某型无人机系统级电磁兼容试验方法研究*

柳锐锋 张广军 梁 婷

(中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)



某型无人机系统级电磁兼容试验方法研究*

柳锐锋 张广军 梁 婷

(中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)

参照电磁兼容相关国军标,结合某型无人机系统,提出了被试装备的系统级电磁兼容试验方法,并对电磁兼容试验方法进行了理论分析,提出了电磁兼容试验布局、被试装备工作状态及判决,最后给出了结论建议。

电磁兼容; 外部射频电磁环境; 传导安全裕度; 机载天线耦合电平

Class Number TN914

1 引言

某型无人机系统由一架无人机和若干辆地面车辆组成,具体包括飞行器、任务载荷、指挥控制、数据链、数据处理、综合保障等,其中设备/分系统电磁兼容试验已通过检验,在实际平台上组装后,由于天线、射频电缆的辐射、传导的耦合效应会产生互调、交调、乱真等电磁兼容问题,被试装备战场电磁环境适应性如何,还需通过系统级电磁兼容试验检验。

电磁兼容系统级试验方法国内外至今没有研究机构正式发布,GJB1389A-05仅规定了系统级电磁兼容试验要求[1～3]。本文结合工作实际,借助于电磁兼容对美军标、国军标的理解,提出了无人机的系统级电磁兼容试验方法。

2 试验方法及分析

试验前,对测试场地电磁环境进行了全天监测,测试结果表明测试场地电磁信号多为民用通信、广播信号,满足系统级电磁兼容试验要求[4～5]。

根据相关要求被试装备系统级电磁兼容内容包括:机载天线耦合电平测试、外部射频电磁环境、系统内电磁兼容性、传导安全裕度、辐射安全裕度试验、电磁屏蔽性能测试和静电电荷控制,下面详细介绍各项目试验方法[6～7]:

1) 机载天线耦合电平

试验方法:用接收机在被测天线接收频段内测试其它天线发射的信号电平(各天线的所有工作频道、大功率、小功率等多种工作状态都需要测试),检测所测的信号电平是否超过被测天线的灵敏度。

机载天线耦合电平用于评估有多个天线的平台的电磁兼容能力。对于飞机、舰船这类装备,在狭小的空间上分布很多无线电设备,很容易相互干扰。某型无人机有多副天线,分别为通信天线、导航天线、GPS数传电台天线、无线电高度表接收天线、GPS/GLONASS/北斗三合一天线等,工作频段覆盖相对集中。设计时如果不统筹考虑各天线的工作频率分配,抑制各天线的谐波、底噪、互调、乱真等发射,很容易引起飞机的电磁不兼容。

2) 外部射频电磁环境

试验方法:选取被试装备的门、窗、通风波导窗、电源/信号滤波器转接板以及天线座等处为外部射频电磁环境测试点,测试天线与被测试点距离1m。按照2%频率步进,在10kHz～18GHz范围内确定测试频点(被试装备工作频点除外)。用信号源产生测试信号,用功放和天线辐射到测试点,以电场探头监测测试点的电场ER,调节信号源和功放,使其产生的场强ER达到GJB151A-97中表5规定的信号强度,观察系统内各设备/分系统是否正常工作。改变测试频率、极化方式和测试点,直至完成所有测量。

外部射频电磁环境用于检验被试装备和互连电缆承受辐射电场的能力。试验时容易引起被试装备敏感的耦合途径有两条:一是被试装备屏蔽性能差的位置,二是通过被试装备的电源线、信号线耦合,因此对于地面车辆外部射频电磁环境试验我们选择的位置为被试装备的门窗、电源/信号线盒。对于飞机,选择飞机的前舱、后舱两个位置作为试验部位,保证整个飞机的电子设备都能被辐射到。由于飞机距离地面车辆很远,更容易受到大功率设备的干扰,因此飞机的外部射频电磁环境极限值与地面车辆(场强50V/m)不同,按200V/m场强进行考核。

试验选择的信号样式为1kHz、50%占空比的脉冲调制(也可用1kHz方波)。之所以采用这种信号样式有几个原因:一是1kHz在多数模拟电路的通带内;二是方波容易产生高的平均功率;三是方波是一种严格的幅度调制形式,被应用于通信和广播领域;四是它也是一种高占空比的雷达脉冲调制形式。

3) 系统内电磁兼容性

试验方法:将被试装备的各设备/分系统按照干扰源和敏感体进行分类,建立干扰矩阵。试验时用地面托架将飞机托起,连接好地面动静压试验器,使大气机处于高度1000m状态;通过地面检测车接通机上所有用电设备;用地面主指挥控制站发送遥控指令使数据链处于上行、下行互通状态;惯导系统处于对准状态;SAR采用自检状态下的模拟图像传输状态;地面差分GPS数传电台处于发射状态;机载应答机处于应答状态,逐一检查起落架装置收放、雷达天线开机、光电平台动作、通信链路转换、应答机开关、卫星天线动作、发动机在3500转和5000转状态下运转等动作对导航、飞控、电气、发动机设备、数据链设备、机载数据记录设备、雷达系统、综合光电平台、应答机的影响,检查内容为各分系统的图像、数据显示是否合理、正确。对遥控、遥测、数据链系统要使用不同工作波段、不同动作进行检验。

系统内电磁兼容性用于评估全系统的自兼容能力,它关系到系统内各电子设备能否互不干扰兼容工作。被试装备容易引起干扰信号的动作有起落架装置收放、雷达天线开机、光电平台动作、通信链路转换、应答机开关、卫星天线动作、发动机在3500转和5000转状态下运转,易受到干扰的电子设备有导航、飞控、电气、发动机设备、数据链设备、机载数据记录设备、雷达系统、综合光电平台、应答机,试验按照干扰源(各动作引起)与敏感源的关系建立干扰矩阵,在主指挥控制车观察各分系统工作状态。

4) 传导安全裕度

试验方法:选取信号线端口50mm处为传导安全裕度测试点。采用油机对系统进行供电,被试装备正常工作,并处于最大辐射状态。测试选用的频率范围为10kHz～400MHz,按照2%步长,选择传导安全裕度测试频点,将电流监测探头卡在选取的电源线、信号线测试点处,测量该测试点的实际干扰电流,将其作为该测试点的基础干扰电流I0。将监测探头卡在选取的测试点处,电流注入探头卡在距监测探头外侧50mm处,对其注入干扰电流IS,同时用EMI接收机进行监测。以基础干扰电流I0为起始值,逐渐增加干扰注入电流IS(IS最大值比I0高6dB),观察系统内各设备/分系统是否正常工作。

传导安全裕度用于检验被试装备承受耦合到与EUT有关电缆(电源线、互联电缆)上的射频信号的能力。由于光纤电缆传输的为光信号,它与电磁信号不会相互作用,因此传导安全裕度测试对象为电源线、电信号线,不包括光纤电缆。信号线上的传导干扰来源主要有:外界信号耦合电缆上的干扰、电网或发电机上带来的干扰信号以及通过互联电缆从其它装备引入的传导信号。由于400MHz以上的辐射信号很难耦合到电缆上,所以测试频率为10kHz～400MHz。

5) 辐射安全裕度

试验方法:试验前及试验过程中通过电磁环境监测系统进行外界电磁信号监测。剔除外界环境电平较大的信号,按照2%的频率步进,重点选取整个频段内辐射幅度较大的点,以及指控、数据链等设备的工作频率及其二、三次谐波附近,在10kHz～18GHz范围内确定测试频点。选取被试装备内部计算机、遥控遥测单元、数据处理系统、路由器、网络交换机、显示器等处为测试位置。被试装备正常工作,并处于功率最大辐射状态,关闭所有门窗。将测试接收天线布设在选取的测试点处,以水平和垂直极化分别测量该测试点的实际辐射电场强度,作为该测试点的基础辐射电场强度E0。对各测试点辐射信号ES,同时用场强监测仪进行监测。以基础辐射场强E0为起始值,逐渐增加辐射场强ES至比E0高6dB,观察系统内各设备/分系统是否正常工作。

辐射安全裕度就是检验系统电磁波辐射水平以及承受电磁波辐射的能力。通过对地面车辆各分系统的设备级电磁兼容性能分析,可以判断哪些分系统是敏感设备,试验时将测试天线主瓣方向对准敏感分系统。被试装备的无意发射信号主要来自:(1)天线的底噪、谐波、互调、乱真,例如晶振的时钟信号、倍频器的信号等;(2)等效为天线发射信号的环路电路;(3)等效为单极子或偶极子天线的各种电缆发射信号。

6) 屏蔽性能测试

屏蔽性能测试用于检验被试装备方舱的屏蔽性能。被测车辆方舱包括:主指挥控制站、视距链路车、情报处理车、卫通设备车、综合检测车;测试部位选择方舱屏蔽性能低的部位,具体为电源线盒、信号线盒、窗户、屏蔽门、通风窗等位置;测试频点为14kHz、100kHz、200kHz、450MHz、930MHz、5GHz、8GHz、12GHz、18GHz。试验时,被试装备不工作,仅保证照明、测试仪器用电;发射天线与接收天线距离如表1所示。

表1 屏蔽测试发射天线与接收天线距离

测试在低频段屏蔽性能往往较差,原因是低频段电磁波表现为磁场特性,需检查门窗的电气连接,在屏蔽门处使用镍钴等材料提高低频段屏蔽性能。另外,在100kHz、200kHz频点电源的谐波信号强度较大,可以用稳压源进行供电。

7) 静电电荷控制

静电电荷控制用于检验被试装备承受静电放电的能力。试验时所有分系统开机并处于最大发射状态,选择飞机的前舱、后舱及机翼三处进行空气放电和接触放电,每个位置放电10次,放电电压25kV,在主指挥控制车内观察载荷控制、飞行控制、指挥规划、链路监控等设备工作是否正常,各项技术参数显示是否合理正确,放电后检查飞行控制系统能够正常工作。

25kV静电放电用于模拟人体静电放电,用于检验被试装备的电子元器件是否会被损坏,电子设备是否存在误动作。

3 试验布局、被试装备工作状态及判据

试验采用静态测试,即飞机位于地面状态进行测试,试验时飞机位与地面车辆分开布置,并保持一定距离[8～10]。

为模拟实际飞行时飞机与地面车辆距离较远,传导安全裕度、辐射安全裕度、外部射频电磁环境三项试验时数据链系统处于小功率发射状态外,其它试验项目(电磁屏蔽性能测试设备不工作)所有电子系统均处于最大发射工作状态。

在地面车辆内观察被试装备工作是否正常,数据、图像传输、显示是否合理正确。

4 结语

根据电磁兼容实际测试经验,有两点建议:一是由于辐射安全裕度试验和外部射频电磁环境试验内容重合,对很多装备辐射安全裕度试验不必做;二是通过监测室外测试场地的电磁环境,实现室外开展系统级电磁兼容试验的新方法。另外,对于外部射频电磁环境、安全裕度的频率步进如何设置才能保证既能不漏频点又高效快捷,还需进一步研究。

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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

柳锐锋,男,硕士,工程师,研究方向:电磁兼容。张广军,男,工程师,研究方向:电磁兼容。梁婷,女,工程师,研究方向:电磁兼容、环境适应性与可维修性。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.042