机载VHF通信电台闪电间接效应试验与失效分析

(中国民航大学 适航学院，天津 300300)

1 引 言

据统计，在地球大气中平均每天发生约800万次闪电[1]，一架固定航线的商用飞机每年平均都要遭遇一次雷击，航空史上已有2 500多架飞机遭到闪电击毁[2]。闪电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse,LEMP)具有功率高、频带宽、持续时间短等特点，极容易耦合进入电子设备内部造成干扰和损坏作用。

机载甚高频(Very High Frequency,VHF)通信电台可实现飞机与飞机、地面间的近距离通信，是航空领域最重要的通信方式之一。VHF通信受到干扰或损坏的情况时有发生，危害极大[3]。闪电对飞机的影响包括直接效应和间接效应两种，前者是指闪电对飞机结构的物理损坏，如在金属蒙皮上烧灼出孔洞等；后者是指闪电通过感应电压或电流对内部设备产生干扰或损伤，造成其功能的暂时或永久失效[4]。闪电对机载VHF通信设备收发机产生的效应为间接效应。

随着我国AG600和C919等民机型号工作的推进，国内机载设备的发展需求出现“井喷”趋势，但目前国产机载设备的市场占比及相关研究情况并不理想。国内已经开展了飞机整机的闪电分区、闪电防护研究、电子设备舱、飞机燃油系统的防护试验研究[5-8]，针对无人机系统和发动机电子控制器的闪电试验研究也有报道[9-10]，但对于机载VHF通信电台而言，其闪电间接效应相关研究却鲜见报道。

本文针对VHF通信电台进行闪电试验研究，获得机载VHF通信电台的闪电敏感性能参数，提出闪电间接效应导致的失效判据，结合微电子器件与电路可靠性研究基础[11-13]，对在闪电试验中发生失效的设备进行失效分析，提出闪电防护加固措施。

2 闪电间接效应试验

2.1 试验平台与方法

目前针对设备闪电或闪电电磁脉冲的试验标准主要有《GJB 151B军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》《GB/T 17626.5电磁兼容试验和测量技术浪涌抗扰度试验》和《RTCA DO-160G机载设备环境条件和试验程序》等，其中RTCA DO-160G第22章主要针对机载设备的闪电环境试验要求和方法给出了详细的规范和建议。本文依据RTCA DO-160G进行闪电间接效应试验，包括管脚注入试验和线缆感应试验。

闪电耦合到设备及系统线缆或端口上有两种方式，一种方式是机外瞬态电磁场穿过驾驶舱风挡、窗户及雷达罩等缝隙进入飞机内部，即孔缝耦合；另外一种方式是闪电电流流过机体结构产生电气电路两端的结构内阻电压，即阻抗耦合。在具体试验中，不同的耦合方式对应不同的试验波形组。RTCA DO-160G定义了A～H、J和K共8组波形组，标准同时定义了与波形组A～K相关的单个波形，包括波形1、2、3、4和5(A/B)。波形组A和B用于管脚注入试验，波形组C～H、J和K用于线缆感应试验。波形组A、C、E、G和J适用于全金属机身、感应方式为孔缝耦合的情况，波形组B、D、F、H和K适用于机身为碳纤维复合材料(Carbon Fiber Composite，CFC)、主要感应方式为阻抗耦合的情况。考虑到飞机机体越来越多的应用CFC，孔缝耦合和阻抗耦合往往同时存在，本文将管脚注入试验波形组确定为B类，结合本文中待测设备的具体情况——互连线缆类型为屏蔽线缆，因此将线缆感应试验的波形组确定为K类，故采用的单个试验波形为波形3和5A。如图1所示，波形3为频率为1 MHz或10 MHz的阻尼振荡正弦波，波形5A为持续时间较长的双指数波形。

(b)波形 5A 图1 试验波形Fig.1 Test waveforms

波形幅值由试验电平等级确定，而试验电平等级由设备安装的具体环境及互连线缆的预期暴露程度决定，或者由飞机级和系统级功能危险性评估(Functional Hazard Assessment,FHA)确定。根据RTCA DO-160G，试验电平等级共5级，等级1适用于安装在较好保护环境中的设备和互连导线，等级2适用于安装在局部保护环境中的设备和互连导线，等级3适用于安装在适度暴露环境中的设备和互连导线，等级4和5适用于安装在严酷电磁环境中的设备和互连导线。但是本文要在待测设备(Equipment Under Test,EUT)的闪电试验基础上进一步进行失效分析，而非进行简单的通过/未通过试验，因此首先进行等级2试验，如果EUT可以通过等级2试验，再进行等级3试验，直至EUT发生失效为止。

试验采用美国Thermofisher公司的Thermo Scientific ECAT闪电测试系统(Lightning Test System,LTS)作为LEMP发生器，该系统可产生RTCA DO-160G中所规定的所有种类的LEMP波形，试验等级可达5级。整个试验平台还包括示波器、电源、频谱仪、信号发生器、万用表等主要设备仪表，以及阻抗稳定网络和瞬态抑制器件、衰减器、旁路电路等保护性设备或器件。在试验过程中，示波器用于监测管脚注入端或者线缆耦合端瞬时注入/耦合到EUT的信号是否符合该次试验的试验电平等级要求；信号发生器给处于接收模式的EUT产生并输入经过AM调制的射频信号，给处于发射模式的EUT产生并输入语音信号；频谱仪通过保护性器件连接EUT用于测量试验过程中以及试验后的相关性能参数。

图2所示为管脚注入试验与线缆感应试验的现场图片，其中，图2(a)为管脚注入试验，试验过程中只要求EUT带电开机，不关注其处于何种工作模式，且在LEMP注入过程中并不对设备的性能参数进行实时监测，而是在每次注入完成后对待测设备进行性能测试，以确定闪电波形是否造成设备损伤；图2(b)为线缆感应试验，试验过程要涵盖EUT的所有工作模式，且要求对EUT的性能指标进行实时监测，因此须注意对试验平台中的监测设备进行有效保护。另外，管脚注入试验是通过探针直接将LEMP信号注入到EUT管脚中，而线缆感应试验则通过耦合钳将LEMP以感应的方式输入到EUT中。

(a)管脚注入试验

(b)线缆感应试验图2 实际试验现场图Fig.2 Photo of actual test

2.2 试验对象

本文试验对象为机载VHF通信电台整机。民用航空中机载VHF通信电台常采用调幅工作方式，频率范围为117.975～137.000 MHz。本试验以某型调幅工作方式的机载VHF通信电台整机作为试验对象，该电台包括射频信号处理模块、显示控制面板、电源模块、监视/维护模块以及天线5个主要部分，其中射频信号处理模块为核心模块，又包括射频前端、接收单元、发射单元以及频率合成单元等，其基本架构如图3所示。

图3 机载VHF通信电台基本架构Fig.3 Principle of an airborne VHF communication station

EUT的线缆及端口数量决定了闪电试验的试验矩阵大小和试验复杂程度。本文待测电台所涉及的线缆包括电源线和信号线两类，信号线又包含语音信号线、控制信号线以及与天线相连的射频信号线。设备包含有2个同轴电缆接插头(BNC)天线接口、1个电源接口、1个5插针接口以及1个15插针接口，其中5插针接口用以连接地线、接收/发射模式控制信号线以及话筒和听筒的语音信号线等，15针接口用以连接远端显示控制面板。考虑到典型性与代表性，管脚和线缆束的选择涵盖3类信号线所涉及的范围，本文中管脚注入试验选取了信号针TX+、信号针RX+、信号针RECORDER OUT A、电源针DC EXT、天线针共5个管脚进行LEMP注入，线缆感应试验选取上述5个针脚连接的线缆束进行。

机载VHF通信设备所涉及的性能参数包括音频响应、接收灵敏度、谐波失真、噪声电平、虚假响应、发射功率、调制深度、音频失真、频率稳定度、发射杂散和接收杂散等，但在实际的闪电试验过程中，所有性能参数都得到监测是较难实现的。选择合适的性能参数进行监测，并且通过最终试验结果分析得到VHF通信设备的闪电环境敏感参数是本文的重点工作之一。本文选取了音频响应、接收灵敏度、谐波失真、发射功率、频率稳定度和调制深度共6项性能参数作为待测电台的关键性能参数，在闪电试验中进行监测。为了尽可能覆盖接收单元的正常工作频率范围，在每一项性能参数的测试中均在118 MHz、127 MHz和136 MHz 3个频点上进行具体测量和计算，本文仅给出6项性能参数的测试及计算结果，如表1所示。

表1 待测VHF通信电台的关键性能参数值Tab.1 Key performance parameter value of EUT

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

首先对待测VHF通信电台进行了等级2的管脚注入试验和线缆感应试验，试验过程中设备未见异常，监测的关键性能参数也并未发生明显变化，语音通话功能同样正常。这表明待测通信电台通过了试验水平为等级2的闪电试验。

进一步进行等级3试验，在进行管脚注入试验过程时，波形3的正极性和负极性LEMP注入后设备都未见异常。而在随后对BNC天线插针进行波形5A的正极性LEMP注入时，设备发出“啪”的一声异响，同时观察得两个异常现象：试验平台上监测注入波形的示波器只能监测到电压而无法监测到电流；设备天线接口内芯与接地回路间出现断路。此时利用其他功能正常的VHF通信电台对待测设备进行接收和和发射模式的语音通话测试，发现其语音通信功能仍然正常。利用信号发生器和频谱仪等对EUT的6项关键性能参数进行了测试，并将测试结果与试验前电台的性能参数进行对比，如图4所示。结果表明，6项性能参数中音频响应、接收灵敏度、谐波失真和调制深度4项发生了不同程度的变化，另外2项基本没有发生变化。

(a)音频响应与接收灵敏度验证

(b)谐波失真与调制深度验证图4 性能参数值在闪电试验前后的变化Fig.4 Variation of performance parameter value

发生变化的4项性能参数中音频响应、谐波失真和调制深度三者变化较小，而接收灵敏度则出现了极为明显的恶化。综合以上试验现象和测试结果可以判断，试验过程中EUT出现的主要问题可能有两个：一是接收灵敏度严重退化；二是BNC天线接口接地回路断路。

虽然此时EUT仍然能够正常通信，但是可以判定LEMP已经导致EUT失效。可以看出，VHF通信电台对波形5A比波形3更加敏感，这可能与波形5A较长的持续时间有关。另外，试验结果可以说明，接收灵敏度是机载VHF通信电台的闪电环境敏感参数，可以将其显著退化作为闪电间接效应导致VHF通信电台发生失效的典型判据之一。同时，VHF通信电台的发射功能并未受到明显影响，发射状态的性能参数也未出现剧烈恶化，说明VHF通信电台发射功能较接收功能对闪电环境的敏感性相对较低。

3.2 失效机理分析

对于VHF通信电台而言，6个主要模块都有可能发生失效，以国内某型单通道VHF通信电台为例，其各模块的统计失效率(Statistical Failure Rate,SFR)对比表明射频信号处理模块的统计失效率最高，最容易发生失效[14]。对本文失效VHF通信电台进行拆机检查，发现BNC天线连接器连接完好，在PCB上从天线连接器至射频前端这一范围内的各点电性能测试均显示正常。为了测试射频前端的完好性，分别针对发射通道和接收通道进行信号增益测试，结果如表2所示。当射频前端处于发射(TX)状态时，发射通道工作正常；使射频前端处于接收(RX)状态时，从BNC天线接口输入功率为-70 dBm的118 MHz射频信号，测得信号增益值为-21.9 dB，而正常情况下该增益值应该在15～25 dB范围内，由增益退化可以判断射频前端低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)已发生失效；最后，测试设备射频后端接收单元的接收灵敏度为-95 dBm，该值也在正常范围内，说明射频后端接收单元不存在故障。由此可以确定，被测设备接收灵敏度下降极有可能由设备射频前端LNA失效造成。

表2 失效VHF通信电台射频前端信号增益测试结果Tab.2 Signal gain test results of RF front-end in the VHF communication radio station

但是此时仍然无法排除射频前端滤波器同时发生失效的可能，结合已测得的从天线连接器至射频前端各点电性能测试均为正常的情况，推测射频前端滤波器也发生失效。为了进一步验证以上结论，将设备中射频前端的金属屏蔽盖去除，对射频前端的滤波器进行电性能测试，结果发现滤波器对地断路，利用光学显微镜观察该滤波器发现明显烧毁，烧毁处对地电感器周围可见熔断的漆包线粘附在焊点上，继续放大观察可见该区域两只电感器的漆包线都有熔断的情况，同时该区域的一只电容器也出现了端电极焊点熔融的情况，电极周围可见残留的金属熔球，形貌如图5所示。

图5 烧毁区域的表面形貌Fig.5 Surface morphology of the burned area

由此可以推断，在LEMP作用下射频前端滤波器对地电感瞬时电流极大，以至于其焊接点及漆包线发生瞬间熔融并喷溅形成若干金属小球，这也是闪电试验过程中设备发出“啪”的异响的原因。可以认为，造成机载VHF通信设备失效的主要原因就是LEMP作用下射频前端LNA失效和射频前端滤波器对地电感器和电容器烧毁。

4 闪电防护设计建议

由失效分析可以看出，机载VHF通信电台的射频前端接收通道是对LEMP较为敏感的薄弱环节，对这一环节的加固是闪电防护设计的关键。瞬态电压抑制管(Transient Voltage Suppressor,TVS)是电子设备电源或信号接口的闪电防护最有效的器件之一，本文拟提出基于TVS的防护设计建议。

具体地，本文试验中导致机载VHF通信电台发生失效的是等级3的5A波形，为了设备能够免于其损伤，需要引入TVS以完成300 V开路电压和300 A短路电流水平的瞬时保护。计算得到该情况下瞬时电压源电阻ZS=1 Ω，在考虑TVS钳位电压的情况下TVS完成这一防护所需要的脉冲峰值电流IPP为252 A。本文建议选用Microsemi公司的MRT65KP48CA型TVS，该型TVS具有双向防护作用，其钳位电压为48 V，由该型TVS的峰值功率曲线可知其可承受的峰值电流为(49 kW/65 kW)×836 A=630 A，该电流值远大于所需值252 A，应能满足防护要求。为了保险起见，建议在接口与TVS之间及TVS与内部电路之间各串接一个一定阻值的功率电阻R1和R2，可起到吸收LEMP功率的作用。串接后TVS完成防护所需的脉冲峰值电流IPP将进一步显著减小，有利于闪电防护。然而TVS自身也存在一定的寄生参数，寄生参数效应能够引起射频前端的输入阻抗失配。为了减小TVS的引入对设备本身射频性能的影响，可通过电感L1及电容C1实现基于阻抗隔离的阻抗失配补偿。基于TVS的闪电防护电路如图6所示。在实际应用中，由于机载设备的差异性，防护电路中元器件的选型和参数调整十分必要。

图6 基于TVS的闪电防护电路Fig.6 Lightning protection circuit based on TVS

5 结 论

本文进行了机载VHF通信电台的闪电间接效应试验研究。试验发现，对于VHF通信电台而言，RTCA DO-160G中的波形5A比波形3更容易导致其发生失效。研究表明，机载VHF通信电台的音频响应、谐波失真、发射功率、频率稳定度和调制深度5项性能参数对闪电环境敏感度较低，而接收灵敏度这一参数较为敏感。接收灵敏度这一性能参数的严重退化可作为VHF通信电台在LEMP作用下发生失效的典型判据之一。另外，试验表明机载VHF通信电台发射功能不易受到闪电电磁脉冲影响，接收功能极易受到影响。本文对失效设备进行分析，发现闪电作用下设备射频前端LNA失效和射频前端滤波器对地电感器与电容器烧毁导致了VHF通信电台发生失效。最后，本文针对导致该VHF通信电台发生失效的等级3的5A波形，给出了基于TVS的闪电防护设计建议。本文结论可为机载无线电设备闪电间接效应试验提供参考，为机载VHF通信电台闪电防护设计与验证提供理论依据。