植保无人机电磁兼容性能（辐射发射）测试研究与分析*

赵明桥 ，林 俊 ，刘仲义 ，贺冠鹏 ，徐 伟 ，周泽仕 ， 余健铭 ，李 惠 ，邱秀凤 ，黎春茶

（1.广东产品质量监督检验研究院，广东 广州 510670；2.广东省通讯终端产品质量监督检验中心，广东 河源 517001）

国务院印发的《“十四五”推进农业农村现代化规划》中提出，加强大中型、智能化、复合型农业机械研发应用，农作物耕种收综合机械化率指标提高至75%[1]。而植保无人机作为新一代农业机械，具有成本低、效率高、精准喷洒、不受地形限制等优势，被广泛应用于播种、撒肥及喷洒农药。植保无人机作为农业机械电子系统设备，其电磁兼容性尤为重要，课题组主要根据植保无人机电磁兼容性标准要求，对植保无人机电磁兼容性能缺陷问题进行研究与分析，提出消除缺陷或降低电磁兼容安全风险的方法，从而提升植保无人机产品的综合性能。

1 辐射发射测试概述

辐射发射是指在正常工作状态下，电子、电气设备或系统内部电路工作和设备机壳端口向周围空间发射的电磁波，测量过程中，被测电子、电气设备或系统的工作频段和杂散发射均应被忽略，其单位一般为dBμV/m。辐射发射试验主要判定其产生的辐射发射是否符合标准要求，以至于电子、电气设备或系统在正常使用过程中在同一电磁环境下不对其他电子、电气设备或系统造成影响。

辐射发射测试系统一般由接收天线、射频电缆、测量接收机、测试软件以及电波暗室构成。通过电波暗室屏蔽外界电磁干扰，提供一个没有干扰信号的纯净电磁环境[2]，将被测设备放置于电波暗室的指定位置，运行测试系统，由测量接收机接收天线接收被测设备的骚扰信号，最终通过测试软件呈现骚扰信号数据。

辐射发射的测量方法，可根据电波暗室尺寸大小分为3米法、5米法及10米法，也可在开阔试验场进行测试，目前国内常用电波暗室3米法进行辐射发射的测量。

2 植保无人机辐射发射的测试研究与工作状态

2.1 植保无人机辐射发射测试研究

植保无人机由飞行平台、控制系统、动力系统、喷洒系统或播撒系统组成，通过地面控制器与植保无人机建立通讯连接后，控制植保无人机作业飞行，实现播种、撒肥及喷洒农药等作业。而飞行平台是植保无人机各模块搭载的基础平台，为动力系统、控制系统、喷洒系统、机载设备提供安装接口。机身上装载飞控、数链、RTK模块、电源分线板、电调模块、电机、喷洒模块等多种设备，而多种设备同时工作更容易产生电磁干扰。因此，当植保无人机正常作业飞行时，就可能会产生除工作频率之外的电磁波，污染外界电磁环境，进而干扰到电磁环境中其他电子、电气设备或系统的正常工作。

因此，检测植保无人机辐射发射特性，对植保无人机电磁兼容性能极为重要。植保无人机的工作状态和其他电子设备差异很大，在检测植保无人机辐射发射时，应考虑植保无人机飞行作业的特点，选择合适的工作状态，并根据植保无人机辐射发射标准要求进行测量，完成植保无人机辐射发射项目的检测研究。

2.2 植保无人机的工作状态研究

通过对以往电子产品辐射发射的测量经验，被测设备的工作状态是影响辐射发射测量结果的一个重要因素，而植保无人机作为农业机械，其工作状态也极其复杂。因此，植保无人机辐射发射测试的工作状态也尤为重要。根据标准NY/T 3213—2018《植保无人飞机 质量评价技术规范》中植保无人机电磁兼容试验要求，引用GB/T 9254.1—2021《信息技术设备、多媒体设备和接收机 电磁兼容 第1部分：发射要求》[3-4]，但NY/T 3213—2018和GB/T 9254.1—2021都未明确植保无人机试验时的具体工作状态，而植保无人机的典型工作状态是带载飞行、喷洒作业。若无人机在飞行状态下进行测量，其飞行状态具有一定的不稳定性和危险性，容易导致测量误差大、测量结果难以复现且容易损坏无人机、设备和暗室吸波材料等。故选择在非飞行状态下对植保无人机进行辐射发射测试。

为了确保植保无人机辐射发射测量结果的准确、稳定，植保无人机在进行辐射发射测量时，其工作状态应尽可能与实际典型工作状态保持一致。通过实验室反复研究和试验发现，在非飞行状态下植保无人机工作在通电、与地面控制器通讯、水泵开启、前照灯开启及电机怠速状态下模拟植保无人机正常工作，其辐射发射测量的骚扰信号最大。

试验（本试验采用3米法进行测试）在电波暗室中进行，试验布置如下：将植保无人机放置于0.8 m低电常数材质的试验桌上，植保无人机布置的中心应位于电波暗室转台的中心，包围植保无人机布置的一个假想圆周边界到天线校准参考点之间的最短水平距离为3 m。对于30 MHz～1 000 MHz频率范围内的测量，使用对数周期天线作为接收天线；对于1 GHz～6 GHz频率范围内的测量，使用喇叭天线作为接收天线。

3 植保无人机辐射发射测试与整改

3.1 植保无人机辐射发射测试

基于上述布置对植保无人机辐射发射进行测试研究，进行某款（型号为3WWDZ-30A）植保无人机辐射发射的测量，打开测试系统，布置好检验场地，设定植保无人机工作在通电、与地面控制器通讯、水泵开启、前照灯开启及电机怠速状态下，运行测试系统，测得植保无人机辐射发射结果。植保无人机辐射发射在30 MHz～1 000 MHz范围内的测试数据如表1所示，测试图如图1所示；1 GHz～6 GHz范围内的测试图如图2所示。

表1 辐射发射（30 MHz～1 000 MHz）测试数据

图1 某款植保无人机辐射发射（30 MHz～1 000 MHz）测试图

图2 某款植保无人机辐射发射（1 GHz～6 GHz）测试图

测试图中，X轴表示接收机扫频的频率，在30 MHz～6 GHz频段上对植保无人机的辐射发射骚扰信号进行扫描测量，Y轴表示测量出的电场辐射强度。

试验结果显示：该款植保无人机辐射发射测试在30 MHz～80 MHz、2.380 5 GHz～2.527 0 GHz和4.784 7 GHz～5.054 0 GHz越过限值。其中，2.380 5 GHz～2.527 0 GHz和4.784 7 GHz～5.054 0 GHz频段超过限值的点分别为植保无人机的工作频率及其谐波发射，为国际电信联盟定义的有意发射和相关杂散发射，按照标准要求，该频点的辐射发射不考核[5]。因此，该款植保无人机辐射发射超出行业标准NY/T 3213—2018《植保无人飞机 质量评价技术规范》中规定的辐射发射限值，最大超限点在46.15 MHz处超限5.32 dBµV/m。

由此可知，植保无人机工作时存在着较强的辐射发射，其辐射发射可能会污染外界电磁环境，进而干扰到电磁环境中其他电子、电气设备或系统的正常工作。

3.2 植保无人机辐射发射整改

由测试图可知，超限的频点集中在30 MHz～80 MHz之间，进行多次试验研究，确认植保无人机在30 MHz～80 MHz频段超出限值的原因是宽带骚扰信号超限，而这些骚扰信号主要是由植保无人机电源和电机供电端口处的线缆产生。

考虑到产品已成型固定，由于整改成本高、周期长和影响无人机系统内部布局、改善无人机系统内部屏蔽等因素，如采用整改电路板走线布局、更换电子元器件、增加滤波电路等方式，会影响无人机系统接收卫星信号。故本文针对植保无人机电源和电机供电端口，使用磁环进行骚扰源预定位，因超限的频点集中在30 MHz～80 MHz之间，使用在30 MHz～80 MHz频段上有足够大的共模阻抗的镍锌铁氧体磁环，抑制被测样品电源和电机供电端口处线缆辐射的宽带骚扰信号。实验室在被测样品电源和电机供电端口上使用镍锌铁氧体磁环进行共模滤波后，进行辐射发射测量，某款镍锌铁氧体磁环阻抗频率特性如图3所示。测量发现某款植保无人机辐射发射结果得到了改善，具体的测试数据和测试图分别如表2、图4所示，测试结果合格。

表2 辐射发射（30 MHz～1 000 MHz）整改后测试数据

图3 某款镍锌铁氧体磁环阻抗频率特性

图4 某款植保无人机辐射发射（30 MHz～1 000 MHz）整改后测试图

对于那些已经处于产品设计定型阶段或者是直接采购回来的成品模块，一般无法重新设计其内部电路，或者设计修改起来成本过高、周期过长，这时应结合产品的实际情况，从产品的输出端口和机壳的屏蔽接地等方面入手进行整改，但往往这种方式所需成本较高，效果也不明显。因此，在产品设计初期时，应从结构、技术等方面进行严格的电磁兼容设计。

4 植保无人机电磁兼容性能分析与质量提升建议

4.1 植保无人机电磁兼容性能分析

任何电磁兼容问题的产生都必须具备干扰源（骚扰源）、敏感源（电路或设备）及耦合途径三个条件，称为电磁兼容三要素。因此，当要消除或降低产品电磁兼容性能缺陷问题时，需要从这三个因素入手，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。而植保无人机在电磁环境内所受的干扰主要分为无人机系统内部的电磁干扰和外界电子、电气设备或系统的电磁干扰。

植保无人机系统内部的电磁干扰主要来源于飞机的动力系统（电机、电调、电源分线板）、控制系统（飞控、数链、北斗模块、RTK模块）、喷洒系统（喷洒模块、水泵）、机载设备（照明灯、雷达）、天线等多种设备。除此之外，无人机系统内部电路板走线、电子元器件布置以及各模块布局设计等因素不合理也会导致机体内部局部电荷积累，进而造成系统内部电磁干扰。

植保无人机系统外界的电磁干扰主要来源于其他电子、电气设备或系统产生的电磁干扰，包括其他电子、电气设备或系统（如移动通信系统、雷达、导航设备等）有意产生的电磁能量干扰，以及在完成自身功能时所附带产生的电磁能量发射[6]。

4.2 植保无人机电磁兼容性能质量提升建议

为了确保植保无人机产品具有较好的电磁兼容性能，在产品设计初期，需从各方面考虑可能存在的电磁兼容问题，将电磁干扰带来的影响降到最低，从而有效保证产品实际使用时的性能，提高植保无人机工作的稳定性，进而提升产品的性能质量。

4.2.1 输入与输出影响

可通过下列技术与方法，排除输入与输出的影响：

1）屏蔽。屏蔽技术可抑制电磁干扰的传播。屏蔽是对两个空间区域之间进行金属隔离，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。具体来说，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响[6]。

2）滤波。滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器件的种类很多，在设计产品电路时，根据噪声的不同特点，选择适当的滤波器件能消除不希望的耦合。如用线路滤波器等滤除一定频段的干扰信号，用隔离变压器等隔离电源噪声，用电阻器、电容器、电感器等元器件组合成RLC电路对干扰电压或电流进行吸收、隔离、滤除及去耦处理[6]。

3）接地。接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。合理的接地设计能有效抑制噪声和防止干扰，降低电子设备的辐射电磁干扰噪声。

4.2.2 降低传导影响

传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（谐波干扰）到另一个电网络的行为现象，一般通过各设备间连接线缆或供电电缆产生。在设计线缆布局时，应根据不同类型电缆分开捆扎，相邻的线缆应采用屏蔽措施、合理规划不同种类线缆敷设间距等方式，消除或降低传导干扰带来的影响。

4.2.3 减少互耦影响

互耦干扰可分为两类，一类是在相互很近的导体或回路之间产生电场或磁场耦合而产生干扰，属感应类干扰；另一类是干扰信号通过直接相通的电路（如电源线、地线）耦合到敏感设备，属传导干扰。针对以上两类干扰，在设计电路板时，应优选多层板，将数字电路和模拟电路安排在不同层内，电源层应靠近接地层，电源线应尽可能靠近地线，以此消除或降低感应类干扰；干扰源应单独安排一层，并远离敏感电路层[7-10]，以消除或降低传导干扰。

5 结论

课题组对植保无人机电磁兼容性能（辐射发射）测试进行了研究与分析，为植保无人机电磁兼容性能质量提升提供建议，为植保无人机电磁兼容性能缺陷提出消除或降低安全风险的方法，提升植保无人机产品质量，从而提高植保无人机产品的综合性能，更好地促进植保无人机产品产业技术发展。