仵 浩，李润玲，王 娜，苗 强

(1. 93128部队，北京 100000；2. 931601部队，北京 100000；3. 218厂，北京 100176)

航空器中电子设备越来越多，也越来越复杂，电磁环境日益恶劣，设备之间的电磁互扰日益严重，影响了电气、设备和系统的功能性能，电磁兼容设计[1-2]显得尤为重要。各种电气或电子设备在电磁环境复杂的共同空间中，以规定的安全系数满足设计要求的工作能力，即为电磁兼容性。为了保证产品满足航空器电磁兼容要求，在设计之初就开展电磁兼容性设计，引入电磁兼容设计约束，但是由于考虑不足和缺乏设计经验，往往在试验验证时暴露出相应的设计缺陷。本文以某型备份显示系统的试验问题，从结构、接地、振荡源、电缆方面开展电磁兼容性分析，找到问题的症结。

1 EMC试验中常用理论及处理方法

1.1 电磁干扰三要素

1)干扰源[3]：产生电磁干扰的任何器件、设备或自然现象，如雷电、电路板上的高频时钟、开关电源的开关频率等。

2)耦合路径：能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的路径。干扰的耦合路径通常分为传导耦合及辐射耦合。传导耦合即通过导线传输带来的耦合干扰，主要通过共阻抗耦合和地环路耦合方式产生干扰；辐射耦合即通过空间传播产生的干扰。

3)敏感设备：受电磁干扰影响的电路或设备弱电信号中的放大器、A/D变换器敏感元件，数字电路中的高速时钟线、控制线和地址数据线等均是敏感器件。

1.2 常用处理方法

为了实现电磁兼容，必须从上述3个要素出发，确定电磁干扰源、耦合路径和敏感设备，采取对干扰源屏蔽、滤波的方法，切断、滤除或减小干扰源干扰幅值，降低敏感设备对干扰源的响应。

1)屏蔽。

屏蔽[4]就是对2个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。屏蔽对于削弱或切断电场、磁场和电磁辐射3种干扰耦合方式是行之有效的。图1所示为磁场耦合示意图[5]，采用高磁导率的磁性材料做屏蔽壳体[6]，利用其磁阻小的特点给干扰磁通提供了一条低阻通路，使得空间磁场集中在屏蔽材料中，从而使敏感器件免受磁场干扰，实现电磁屏蔽。

图1 磁场屏蔽示意图

2)接地。

“接地”[7]一般是指电路或系统与“地”之间构成低阻抗通路。接地基本目的有2个：一个是信号接地为信号电压提供一个零电位参考点；另一个是为了安全接地。电磁兼容技术的接地属于信号接地，良好的接地是改善电路或系统电磁兼容性能的一种有效而经济的方案。信号接地方式有如下几种：共用地线串联一点接地；独立地线并联一点接地；独立地线并联多点接地；电路系统的组合接地。

3)滤波器。

滤波器[8]的主要功能是将有用信号以外的信号能量进行抑制，可以显著减弱干扰源和被干扰电路之间的传导干扰电平，它是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容，或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。滤波器按频率特性一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器；按滤波机理来分，可分为吸收型滤波器和反射型滤波器；按选用的元件分为有源滤波器和无源滤波器。滤波器按电路一般分为单电容型(C型)、单电感型(L型)、Γ型、反Γ型、T型和π型(见图2)。

图2 各种不同类型的滤波器

2 某型备份显示系统RE102试验暴露问题

某型备份显示系统由备份飞行显示器和捷联磁传感器两部分构成，其中备份飞行显示器将惯性测量单元、航姿解算单元、动静压传感器组件、大气解算单元以及LCD显示及图形处理单元等模块集成在一起，同时配备外置捷联安装的磁传感器，使得整个系统具有解算并显示飞机的姿态、航向、指示空速、升降速度和高度等参数信息。系统内部原理框图如图3所示。

图3 系统内部原理框图

备份显示系统设计过程也遵从了相应的电磁兼容性设计准则，但是在第一次进行RE102试验验证时，在3M～30M之间超出的点多且超出的量值比较大，最大点接近20 dB，RE102试验未能通过。第一次RE102试验图谱如图4所示。

图4 第一次RE102试验图谱

3 电磁兼容试验的故障排查与设计改进

由于捷联磁传感器是我国电子领域中常用的成熟显示元件，能够独立通过电磁兼容试验，较好地满足抗电磁干扰的三要素需求，因此无需考虑捷联磁传感器本身的电磁干扰问题，而是从备份飞行显示器的系统整体架构设计上进行创新与改进，使其满足航空器电子产品电磁兼容性要求。

3.1 备份飞行显示器EMC故障排查

针对RE102试验中暴露的问题，从系统结构、内部振荡源、接地情况、电缆状态等4个方面进行备份飞行显示系统的EMC故障排查。

1)备份飞行显示器结构分析。

理想的屏蔽结构是无缝隙、无孔洞、无渗透的金属结构体[9]。备份飞行显示器结构如图5所示，从图5中可以看出，备份飞行显示器螺钉接合的地方有4处：导光板与外壳、外壳与后盖、外壳与散热器、产品插座与后盖。从辐射理论考虑，在机箱的接缝处往往会导致屏蔽体上形成不连续的导电点，易产生电磁泄漏，应在接缝处选择适当的屏蔽材料来堵缝。而且由于产品结构紧凑，为了减小体积，电路板之间采用了飞线连接，增加了导线与导线之间的场耦合。

图5 备份飞行显示器结构图

2)备份飞行显示器内部振荡源的查找。

电源组件：开关电源模块，开关频率约为300～500 kHz；航姿解算板组件：单工RS422接口波特率分别为19 200和38 400 bps，双工RS422接口波特率分别为115 200和19 200 bps，双工ARINC429总线波特率为100 kHz，晶振3.686 4 MHz；大气图形板组件：RS422双工接口波特率为19 200 bps，晶振10 MHz；D/S板组件：RS422双工接口波特率为115 200 bps，晶振22.118 4 MHz；大气传感器组件：TTL方波，频率范围为30～45 kHz；惯性测量单元：RS422接口波特率为38 400 bps。对比产品内部振荡源频率和RE102试验图谱，航姿解算板组件、大气图形板组件中的晶振频率为3～30 MHz，符合故障频段。

3)备份飞行显示器接地分析。

航姿解算板、大气图形板、DS转换板都有独立的数字地和模拟地，且各电路板上都有二次电源芯片，同时电源的输入端、输出端进行了滤波设计。电路板布局设计中，依据电磁兼容性设计准则，定义了独立的电源层和地层。

对电源组件中地的设计进行分析：电源组件主要是为了对输入28 V电源进行滤波以及电源转换。在电源电路设计中，考虑到电磁兼容性要求，为了抑制来自电源线上的辐射干扰和传导干扰，电源滤波器安装到设备屏蔽壳体的入口处，即电源滤波器紧靠产品连接器安装，滤波器壳体与产品壳体良好搭接，使滤波器具有良好的滤波特性，充分发挥滤波效果，有效抑制了纹波；同时，通过电源滤波器FK9501内部的电感隔离机上电源地与产品内部电源地，保证外部噪声无法通过电源线引入到系统内部。

但在故障排查检测时[10]发现，电源滤波器FK9501的壳地实际上与电源地短接在一起，导致电源滤波器的Y电容(抑制共模干扰的电容)变成了X电容(抑制差模干扰的电容)，从而对于共模干扰无法进行有效滤波，导致RE102试验中3M～30M之间频点超出，因此更改电源滤波器FK9501的壳地改接至产品壳地。

4)备份飞行显示器电缆分析。

从电缆设计上看，按照一般的设计思路，电缆插头均选用屏蔽插头和屏蔽尾附，导线外层套防波套，防波套与电缆尾附件360°搭接。电缆内部导线均选用屏蔽线，其中对于电源线和开关量选用单股屏蔽线，对于数字信号线选用双绞屏蔽线和三绞屏蔽线，整个电缆的屏蔽层和导线的屏蔽层最终与产品壳地相连，即按照正常生产工艺加工的电缆对于电场辐射有良好的抑制作用，自身没有泄漏点。

3.2 备份飞行显示器EMC设计改进

针对备份飞行显示器的EMC故障点，设计备份飞行显示器EMC改进方案，提出产品结构改进、振荡源优化、液晶屏优化等工艺改进措施。

1)产品结构工艺改进。

产品外壳和后盖的氧化处理方式为硬铝阳极氧化，缝隙处采用普通橡胶条密封，导致后盖与产品外壳接缝处不导电连接，后盖上滤波插座并没有与壳地真正连接，同时产品的壳地也没有真正同大地连接，属于悬浮状态。为了增加产品整体导电的连续性，达到连续金属屏蔽结构体，进行工艺改进。首先，将产品的外壳、后盖的氧化处理方式变为导电氧化；同时在接缝处的端面部位不做喷漆处理，保留导电氧化层的状态；然后，将原缝隙处的普通橡胶条或橡胶板更换为导电橡胶条和导电橡胶板，并使用导电胶固化，实现导电连续性。

2)振荡源的设计改进。

产品电路板之间飞线为普通导线，增加了导线与导线之间、导线与晶振电磁场之间的耦合。进行设计改进：板与板之间的数字信号线(RS422信号线、ARINC429信号线)均更换为双绞屏蔽线；根据4.1.2中分析的产品内部振荡源，晶振的外壳采取接地处理。

3)液晶屏的设计优化。

查找液晶显示器的手册，该显示器能够通过电磁兼容试验，但是在试验室近场探头扫描却发现显示屏在近场扫描时仍有少量辐射，恰好与RE102图谱中未通过频率吻合。进一步优化电磁设计，液晶屏加装屏蔽玻璃，加装后进行试验室近场扫描，屏蔽效果明显。

4 改进系统的EMC试验与分析

最后，对改进系统进行电磁兼容试验与分析，经RE102试验表明，改进后的系统能够解决3M～30M段辐射量值超高的问题，满足航空器电子产品电磁兼容性要求。

经过上述工艺、设计改进后，产品进行第二次RE102试验，原先3M～4M处的辐射量值明显降低，但6M～30M处的辐射量值没有很大的改善。第二次RE102试验图谱如图6所示。

图6 第二次RE102试验图谱

从系统角度再次分析，备份显示系统包含备份飞行显示器和捷联磁传感器两部分，而捷联磁传感器为外购产品，该产品已通过电磁兼容试验，因此，辐射信号仍然是备份飞行显示器信号或2个设备之间交联链路产生；为了验证备份飞行显示器液晶屏电磁兼容性，取下屏蔽玻璃，图谱没有变化，因此判定电磁泄漏为产品内部辐射出来的信号。再次进行干扰源和干扰链路分析。

备份飞行显示器与磁传感器相交联的引线包含8 V电源线和RS422信号线，备份飞行显示器提供8 V电源信号给捷联磁传感器，电路设计中未对8 V输出电源信号进行滤波，而其开关频率产生的辐射信号不可忽略；备份飞行显示器插座上含有RS422信号和ARINC429数字信号，插座引线均使用普通导线，导线之间容易场耦合。

针对上述分析，系统电路设计改进：备份飞行显示器内部插座上的RS422信号线、ARINC429信号线从普通导线更换为双绞屏蔽线；备份飞行显示器与捷联磁传感器相交联的RS422信号线更换为双绞屏蔽线；在备份飞行显示器8 V电源信号线的输出端增加通用电源滤波器。改进完成后再次进行RE102试验验证，6M～30M段的辐射量值大幅下降，满足航空器电子产品电磁兼容性要求。第三次RE102试验图谱如图7所示。

图7 第三次RE102试验图谱

5 结语

航空飞行器越来越复杂，集成度越来越高，这就带来电子设备电磁兼容性的困难。一般情况下，航空电子设备均会依据通用电磁兼容性原则进行设计，并形成电磁兼容设计方案落实到产品图样中，但通常在进行电磁兼容试验时，还是存在有些试验不能通过的风险，尤其RE102最不容易通过。

本文针对备份显示系统在RE102试验中超标的问题，依据电磁干扰理论，对设备内部电路、干扰源、结构、设备之间交联系统分析查找干扰源和干扰链路，采用工程方法对产品电磁兼容性设计加以改进，最终使得产品通过RE102项试验。电磁兼容是一门理论结合实际的学科，它不仅有丰富的理论知识，同时更需要实际的工程实践，在产品设计过程中引入电磁兼容设计的要求，在试验阶段辅以相应的检测手段进行定位，快速实现产品的电磁兼容性优化设计。