無人機電磁干擾分析演示幻燈片

1,無人機電磁干擾分析,2,應(yīng)用背景,現(xiàn)今的無人機不光僅是在軍事上的運用，它更為廣泛運用與諸如地面交通管制、海港監(jiān)控、自然資源遙感氣象服務(wù)等民用方面。正因為無人機所要執(zhí)行的任務(wù)更加多樣化，故而原本簡單的無人機，其自身也在不斷的復(fù)雜化，它們不光帶有必要的諸如遙控、自動駕駛等電子設(shè)備，還裝備了繁雜的電子任務(wù)設(shè)備，其本身的設(shè)備密集程度越來越大，空間電磁環(huán)境日益惡化。這些設(shè)備之間的電磁兼容問題迫切需要解決。本文就無人機特點簡單分析其重要的電磁干擾源和解決方案。,3,電磁干擾概述,電磁干擾主要是由如下三個基本要素組合而產(chǎn)生：電磁干擾源、對該干擾能量敏感的接收器、將電磁干擾源傳輸?shù)浇邮掌鞯拿浇?，即傳輸通道。相?yīng)地對抑制所有電磁干擾的方法也應(yīng)針對這三要素進(jìn)行解決。電磁干擾按傳播途徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，下面簡要說明其基本機理。,4,傳導(dǎo)于擾,從傳輸通道分析，傳導(dǎo)干擾可分為電容傳導(dǎo)耦合或稱為電場耦合；電阻傳導(dǎo)耦合或稱為公共阻抗耦合：電感傳導(dǎo)耦合或稱互感耦合。,5,輻射干擾,輻射干擾是指以電磁波形式傳播的干擾。這類干擾的能量是由干擾源輻射出來，通過介質(zhì)(包括自由空間)以電磁波的特性和規(guī)律傳播的。是否構(gòu)成輻射干擾，應(yīng)由構(gòu)成輻射干擾的三要素來考慮：輻射干擾源向外輻射能量的特性，如方向性、極化、調(diào)制特性、帶寬等：輻射干擾傳輸通道，即介質(zhì)(包括自由空間)對電磁波能量的損耗程度，輻射干擾接收器的敏感度、方向性、極化、選擇性、帶寬等。,6,二次電源,無人機二次電源主要是供給陀螺使用的400Hz交流電，隨著對飛機有效載荷的增加，早期飛機上我們用的線性的二次電源已被體積小、重量輕、功耗小、效率高開關(guān)電源取代。而開關(guān)電源是利用半導(dǎo)體的開和關(guān)工作的，其工作頻率一般要達(dá)到KHz的級別，在開關(guān)過程中產(chǎn)生很大的didt,dvdt。它們通過電源線以共?；虿钅５姆绞较蛲鈧鲗?dǎo)，同時向空間進(jìn)行輻射干擾。,7,EMI濾波器,在實際工作中，發(fā)現(xiàn)二次電源主要是高次諧波倒灌電網(wǎng)而污染整個飛機的電網(wǎng)。EMI濾波技術(shù)是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施，可以濾除多種原因產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。,8,共模干擾的有源抑制技術(shù),共模干擾的有源抑制技術(shù)是一種從噪聲源采取措施抑制共模干擾的方法?；舅悸肥窃O(shè)法從主回路中取出一個與導(dǎo)致EMI干擾的主要開關(guān)電壓波形完全反相的補償EMI噪聲電壓，并用它去平衡原開關(guān)電壓的影響。實驗研究結(jié)果表明對抑制共模EMI電平產(chǎn)生了十分明顯的效果。,9,優(yōu)化功率開關(guān)管的驅(qū)動電路設(shè)計,通過緩沖吸收電路，可以延緩功率開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷過程，從而降低開關(guān)電源的EMI電平，但同時會因為附加的吸收電路損耗，導(dǎo)致電源總效率的下降。另一種降低開關(guān)電源的EMI電平的方法是選擇合適的驅(qū)動電路參數(shù)，可以在維持電路性能不變的同時降低EMI電平。從優(yōu)化驅(qū)動電路設(shè)計的角度改善開關(guān)電源的EMI性能，是近年來發(fā)展的一個新方向。,10,印制電路板元器件布局及布線,在印制板的通路尺寸遠(yuǎn)小于該頻率的波長時，輻射干擾與電流通路中的電流大小、通路的環(huán)路面積、電流頻率的平方等三者的乘積成正比即EIsf2。此式表明減小通路面積是減小輻射干擾的關(guān)鍵，也就是說開關(guān)電源的元器件在布局時要彼此緊密排列，走線盡可能簡潔。下面簡單介紹幾點設(shè)計原則：盡量增大線間距離，使耦合干擾源與敏感電路間的互感盡可能地?。粶p小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積；盡量使干擾源與敏感電路布線呈直角，以降低線路間耦合。,11,軟開關(guān)技術(shù),開關(guān)電源工作中產(chǎn)生很高的di/dt，dvdt是造成污染的重要原因，如實現(xiàn)開關(guān)在零電壓和零電流下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就會很大程度上抑制干擾。,12,活塞發(fā)動機,在決大多數(shù)無人機上，我們使用的是活塞發(fā)動機，而活塞式發(fā)動機的點火系統(tǒng)是很大的一個干擾源。發(fā)動機點火系統(tǒng)是由點火裝置(磁電機)、高壓線、火花塞3部分組成，在整個點火系統(tǒng)中，電磁輻射干擾主要是由次級高壓點火電路產(chǎn)生。而且往往它干擾飛機最為關(guān)鍵的遙控遙測設(shè)備。,13,幾個注意點,1)選用采用電阻型高壓線、電阻型火花塞的發(fā)動機；2)高壓線的長短對干擾抑制具有重要意義，盡量選用如采用磁電機、高壓線、火花塞一體化設(shè)計的發(fā)動機；3)線繞電阻型高壓線因其感抗和線繞電阻的“趨膚效應(yīng)”作用，使得高頻干擾抑制能力加強。4)電火花塞在具體的頻段會產(chǎn)生明顯電磁輻射，頻譜特征為大量離散的脈沖信號，這些脈沖信號持續(xù)時間只有幾個微秒，用頻譜儀在xHOLD方式下，排除其它電波影響，用飛機的遙控遙測頻段測量的火花塞干擾的頻譜特征，盡量選用干擾頻段與遙控遙測頻段錯開的發(fā)動機。,14,全機電纜,現(xiàn)代無人機系統(tǒng)的一個重要特點是在不很寬裕的空間里布置很多電子設(shè)備，這些設(shè)備通過一套全機電纜相互連接。無論在做EMC試驗還是在部件試驗中，往往會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)備上沒有電纜時，電磁干擾問題要好得多。下文就此分析無人機系統(tǒng)中電纜設(shè)計的注意事項。信號線的分組是必須進(jìn)行的設(shè)計項目。通過信號線分組，使可能發(fā)生的串?dāng)_最小。在設(shè)計電纜的最初階段，盡量的把信號線與回線靠近，有可能做到每對容易受干擾的低電平信號線都各自穿屏蔽套，盡量不要使這些信號線分散在電纜束中。同時盡量減少可能互相干擾的導(dǎo)線的平行距離。,15,減少輻射干擾,(1)控制電纜長度，在滿足使用要求的前提下，使用盡量短的電纜，但是當(dāng)電纜的長度不能減小到最高輻射頻率波長的一半以下時，減小電纜長度沒有明顯效果：(2)在電纜上使用適當(dāng)?shù)墓材６罅魅?，最簡單的方法是套一個鐵氧體磁環(huán)；(3)布線路板時，使周期性信號遠(yuǎn)離IO接口電路，并將IO接口電路部分的地線與線路板上的其他地線隔離開，僅在一點連接；,16,(4)IO接口電路部分的地線與金屬機箱之間做射頻搭接：(5)對機箱內(nèi)的Io電纜(從線路板到連接器的部分)進(jìn)行屏蔽；(6)使機箱內(nèi)的IO電纜(從線路板到連接器的部分)長度盡量短；(7)使用共模低通濾波器，最好是安裝面板上的形式(例如濾波連接器)；,17,無人機電磁環(huán)境效應(yīng)評估及其準(zhǔn)則研究,基于模型和準(zhǔn)則的計算法評價體系，克服了傳統(tǒng)試驗方法對系統(tǒng)評價所存在的局限，借助計算機輔助工程(CAE)所構(gòu)造的“虛擬”測試平臺，利用飛機結(jié)構(gòu)、任務(wù)飛行規(guī)劃、預(yù)期電磁環(huán)境、系統(tǒng)效應(yīng)分析模型和評估準(zhǔn)則，可以比較優(yōu)的費效比獲取較高置信度的電磁環(huán)境適應(yīng)性評價。,18,在評估準(zhǔn)則研究方面，依據(jù)無人機用途、結(jié)構(gòu)特點以及對預(yù)期電磁環(huán)境的認(rèn)識或先驗知識的掌握程度，從確定性觀點和統(tǒng)計分析兩個方面，探討了與之相適應(yīng)的評估準(zhǔn)則，以期使無人機電磁環(huán)境效應(yīng)評估能更為客觀和完整。,19,電磁環(huán)境效應(yīng)(簡稱)是研究環(huán)境對設(shè)備、系統(tǒng)以及平臺的綜合影響，分析系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力，它涉及了所有與之相關(guān)的電磁現(xiàn)象，諸如電磁干擾、電磁敏感、電磁脈沖、電子對抗、電磁危害以及雷電、靜電等影響。,20,無人機電磁環(huán)境效應(yīng)涉及系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外兩大部分的研究內(nèi)容，其中，系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境效應(yīng)是分析和檢驗無人機自身的電磁兼容性；系統(tǒng)外電磁環(huán)境效應(yīng)則反映了無人機對預(yù)期外部電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。,21,系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要包括：不同電源電壓間的互擾、信號間的互擾、電源電壓對信號的干擾等；系統(tǒng)外部的主要干擾有：發(fā)動機的高壓點火裝置、機載二次電源、整機電纜網(wǎng)、遙測遙控系統(tǒng)發(fā)射裝置的輻射干擾、周圍其他電氣設(shè)備的干擾以及電子對抗戰(zhàn)的大功率發(fā)射裝備的輻射干擾等。,22,與有人機相比，無人機內(nèi)部空間狹小、設(shè)備安裝擁擠且受飛機重心限制嚴(yán)重、加之飛機多采用透波性能的復(fù)合材料，從而造成在無人機系統(tǒng)內(nèi)整體分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相應(yīng)的電磁效應(yīng)研究十分困難。,23,外部電磁環(huán)境對無人機的影響與電磁干擾特性、相互作用關(guān)系、飛機結(jié)構(gòu)特點、飛行任務(wù)或飛行航跡等諸因素有關(guān)。耦合途徑主要可概括為：直接通過機載天線端口，造成機載無線電設(shè)備損壞、性能下降或產(chǎn)生差錯；透過飛機蒙皮、或經(jīng)機體縫隙、口蓋等，與機載設(shè)備及電纜耦合，進(jìn)而對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。,24,系統(tǒng)分析模型,基于等效電磁端口的分析模型，通過將機載設(shè)備簡化為相應(yīng)的等效電磁發(fā)射和接收端口，可以使無人機電磁環(huán)境效應(yīng)分析有章可循，并把研究的重點轉(zhuǎn)移到針對具體對象確定與之相對應(yīng)的端口耦合函數(shù)上。,25,從分析方法看，系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境相對較為穩(wěn)定，可采用傳統(tǒng)確定性信號分析方法，而系統(tǒng)外電磁環(huán)境效應(yīng)由于具有很強的隨機性特點，故而采用統(tǒng)計分析方法可以更為客觀地反映無人機的環(huán)境適應(yīng)能力。,26,系統(tǒng)級電磁干擾:，各機載設(shè)備都滿足電磁兼容指標(biāo)不一定就意味著整個無人機系統(tǒng)就能與其他系統(tǒng)(例如地面雷達(dá)、測控車等)兼容工作.無人機系統(tǒng)外部電磁環(huán)境可分為兩大類：自然電磁環(huán)境和人為電磁環(huán)境.,自然電磁干擾源分類,人為電磁干擾源各式各樣，例如開關(guān)噪聲、空調(diào)、電弧焊設(shè)備等。,27,飛機動力點火裝置、機載測控發(fā)射設(shè)備、具有大電流變化與斷續(xù)觸點的執(zhí)行裝置、大電流逆變電源和開關(guān)電源、高頻數(shù)字電路以及具有類似電路結(jié)構(gòu)和無線電發(fā)射的任務(wù)載荷等；戰(zhàn)場部署的各種人為電磁輻射、雷電和靜電、以及核爆或非核武器引發(fā)的電磁脈沖等，都將可能是無人機所要面臨的干擾源。,28,在耦合途徑中，天線間、場與線纜、線纜間以及機體縫隙和口蓋耦合將是最主要的幾種類型；對于敏感端口，除機載設(shè)備所具有的數(shù)字、低頻模擬以及電源端口外，機載天線端口是最主要和最敏感的，它在一定程度上能最大限度地反映出無人機對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。,29,30,由模型可知，第k個端口處耦合外部電磁信號功率可表示為,式中，Tik(，r，t)為第i個輻射源信號到無人機飛行剖面處的傳輸函數(shù)，WHk(j)為外部電磁環(huán)境與無人機第k個端口間的耦合函數(shù)，Powit為第i個輻射源輸出功率，Git為第i個輻射源等效發(fā)射天線增益。,于是，第Ri個等效接收(敏感)端口所接受總電磁信號,31,式中，HjRi(j)為第j個耦合端口對第Ri個接收端口的傳遞函數(shù)，Wk(j)為無人機本體等效電磁發(fā)射端口的發(fā)射功率，HkRi(j)為本體第k個發(fā)射端口對第Ri個接收端口的傳遞函數(shù)。,32,隨著新材料的使用和電磁環(huán)境的擴大，在現(xiàn)代飛行器的設(shè)計中對電磁干擾應(yīng)引起很大的重視。,33,為了讓飛機可靠且令人滿意的完成任務(wù)，必須解決以下問題：內(nèi)部電磁干擾：航空設(shè)備不能干擾飛機上的電氣、電子系統(tǒng)。外部電磁干擾：雷電，核磁脈沖,34,無人飛機所用材料：無人機機體常采用復(fù)合材料如碳化纖維和玻璃鋼，和外界電磁環(huán)境不能有效隔離。使其機載與任務(wù)設(shè)備完全暴露在外界電磁波的照射之下。機裁天線安裝位置極其有限，飛機設(shè)計無法為各機載天線提供滿意的空間和極化隔離，也無法利用機身遮擋來滿足要求?，F(xiàn)在用在飛機上的原料相對于過去來說對電磁環(huán)境更加敏感。隨著技術(shù)的進(jìn)步，飛機飛行越來越多的依靠電子設(shè)備，因此EMC相關(guān)問題也應(yīng)更加重視。,35,EMC設(shè)計時飛機結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)比較完整。良好的屏蔽特性，連接處的低阻抗。電纜鋪設(shè)和接地應(yīng)仔細(xì)控制線路之間的耦合問題：在兩個或更多的電路之間通過電磁場作用可以引起不需要的干擾問題，稱之為串?dāng)_。接收電路終端感生電壓的復(fù)矢量是兩個個電路間互感（電感耦合）和兩個電路之間的電容(電容耦合)的作用和。對于低阻抗負(fù)載，電感耦合遠(yuǎn)大于電容耦合，反之則反。耦合的敏感性取決于導(dǎo)線的在電纜中的相對位置。,36,來自大氣電的問題：尖端放電。雷電到達(dá)飛機的表皮時，電流可達(dá)1000A。雷電在飛機上有直接作用和非直接作用，直接作用是直接的物理損害，非直接做依靠的是電磁感應(yīng)。由于雷電產(chǎn)生的電流在電路和飛機的機身之間可以產(chǎn)生阻壓降，鈦合金的電阻是鋁的十倍，百倍，因此將來在應(yīng)用這些材料的飛機上電壓可能是非常大的。,37,新材料不可能提供傳統(tǒng)鋁材提供的10KHz到1MHz的磁屏蔽。為了避免間接物理損壞，為了減小導(dǎo)線和金屬地之間的磁通，導(dǎo)線應(yīng)盡可能靠近金屬地表面。供電系統(tǒng)115/200v,400Hz交流電和28V直流供電。雷電有30KV的尖峰值。碳化纖維相對于鋁結(jié)構(gòu)來說有更大的磁敏感性。考慮接地導(dǎo)體的感應(yīng)電壓到達(dá)了400uv，必須考慮和它相連設(shè)備和電子控制設(shè)備的能忍受的干擾值。這種干擾相對于雷電作用是更應(yīng)當(dāng)考慮的，應(yīng)為它是一個永久的現(xiàn)象，而第二個是瞬態(tài)的，不經(jīng)常發(fā)生。通過使用EMPT程序，可以進(jìn)行電磁屏蔽的仿真。為了減少昂貴的實驗設(shè)備，計算機仿真是電磁兼容的重要步驟。,38,系統(tǒng)頻譜配置準(zhǔn)則,無人機航電系統(tǒng)是由測控數(shù)據(jù)鏈、電氣供電、飛行與導(dǎo)航控制、傳感器以及各種任務(wù)載荷分系統(tǒng)等組成其中測控數(shù)據(jù)鏈和任務(wù)載荷中的無線電設(shè)備(如：各種電子對抗設(shè)備)與系統(tǒng)頻率配置有關(guān)：除此之外，機載動力裝置、飛機使用要求及電磁環(huán)境的頻譜分布也將決定著系統(tǒng)頻率的配置。系統(tǒng)頻譜配置就是要合理選擇數(shù)據(jù)鏈信道各工作頻率，并會同無人機動力裝置、任務(wù)載荷的頻譜特性及電磁環(huán)境進(jìn)行綜合分析。配置將主要涉及：工作頻率、載頻、副載頻、中頻、調(diào)制方式以及碼速率等。選擇的準(zhǔn)則應(yīng)考慮以下幾方面要求：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、電磁兼容性、技術(shù)的繼承性、相應(yīng)硬件可實現(xiàn)性以及經(jīng)費支持程度等。在電磁兼容方面就是要合理選擇無人機數(shù)據(jù)鏈各工作頻率，并與無人機動力裝置、任務(wù)載荷以及電磁環(huán)境進(jìn)行綜合分析，保證系統(tǒng)的正常工作。安裝活塞式發(fā)動機的小型無人機發(fā)動機火花干擾是其主要干擾源，頻譜范圍一般低于1GHz,39,在技術(shù)繼承性等方面，目前無人機測控數(shù)據(jù)鏈一般采用L或C波段，有時也采用UHF或短波波段；對于需衛(wèi)星中繼的無人機數(shù)據(jù)鏈將可能采用K波段,40,無人機電磁兼容性評估準(zhǔn)則,電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)通常是電磁環(huán)境效應(yīng)檢驗的依據(jù)。與環(huán)境特性相對應(yīng)，評估準(zhǔn)則可分為兩大類，即基于確定性電磁環(huán)境特征的系統(tǒng)和設(shè)備性能評估準(zhǔn)則，以及基于隨機性環(huán)境特征的統(tǒng)計分析評估準(zhǔn)則。,41,發(fā)射端口模型,發(fā)射端口模型一般采用頻域模型，它是由端口發(fā)射信號的頻域特性來表征，對于確定性信號，其頻域特性為該信號的富氏級數(shù)或富氏變換，對于隨機信號，其頻域特性為該信號的功率譜密度。根據(jù)功率譜隨頻率的變化關(guān)系可以分成窄帶譜和寬帶譜兩大類。窄帶譜是指功率譜隨頻率變化劇烈，呈現(xiàn)離散狀態(tài)，功率相對集中在一個十分有限的帶寬內(nèi)，從大的頻率范圍看，功率就好像集