(jī)系統(tǒng),提出了被試裝備的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)方法,并對(duì)電磁兼容試驗(yàn)方法進(jìn)行了理論分析,提出了電磁兼容試驗(yàn)布局、被試裝備工作狀態(tài)及判決,最后給出了結(jié)論建議。

電磁兼容; 外部射頻電磁環(huán)境; 傳導(dǎo)安全裕度; 機(jī)載天線耦合電平

Class Number TN914

1 引言

某型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由一架無(wú)人機(jī)和若干輛地面車輛組成,具體包括飛行器、任務(wù)載荷、指揮控制、數(shù)據(jù)鏈、數(shù)據(jù)處理、綜合保障等,其中設(shè)備/分系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)已通過(guò)檢驗(yàn),在實(shí)際平臺(tái)上組裝后,由于天線、射頻電纜的輻射、傳導(dǎo)的耦合效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生互調(diào)、交調(diào)、亂真等電磁兼容問題,被試裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境適應(yīng)性如何,還需通過(guò)系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)檢驗(yàn)。

電磁兼容系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)方法國(guó)內(nèi)外至今沒有研究機(jī)構(gòu)正式發(fā)布,GJB1389A-05僅規(guī)定了系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)要求[1～3]。本文結(jié)合工作實(shí)際,借助于電磁兼容對(duì)美軍標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)的理解,提出了無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)方法。

2 試驗(yàn)方法及分析

試驗(yàn)前,對(duì)測(cè)試場(chǎng)地電磁環(huán)境進(jìn)行了全天監(jiān)測(cè),測(cè)試結(jié)果表明測(cè)試場(chǎng)地電磁信號(hào)多為民用通信、廣播信號(hào),滿足系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)要求[4～5]。

根據(jù)相關(guān)要求被試裝備系統(tǒng)級(jí)電磁兼容內(nèi)容包括:機(jī)載天線耦合電平測(cè)試、外部射頻電磁環(huán)境、系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性、傳導(dǎo)安全裕度、輻射安全裕度試驗(yàn)、電磁屏蔽性能測(cè)試和靜電電荷控制,下面詳細(xì)介紹各項(xiàng)目試驗(yàn)方法[6～7]:

1) 機(jī)載天線耦合電平

試驗(yàn)方法:用接收機(jī)在被測(cè)天線接收頻段內(nèi)測(cè)試其它天線發(fā)射的信號(hào)電平(各天線的所有工作頻道、大功率、小功率等多種工作狀態(tài)都需要測(cè)試),檢測(cè)所測(cè)的信號(hào)電平是否超過(guò)被測(cè)天線的靈敏度。

機(jī)載天線耦合電平用于評(píng)估有多個(gè)天線的平臺(tái)的電磁兼容能力。對(duì)于飛機(jī)、艦船這類裝備,在狹小的空間上分布很多無(wú)線電設(shè)備,很容易相互干擾。某型無(wú)人機(jī)有多副天線,分別為通信天線、導(dǎo)航天線、GPS數(shù)傳電臺(tái)天線、無(wú)線電高度表接收天線、GPS/GLONASS/北斗三合一天線等,工作頻段覆蓋相對(duì)集中。設(shè)計(jì)時(shí)如果不統(tǒng)籌考慮各天線的工作頻率分配,抑制各天線的諧波、底噪、互調(diào)、亂真等發(fā)射,很容易引起飛機(jī)的電磁不兼容。

2) 外部射頻電磁環(huán)境

試驗(yàn)方法:選取被試裝備的門、窗、通風(fēng)波導(dǎo)窗、電源/信號(hào)濾波器轉(zhuǎn)接板以及天線座等處為外部射頻電磁環(huán)境測(cè)試點(diǎn),測(cè)試天線與被測(cè)試點(diǎn)距離1m。按照2%頻率步進(jìn),在10kHz～18GHz范圍內(nèi)確定測(cè)試頻點(diǎn)(被試裝備工作頻點(diǎn)除外)。用信號(hào)源產(chǎn)生測(cè)試信號(hào),用功放和天線輻射到測(cè)試點(diǎn),以電場(chǎng)探頭監(jiān)測(cè)測(cè)試點(diǎn)的電場(chǎng)ER,調(diào)節(jié)信號(hào)源和功放,使其產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)ER達(dá)到GJB151A-97中表5規(guī)定的信號(hào)強(qiáng)度,觀察系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備/分系統(tǒng)是否正常工作。改變測(cè)試頻率、極化方式和測(cè)試點(diǎn),直至完成所有測(cè)量。

外部射頻電磁環(huán)境用于檢驗(yàn)被試裝備和互連電纜承受輻射電場(chǎng)的能力。試驗(yàn)時(shí)容易引起被試裝備敏感的耦合途徑有兩條:一是被試裝備屏蔽性能差的位置,二是通過(guò)被試裝備的電源線、信號(hào)線耦合,因此對(duì)于地面車輛外部射頻電磁環(huán)境試驗(yàn)我們選擇的位置為被試裝備的門窗、電源/信號(hào)線盒。對(duì)于飛機(jī),選擇飛機(jī)的前艙、后艙兩個(gè)位置作為試驗(yàn)部位,保證整個(gè)飛機(jī)的電子設(shè)備都能被輻射到。由于飛機(jī)距離地面車輛很遠(yuǎn),更容易受到大功率設(shè)備的干擾,因此飛機(jī)的外部射頻電磁環(huán)境極限值與地面車輛(場(chǎng)強(qiáng)50V/m)不同,按200V/m場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行考核。

試驗(yàn)選擇的信號(hào)樣式為1kHz、50%占空比的脈沖調(diào)制(也可用1kHz方波)。之所以采用這種信號(hào)樣式有幾個(gè)原因:一是1kHz在多數(shù)模擬電路的通帶內(nèi);二是方波容易產(chǎn)生高的平均功率;三是方波是一種嚴(yán)格的幅度調(diào)制形式,被應(yīng)用于通信和廣播領(lǐng)域;四是它也是一種高占空比的雷達(dá)脈沖調(diào)制形式。

3) 系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性

試驗(yàn)方法:將被試裝備的各設(shè)備/分系統(tǒng)按照干擾源和敏感體進(jìn)行分類,建立干擾矩陣。試驗(yàn)時(shí)用地面托架將飛機(jī)托起,連接好地面動(dòng)靜壓試驗(yàn)器,使大氣機(jī)處于高度1000m狀態(tài);通過(guò)地面檢測(cè)車接通機(jī)上所有用電設(shè)備;用地面主指揮控制站發(fā)送遙控指令使數(shù)據(jù)鏈處于上行、下行互通狀態(tài);慣導(dǎo)系統(tǒng)處于對(duì)準(zhǔn)狀態(tài);SAR采用自檢狀態(tài)下的模擬圖像傳輸狀態(tài);地面差分GPS數(shù)傳電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài);機(jī)載應(yīng)答機(jī)處于應(yīng)答狀態(tài),逐一檢查起落架裝置收放、雷達(dá)天線開機(jī)、光電平臺(tái)動(dòng)作、通信鏈路轉(zhuǎn)換、應(yīng)答機(jī)開關(guān)、衛(wèi)星天線動(dòng)作、發(fā)動(dòng)機(jī)在3500轉(zhuǎn)和5000轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)等動(dòng)作對(duì)導(dǎo)航、飛控、電氣、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備、機(jī)載數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)、綜合光電平臺(tái)、應(yīng)答機(jī)的影響,檢查內(nèi)容為各分系統(tǒng)的圖像、數(shù)據(jù)顯示是否合理、正確。對(duì)遙控、遙測(cè)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)要使用不同工作波段、不同動(dòng)作進(jìn)行檢驗(yàn)。

系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性用于評(píng)估全系統(tǒng)的自兼容能力,它關(guān)系到系統(tǒng)內(nèi)各電子設(shè)備能否互不干擾兼容工作。被試裝備容易引起干擾信號(hào)的動(dòng)作有起落架裝置收放、雷達(dá)天線開機(jī)、光電平臺(tái)動(dòng)作、通信鏈路轉(zhuǎn)換、應(yīng)答機(jī)開關(guān)、衛(wèi)星天線動(dòng)作、發(fā)動(dòng)機(jī)在3500轉(zhuǎn)和5000轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn),易受到干擾的電子設(shè)備有導(dǎo)航、飛控、電氣、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備、機(jī)載數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)、綜合光電平臺(tái)、應(yīng)答機(jī),試驗(yàn)按照干擾源(各動(dòng)作引起)與敏感源的關(guān)系建立干擾矩陣,在主指揮控制車觀察各分系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4) 傳導(dǎo)安全裕度

試驗(yàn)方法:選取信號(hào)線端口50mm處為傳導(dǎo)安全裕度測(cè)試點(diǎn)。采用油機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電,被試裝備正常工作,并處于最大輻射狀態(tài)。測(cè)試選用的頻率范圍為10kHz～400MHz,按照2%步長(zhǎng),選擇傳導(dǎo)安全裕度測(cè)試頻點(diǎn),將電流監(jiān)測(cè)探頭卡在選取的電源線、信號(hào)線測(cè)試點(diǎn)處,測(cè)量該測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際干擾電流,將其作為該測(cè)試點(diǎn)的基礎(chǔ)干擾電流I0。將監(jiān)測(cè)探頭卡在選取的測(cè)試點(diǎn)處,電流注入探頭卡在距監(jiān)測(cè)探頭外側(cè)50mm處,對(duì)其注入干擾電流IS,同時(shí)用EMI接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以基礎(chǔ)干擾電流I0為起始值,逐漸增加干擾注入電流IS(IS最大值比I0高6dB),觀察系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備/分系統(tǒng)是否正常工作。

傳導(dǎo)安全裕度用于檢驗(yàn)被試裝備承受耦合到與EUT有關(guān)電纜(電源線、互聯(lián)電纜)上的射頻信號(hào)的能力。由于光纖電纜傳輸?shù)臑楣庑盘?hào),它與電磁信號(hào)不會(huì)相互作用,因此傳導(dǎo)安全裕度測(cè)試對(duì)象為電源線、電信號(hào)線,不包括光纖電纜。信號(hào)線上的傳導(dǎo)干擾來(lái)源主要有:外界信號(hào)耦合電纜上的干擾、電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)上帶來(lái)的干擾信號(hào)以及通過(guò)互聯(lián)電纜從其它裝備引入的傳導(dǎo)信號(hào)。由于400MHz以上的輻射信號(hào)很難耦合到電纜上,所以測(cè)試頻率為10kHz～400MHz。

5) 輻射安全裕度

試驗(yàn)方法:試驗(yàn)前及試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行外界電磁信號(hào)監(jiān)測(cè)。剔除外界環(huán)境電平較大的信號(hào),按照2%的頻率步進(jìn),重點(diǎn)選取整個(gè)頻段內(nèi)輻射幅度較大的點(diǎn),以及指控、數(shù)據(jù)鏈等設(shè)備的工作頻率及其二、三次諧波附近,在10kHz～18GHz范圍內(nèi)確定測(cè)試頻點(diǎn)。選取被試裝備內(nèi)部計(jì)算機(jī)、遙控遙測(cè)單元、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、顯示器等處為測(cè)試位置。被試裝備正常工作,并處于功率最大輻射狀態(tài),關(guān)閉所有門窗。將測(cè)試接收天線布設(shè)在選取的測(cè)試點(diǎn)處,以水平和垂直極化分別測(cè)量該測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際輻射電場(chǎng)強(qiáng)度,作為該測(cè)試點(diǎn)的基礎(chǔ)輻射電場(chǎng)強(qiáng)度E0。對(duì)各測(cè)試點(diǎn)輻射信號(hào)ES,同時(shí)用場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以基礎(chǔ)輻射場(chǎng)強(qiáng)E0為起始值,逐漸增加輻射場(chǎng)強(qiáng)ES至比E0高6dB,觀察系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備/分系統(tǒng)是否正常工作。

輻射安全裕度就是檢驗(yàn)系統(tǒng)電磁波輻射水平以及承受電磁波輻射的能力。通過(guò)對(duì)地面車輛各分系統(tǒng)的設(shè)備級(jí)電磁兼容性能分析,可以判斷哪些分系統(tǒng)是敏感設(shè)備,試驗(yàn)時(shí)將測(cè)試天線主瓣方向?qū)?zhǔn)敏感分系統(tǒng)。被試裝備的無(wú)意發(fā)射信號(hào)主要來(lái)自:(1)天線的底噪、諧波、互調(diào)、亂真,例如晶振的時(shí)鐘信號(hào)、倍頻器的信號(hào)等;(2)等效為天線發(fā)射信號(hào)的環(huán)路電路;(3)等效為單極子或偶極子天線的各種電纜發(fā)射信號(hào)。

6) 屏蔽性能測(cè)試

屏蔽性能測(cè)試用于檢驗(yàn)被試裝備方艙的屏蔽性能。被測(cè)車輛方艙包括:主指揮控制站、視距鏈路車、情報(bào)處理車、衛(wèi)通設(shè)備車、綜合檢測(cè)車;測(cè)試部位選擇方艙屏蔽性能低的部位,具體為電源線盒、信號(hào)線盒、窗戶、屏蔽門、通風(fēng)窗等位置;測(cè)試頻點(diǎn)為14kHz、100kHz、200kHz、450MHz、930MHz、5GHz、8GHz、12GHz、18GHz。試驗(yàn)時(shí),被試裝備不工作,僅保證照明、測(cè)試儀器用電;發(fā)射天線與接收天線距離如表1所示。

表1 屏蔽測(cè)試發(fā)射天線與接收天線距離

測(cè)試在低頻段屏蔽性能往往較差,原因是低頻段電磁波表現(xiàn)為磁場(chǎng)特性,需檢查門窗的電氣連接,在屏蔽門處使用鎳鈷等材料提高低頻段屏蔽性能。另外,在100kHz、200kHz頻點(diǎn)電源的諧波信號(hào)強(qiáng)度較大,可以用穩(wěn)壓源進(jìn)行供電。

7) 靜電電荷控制

靜電電荷控制用于檢驗(yàn)被試裝備承受靜電放電的能力。試驗(yàn)時(shí)所有分系統(tǒng)開機(jī)并處于最大發(fā)射狀態(tài),選擇飛機(jī)的前艙、后艙及機(jī)翼三處進(jìn)行空氣放電和接觸放電,每個(gè)位置放電10次,放電電壓25kV,在主指揮控制車內(nèi)觀察載荷控制、飛行控制、指揮規(guī)劃、鏈路監(jiān)控等設(shè)備工作是否正常,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)顯示是否合理正確,放電后檢查飛行控制系統(tǒng)能夠正常工作。

25kV靜電放電用于模擬人體靜電放電,用于檢驗(yàn)被試裝備的電子元器件是否會(huì)被損壞,電子設(shè)備是否存在誤動(dòng)作。

3 試驗(yàn)布局、被試裝備工作狀態(tài)及判據(jù)

試驗(yàn)采用靜態(tài)測(cè)試,即飛機(jī)位于地面狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)時(shí)飛機(jī)位與地面車輛分開布置,并保持一定距離[8～10]。

為模擬實(shí)際飛行時(shí)飛機(jī)與地面車輛距離較遠(yuǎn),傳導(dǎo)安全裕度、輻射安全裕度、外部射頻電磁環(huán)境三項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)處于小功率發(fā)射狀態(tài)外,其它試驗(yàn)項(xiàng)目(電磁屏蔽性能測(cè)試設(shè)備不工作)所有電子系統(tǒng)均處于最大發(fā)射工作狀態(tài)。

在地面車輛內(nèi)觀察被試裝備工作是否正常,數(shù)據(jù)、圖像傳輸、顯示是否合理正確。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電磁兼容實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn),有兩點(diǎn)建議:一是由于輻射安全裕度試驗(yàn)和外部射頻電磁環(huán)境試驗(yàn)內(nèi)容重合,對(duì)很多裝備輻射安全裕度試驗(yàn)不必做;二是通過(guò)監(jiān)測(cè)室外測(cè)試場(chǎng)地的電磁環(huán)境,實(shí)現(xiàn)室外開展系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)的新方法。另外,對(duì)于外部射頻電磁環(huán)境、安全裕度的頻率步進(jìn)如何設(shè)置才能保證既能不漏頻點(diǎn)又高效快捷,還需進(jìn)一步研究。

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Study of Unmanned Aircraft System-level EMC Test Approach

LIU Ruifeng ZHANG Guangjun LIANG Ting

(Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003)

Based on EMC associative standard and the system of unmanned aircraft, system-level EMC test approach of EUT is presented in this paper, and the test approach is analyzed. Furthermore, layout of EMC test, operating mode and criterion are presented. At last, the conclusion and recommendation is given.

EMC, external EME, safety margins, airborne antenna coupling level

2015年3月7日,

2015年4月20日

柳銳鋒,男,碩士,工程師,研究方向:電磁兼容。張廣軍,男,工程師,研究方向:電磁兼容。梁婷,女,工程師,研究方向:電磁兼容、環(huán)境適應(yīng)性與可維修性。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.042