機載VHF通信電臺閃電間接效應試驗與失效分析

(中國民航大學 適航學院，天津 300300)

1 引 言

據統(tǒng)計，在地球大氣中平均每天發(fā)生約800萬次閃電[1]，一架固定航線的商用飛機每年平均都要遭遇一次雷擊，航空史上已有2 500多架飛機遭到閃電擊毀[2]。閃電電磁脈沖(Lightning Electromagnetic Pulse,LEMP)具有功率高、頻帶寬、持續(xù)時間短等特點，極容易耦合進入電子設備內部造成干擾和損壞作用。

機載甚高頻(Very High Frequency,VHF)通信電臺可實現飛機與飛機、地面間的近距離通信，是航空領域最重要的通信方式之一。VHF通信受到干擾或損壞的情況時有發(fā)生，危害極大[3]。閃電對飛機的影響包括直接效應和間接效應兩種，前者是指閃電對飛機結構的物理損壞，如在金屬蒙皮上燒灼出孔洞等；后者是指閃電通過感應電壓或電流對內部設備產生干擾或損傷，造成其功能的暫時或永久失效[4]。閃電對機載VHF通信設備收發(fā)機產生的效應為間接效應。

隨著我國AG600和C919等民機型號工作的推進，國內機載設備的發(fā)展需求出現“井噴”趨勢，但目前國產機載設備的市場占比及相關研究情況并不理想。國內已經開展了飛機整機的閃電分區(qū)、閃電防護研究、電子設備艙、飛機燃油系統(tǒng)的防護試驗研究[5-8]，針對無人機系統(tǒng)和發(fā)動機電子控制器的閃電試驗研究也有報道[9-10]，但對于機載VHF通信電臺而言，其閃電間接效應相關研究卻鮮見報道。

本文針對VHF通信電臺進行閃電試驗研究，獲得機載VHF通信電臺的閃電敏感性能參數，提出閃電間接效應導致的失效判據，結合微電子器件與電路可靠性研究基礎[11-13]，對在閃電試驗中發(fā)生失效的設備進行失效分析，提出閃電防護加固措施。

2 閃電間接效應試驗

2.1 試驗平臺與方法

目前針對設備閃電或閃電電磁脈沖的試驗標準主要有《GJB 151B軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》《GB/T 17626.5電磁兼容試驗和測量技術浪涌抗擾度試驗》和《RTCA DO-160G機載設備環(huán)境條件和試驗程序》等，其中RTCA DO-160G第22章主要針對機載設備的閃電環(huán)境試驗要求和方法給出了詳細的規(guī)范和建議。本文依據RTCA DO-160G進行閃電間接效應試驗，包括管腳注入試驗和線纜感應試驗。

閃電耦合到設備及系統(tǒng)線纜或端口上有兩種方式，一種方式是機外瞬態(tài)電磁場穿過駕駛艙風擋、窗戶及雷達罩等縫隙進入飛機內部，即孔縫耦合；另外一種方式是閃電電流流過機體結構產生電氣電路兩端的結構內阻電壓，即阻抗耦合。在具體試驗中，不同的耦合方式對應不同的試驗波形組。RTCA DO-160G定義了A～H、J和K共8組波形組，標準同時定義了與波形組A～K相關的單個波形，包括波形1、2、3、4和5(A/B)。波形組A和B用于管腳注入試驗，波形組C～H、J和K用于線纜感應試驗。波形組A、C、E、G和J適用于全金屬機身、感應方式為孔縫耦合的情況，波形組B、D、F、H和K適用于機身為碳纖維復合材料(Carbon Fiber Composite，CFC)、主要感應方式為阻抗耦合的情況。考慮到飛機機體越來越多的應用CFC，孔縫耦合和阻抗耦合往往同時存在，本文將管腳注入試驗波形組確定為B類，結合本文中待測設備的具體情況——互連線纜類型為屏蔽線纜，因此將線纜感應試驗的波形組確定為K類，故采用的單個試驗波形為波形3和5A。如圖1所示，波形3為頻率為1 MHz或10 MHz的阻尼振蕩正弦波，波形5A為持續(xù)時間較長的雙指數波形。

(b)波形 5A 圖1 試驗波形Fig.1 Test waveforms

波形幅值由試驗電平等級確定，而試驗電平等級由設備安裝的具體環(huán)境及互連線纜的預期暴露程度決定，或者由飛機級和系統(tǒng)級功能危險性評估(Functional Hazard Assessment,FHA)確定。根據RTCA DO-160G，試驗電平等級共5級，等級1適用于安裝在較好保護環(huán)境中的設備和互連導線，等級2適用于安裝在局部保護環(huán)境中的設備和互連導線，等級3適用于安裝在適度暴露環(huán)境中的設備和互連導線，等級4和5適用于安裝在嚴酷電磁環(huán)境中的設備和互連導線。但是本文要在待測設備(Equipment Under Test,EUT)的閃電試驗基礎上進一步進行失效分析，而非進行簡單的通過/未通過試驗，因此首先進行等級2試驗，如果EUT可以通過等級2試驗，再進行等級3試驗，直至EUT發(fā)生失效為止。

試驗采用美國Thermofisher公司的Thermo Scientific ECAT閃電測試系統(tǒng)(Lightning Test System,LTS)作為LEMP發(fā)生器，該系統(tǒng)可產生RTCA DO-160G中所規(guī)定的所有種類的LEMP波形，試驗等級可達5級。整個試驗平臺還包括示波器、電源、頻譜儀、信號發(fā)生器、萬用表等主要設備儀表，以及阻抗穩(wěn)定網絡和瞬態(tài)抑制器件、衰減器、旁路電路等保護性設備或器件。在試驗過程中，示波器用于監(jiān)測管腳注入端或者線纜耦合端瞬時注入/耦合到EUT的信號是否符合該次試驗的試驗電平等級要求；信號發(fā)生器給處于接收模式的EUT產生并輸入經過AM調制的射頻信號，給處于發(fā)射模式的EUT產生并輸入語音信號；頻譜儀通過保護性器件連接EUT用于測量試驗過程中以及試驗后的相關性能參數。

圖2所示為管腳注入試驗與線纜感應試驗的現場圖片，其中，圖2(a)為管腳注入試驗，試驗過程中只要求EUT帶電開機，不關注其處于何種工作模式，且在LEMP注入過程中并不對設備的性能參數進行實時監(jiān)測，而是在每次注入完成后對待測設備進行性能測試，以確定閃電波形是否造成設備損傷；圖2(b)為線纜感應試驗，試驗過程要涵蓋EUT的所有工作模式，且要求對EUT的性能指標進行實時監(jiān)測，因此須注意對試驗平臺中的監(jiān)測設備進行有效保護。另外，管腳注入試驗是通過探針直接將LEMP信號注入到EUT管腳中，而線纜感應試驗則通過耦合鉗將LEMP以感應的方式輸入到EUT中。

(a)管腳注入試驗

(b)線纜感應試驗圖2 實際試驗現場圖Fig.2 Photo of actual test

2.2 試驗對象

本文試驗對象為機載VHF通信電臺整機。民用航空中機載VHF通信電臺常采用調幅工作方式，頻率范圍為117.975～137.000 MHz。本試驗以某型調幅工作方式的機載VHF通信電臺整機作為試驗對象，該電臺包括射頻信號處理模塊、顯示控制面板、電源模塊、監(jiān)視/維護模塊以及天線5個主要部分，其中射頻信號處理模塊為核心模塊，又包括射頻前端、接收單元、發(fā)射單元以及頻率合成單元等，其基本架構如圖3所示。

圖3 機載VHF通信電臺基本架構Fig.3 Principle of an airborne VHF communication station

EUT的線纜及端口數量決定了閃電試驗的試驗矩陣大小和試驗復雜程度。本文待測電臺所涉及的線纜包括電源線和信號線兩類，信號線又包含語音信號線、控制信號線以及與天線相連的射頻信號線。設備包含有2個同軸電纜接插頭(BNC)天線接口、1個電源接口、1個5插針接口以及1個15插針接口，其中5插針接口用以連接地線、接收/發(fā)射模式控制信號線以及話筒和聽筒的語音信號線等，15針接口用以連接遠端顯示控制面板?？紤]到典型性與代表性，管腳和線纜束的選擇涵蓋3類信號線所涉及的范圍，本文中管腳注入試驗選取了信號針TX+、信號針RX+、信號針RECORDER OUT A、電源針DC EXT、天線針共5個管腳進行LEMP注入，線纜感應試驗選取上述5個針腳連接的線纜束進行。

機載VHF通信設備所涉及的性能參數包括音頻響應、接收靈敏度、諧波失真、噪聲電平、虛假響應、發(fā)射功率、調制深度、音頻失真、頻率穩(wěn)定度、發(fā)射雜散和接收雜散等，但在實際的閃電試驗過程中，所有性能參數都得到監(jiān)測是較難實現的。選擇合適的性能參數進行監(jiān)測，并且通過最終試驗結果分析得到VHF通信設備的閃電環(huán)境敏感參數是本文的重點工作之一。本文選取了音頻響應、接收靈敏度、諧波失真、發(fā)射功率、頻率穩(wěn)定度和調制深度共6項性能參數作為待測電臺的關鍵性能參數，在閃電試驗中進行監(jiān)測。為了盡可能覆蓋接收單元的正常工作頻率范圍，在每一項性能參數的測試中均在118 MHz、127 MHz和136 MHz 3個頻點上進行具體測量和計算，本文僅給出6項性能參數的測試及計算結果，如表1所示。

表1 待測VHF通信電臺的關鍵性能參數值Tab.1 Key performance parameter value of EUT

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

首先對待測VHF通信電臺進行了等級2的管腳注入試驗和線纜感應試驗，試驗過程中設備未見異常，監(jiān)測的關鍵性能參數也并未發(fā)生明顯變化，語音通話功能同樣正常。這表明待測通信電臺通過了試驗水平為等級2的閃電試驗。

進一步進行等級3試驗，在進行管腳注入試驗過程時，波形3的正極性和負極性LEMP注入后設備都未見異常。而在隨后對BNC天線插針進行波形5A的正極性LEMP注入時，設備發(fā)出“啪”的一聲異響，同時觀察得兩個異常現象：試驗平臺上監(jiān)測注入波形的示波器只能監(jiān)測到電壓而無法監(jiān)測到電流；設備天線接口內芯與接地回路間出現斷路。此時利用其他功能正常的VHF通信電臺對待測設備進行接收和和發(fā)射模式的語音通話測試，發(fā)現其語音通信功能仍然正常。利用信號發(fā)生器和頻譜儀等對EUT的6項關鍵性能參數進行了測試，并將測試結果與試驗前電臺的性能參數進行對比，如圖4所示。結果表明，6項性能參數中音頻響應、接收靈敏度、諧波失真和調制深度4項發(fā)生了不同程度的變化，另外2項基本沒有發(fā)生變化。

(a)音頻響應與接收靈敏度驗證

(b)諧波失真與調制深度驗證圖4 性能參數值在閃電試驗前后的變化Fig.4 Variation of performance parameter value

發(fā)生變化的4項性能參數中音頻響應、諧波失真和調制深度三者變化較小，而接收靈敏度則出現了極為明顯的惡化。綜合以上試驗現象和測試結果可以判斷，試驗過程中EUT出現的主要問題可能有兩個：一是接收靈敏度嚴重退化；二是BNC天線接口接地回路斷路。

雖然此時EUT仍然能夠正常通信，但是可以判定LEMP已經導致EUT失效?？梢钥闯?，VHF通信電臺對波形5A比波形3更加敏感，這可能與波形5A較長的持續(xù)時間有關。另外，試驗結果可以說明，接收靈敏度是機載VHF通信電臺的閃電環(huán)境敏感參數，可以將其顯著退化作為閃電間接效應導致VHF通信電臺發(fā)生失效的典型判據之一。同時，VHF通信電臺的發(fā)射功能并未受到明顯影響，發(fā)射狀態(tài)的性能參數也未出現劇烈惡化，說明VHF通信電臺發(fā)射功能較接收功能對閃電環(huán)境的敏感性相對較低。

3.2 失效機理分析

對于VHF通信電臺而言，6個主要模塊都有可能發(fā)生失效，以國內某型單通道VHF通信電臺為例，其各模塊的統(tǒng)計失效率(Statistical Failure Rate,SFR)對比表明射頻信號處理模塊的統(tǒng)計失效率最高，最容易發(fā)生失效[14]。對本文失效VHF通信電臺進行拆機檢查，發(fā)現BNC天線連接器連接完好，在PCB上從天線連接器至射頻前端這一范圍內的各點電性能測試均顯示正常。為了測試射頻前端的完好性，分別針對發(fā)射通道和接收通道進行信號增益測試，結果如表2所示。當射頻前端處于發(fā)射(TX)狀態(tài)時，發(fā)射通道工作正常；使射頻前端處于接收(RX)狀態(tài)時，從BNC天線接口輸入功率為-70 dBm的118 MHz射頻信號，測得信號增益值為-21.9 dB，而正常情況下該增益值應該在15～25 dB范圍內，由增益退化可以判斷射頻前端低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)已發(fā)生失效；最后，測試設備射頻后端接收單元的接收靈敏度為-95 dBm，該值也在正常范圍內，說明射頻后端接收單元不存在故障。由此可以確定，被測設備接收靈敏度下降極有可能由設備射頻前端LNA失效造成。

表2 失效VHF通信電臺射頻前端信號增益測試結果Tab.2 Signal gain test results of RF front-end in the VHF communication radio station

但是此時仍然無法排除射頻前端濾波器同時發(fā)生失效的可能，結合已測得的從天線連接器至射頻前端各點電性能測試均為正常的情況，推測射頻前端濾波器也發(fā)生失效。為了進一步驗證以上結論，將設備中射頻前端的金屬屏蔽蓋去除，對射頻前端的濾波器進行電性能測試，結果發(fā)現濾波器對地斷路，利用光學顯微鏡觀察該濾波器發(fā)現明顯燒毀，燒毀處對地電感器周圍可見熔斷的漆包線粘附在焊點上，繼續(xù)放大觀察可見該區(qū)域兩只電感器的漆包線都有熔斷的情況，同時該區(qū)域的一只電容器也出現了端電極焊點熔融的情況，電極周圍可見殘留的金屬熔球，形貌如圖5所示。

圖5 燒毀區(qū)域的表面形貌Fig.5 Surface morphology of the burned area

由此可以推斷，在LEMP作用下射頻前端濾波器對地電感瞬時電流極大，以至于其焊接點及漆包線發(fā)生瞬間熔融并噴濺形成若干金屬小球，這也是閃電試驗過程中設備發(fā)出“啪”的異響的原因?？梢哉J為，造成機載VHF通信設備失效的主要原因就是LEMP作用下射頻前端LNA失效和射頻前端濾波器對地電感器和電容器燒毀。

4 閃電防護設計建議

由失效分析可以看出，機載VHF通信電臺的射頻前端接收通道是對LEMP較為敏感的薄弱環(huán)節(jié)，對這一環(huán)節(jié)的加固是閃電防護設計的關鍵。瞬態(tài)電壓抑制管(Transient Voltage Suppressor,TVS)是電子設備電源或信號接口的閃電防護最有效的器件之一，本文擬提出基于TVS的防護設計建議。

具體地，本文試驗中導致機載VHF通信電臺發(fā)生失效的是等級3的5A波形，為了設備能夠免于其損傷，需要引入TVS以完成300 V開路電壓和300 A短路電流水平的瞬時保護。計算得到該情況下瞬時電壓源電阻ZS=1 Ω，在考慮TVS鉗位電壓的情況下TVS完成這一防護所需要的脈沖峰值電流IPP為252 A。本文建議選用Microsemi公司的MRT65KP48CA型TVS，該型TVS具有雙向防護作用，其鉗位電壓為48 V，由該型TVS的峰值功率曲線可知其可承受的峰值電流為(49 kW/65 kW)×836 A=630 A，該電流值遠大于所需值252 A，應能滿足防護要求。為了保險起見，建議在接口與TVS之間及TVS與內部電路之間各串接一個一定阻值的功率電阻R1和R2，可起到吸收LEMP功率的作用。串接后TVS完成防護所需的脈沖峰值電流IPP將進一步顯著減小，有利于閃電防護。然而TVS自身也存在一定的寄生參數，寄生參數效應能夠引起射頻前端的輸入阻抗失配。為了減小TVS的引入對設備本身射頻性能的影響，可通過電感L1及電容C1實現基于阻抗隔離的阻抗失配補償?；赥VS的閃電防護電路如圖6所示。在實際應用中，由于機載設備的差異性，防護電路中元器件的選型和參數調整十分必要。

圖6 基于TVS的閃電防護電路Fig.6 Lightning protection circuit based on TVS

5 結 論

本文進行了機載VHF通信電臺的閃電間接效應試驗研究。試驗發(fā)現，對于VHF通信電臺而言，RTCA DO-160G中的波形5A比波形3更容易導致其發(fā)生失效。研究表明，機載VHF通信電臺的音頻響應、諧波失真、發(fā)射功率、頻率穩(wěn)定度和調制深度5項性能參數對閃電環(huán)境敏感度較低，而接收靈敏度這一參數較為敏感。接收靈敏度這一性能參數的嚴重退化可作為VHF通信電臺在LEMP作用下發(fā)生失效的典型判據之一。另外，試驗表明機載VHF通信電臺發(fā)射功能不易受到閃電電磁脈沖影響，接收功能極易受到影響。本文對失效設備進行分析，發(fā)現閃電作用下設備射頻前端LNA失效和射頻前端濾波器對地電感器與電容器燒毀導致了VHF通信電臺發(fā)生失效。最后，本文針對導致該VHF通信電臺發(fā)生失效的等級3的5A波形，給出了基于TVS的閃電防護設計建議。本文結論可為機載無線電設備閃電間接效應試驗提供參考，為機載VHF通信電臺閃電防護設計與驗證提供理論依據。