复合材料无人机电磁兼容设计✴

王尔申，张淑芳，雷虹，张磊

（1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院，沈阳110136；2.大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连116026；3.电磁环境效应航空科技重点实验室，沈阳110035；4.沈阳航空航天大学通用航空实验室，沈阳110136）

复合材料无人机电磁兼容设计✴

王尔申1，张淑芳2，雷虹3，张磊4

（1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院，沈阳110136；2.大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连116026；3.电磁环境效应航空科技重点实验室，沈阳110035；4.沈阳航空航天大学通用航空实验室，沈阳110136）

研究了一种复合材料无人机系统的电磁兼容设计。在分析系统中造成电磁干扰的因素和电磁干扰的传递方式的基础上，讨论了系统设计中的屏蔽技术和静电放电防护技术，研究了复合材料电搭接的方法，分析了各子系统间的布局、布线方法对系统电磁兼容性能的影响等问题。仿真验证了数据链路天线反射板的合理尺寸。

无人机；复合材料；电磁兼容；电磁干扰；电搭接；静电放电

1 引言

飞机电磁兼容性是指在飞机有限的空间、时间、频谱资源条件下，飞机电子设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态［1］。随着电子、电气、计算机、控制理论与控制工程等科学技术的发展，飞机电子设备类型、数量和工作方式愈来愈多，频率覆盖范围不断扩展，发射功率愈来愈大，接收灵敏度愈来愈高，机上设备共用的电磁环境也越来越复杂，复杂的电磁环境同时对机上电子设备提出了更为苛刻的电磁兼容性要求［2］。

目前，随着复合材料技术的发展，同时也从减轻飞机的重量进行考虑，复合材料在无人机的设计中得到了大量的使用，特别是先进复合材料。据统计，目前世界上各种先进的无人机复合材料的用量一般占机体结构总量的60%～80%，有些甚至是全复合材料飞机，即复合材料的用量达90%以上。先进复合材料高比强度、高比刚度的特性实现减重，在满足机体结构强度和刚度的前提下确保结构重量系数达到30%以下，然而，复合材料是一种非金属材料，具有特殊的电磁性能，导电及屏蔽等性能都不如金属材料。而无人机上有许多电气设备比如天线的装载、电源供电回路、接地、静电防护等，这些无疑给复合材料无人机整机的电磁兼容设计提出了更高的要求。

本文结合复合材料无人机系统的设计实例，从系统的整体设计和模块设计的角度研究了其电磁兼容性设计，给出了系统设计中的EMC优化方法和数据链天线反射板尺寸的设计。

2 系统的整体设计

复合材料无人机系统主要负责飞机的安全飞行、执行相应的任务，并与地面站进行有效的数据通信。为了满足上述功能，其组成主要包括电源系统、机载系统和地面系统。其中，电源系统为无人机提供动力，机载系统包括飞管计算机（集成惯导系统、磁航向等）、数据链路终端、GPS导航接收机、差分电台、大气处理单元、舵机等，地面系统包括地面控制站（数据链路终端、地面站配套软件及硬件）、差分电台。系统各个组成部分通过相应的总线进行通信，机载系统与地面系统之间通过无线数据链路进行通信，其系统组成结构框图如图1所示，本文只讨论无人机机载电子设备的EMC设计。

3 复合材料无人机系统电磁干扰产生与传播途径分析

电子系统电磁干扰的产生必须具有3个要素，即干扰源、干扰传播途径和敏感设备。由此可见，在进行系统设计中，只要消除了电磁干扰的三要素中的一个因素，干扰就会被抑制［3］。

复合材料无人机系统中的干扰源主要有：

（1）无人机发动机瞬间点火以及舵机电刷动作产生火花形成的电磁干扰；

（2）无线电射频数据链路（包括发射机和接收机）、稳压电源、电机调速器、旋转电机以及其它机载电子设备内部的振荡器等，这些设备直接产生的电磁波或互调后的杂波干扰；

（3）系统供电系统接地回路的噪声；

（4）无人机飞行时，其表面与空中尘埃以及其它物质粒子发生碰撞，在复合材料表面形成电荷，从而产生很大的电位，形成电晕或火花放电，其产生宽带电磁场对天线和飞机蒙皮内电子设备产生干扰［4］，进而导致通信、导航、计算机控制的失灵，甚至导致飞机、导弹等武器装备的严重损坏或事故；

（5）GPS模块与数据链路通信模块共存于同一个系统中，两者的工作频率相近，由于GPS信号自身比较弱，淹没在噪声中；而数据链路信号发射功率比较大，因此，两者在同一个系统中，数据链路通信模块也是GPS模块的一个很严重的干扰源。

复合材料无人机系统中主要干扰传播途径有：

（1）设备传导耦合：设备和设备连接导线相互之间的电磁耦合，是设备对设备耦合的途径之一；

（2）辐射耦合：多数电子设备都有很好的机箱外壳，它对电磁辐射具有屏蔽作用，但是机箱上的许多通风散热孔、导线引出孔、铆接缝都会渗入电磁波，或者泄出电磁波，这些电磁辐射在附近的导线上感应电流造成干扰；

（3）感应耦合：信号线间共模和差模感应耦合；

（4）公共地阻抗耦合：不同子系统之间传递信号需要一个公共基准点，流入公共阻抗的电流将会把干扰耦合到其它电路中，不良的接地方式是引起公共阻抗耦合的主要原因。

4 复合材料无人机系统电磁干扰抑制优化设计

4.1 电源电路的优化设计

电源是无人机机载设备电磁干扰（EMI）麻烦的制造者，也是受害者。电源电路的选择与设计直接关系到设备的EMC指标，甚至关系到设备能否正常工作。而在所有电源干扰（如快速瞬变脉冲群干扰、电源瞬时跌落等）中，尤其以快速脉冲群干扰最为严重。本系统在电源设计时采用滤波、隔离和吸收方法来抑制电源引入的干扰，如图2所示。机载设备电源由DC／DC变换器消除因公共电阻引起的耦合，经稳压电源、滤波器件滤掉高频信号干扰、扼流圈抑制共模干扰，瞬态抑制器件吸收尖峰干扰电压再提供机载电子设备［5-6］。

机载系统中电子设备的种类繁多，设备内部电路的供电需求各异，加上大电流与小电流电源进行分离，需要多个电源进行供电。比如，在舵机动作的瞬间需要大电流，设计中将自驾仪与伺服系统的电源分开，避免对自驾仪工作带来干扰。另外，由于复合材料自身导电性能较差，无法将其作为机载供电电源的负母线，需要将单线制供电方式设计为双线制供电方式。

4.2 系统间接口电路的优化设计

无人机机载系统的核心为自驾仪系统，它需要和外部的多个子系统相互接口，为了提高系统的抗干扰能力，在与舵机的接口中选用RS485总线，在其引线上加装RF滤波器，以使伺服机稳定可靠地工作。同时，为了提高飞机的抗干扰能力，在飞机水平尾翼采用了双舵面冗余设计，即在每侧水平尾翼做成两个舵面，采用两个舵机进行控制。在与GPS接收机的RS232接口上引入吸收和滤波器件。

4.3 机载电子系统的布局及布线

机载电子设备的安装布局要考虑工艺要求和EMC设计两方面的因素。其中，考虑到发动机点火时瞬间产生火花以及工作时产生的振动，本设计中，将敏感设备比如自驾仪、超声波高度计远离发动机，并避免与大功率无线收发机靠近。同时，结合各个部件自身的特点，对以下几方面进行了优化处理。

GPS天线安装位置对GPS的工作效果有影响，为了获得最佳工作性能，按照以下规则安装GPS天线。

（1）安装一个金属地板。安装地板将改善信号接收和GPS性能，通过实验验证可使用10 cm×10 cm的铜皮。

（2）避免遮挡。GPS信号比较弱，所以小的遮挡都会降低信号。

（3）离开发动机安装。天线安装离发动机太近将增大震动，且易受燃料的污染。

（4）避免射频干扰。GPS信号易受其它设备的射频干扰，如无线调制／解调器、无线视频发射机等。

（5）GPS电缆不要来回折叠捆扎，会影响GPS信号，打大弯捆扎成圆较好。

空速管连接器用一个普通的内径为5 mm的铜管。使用时，在机翼下方安装一个直径3～5 mm的黄铜管，要尽量远离机翼，不要受螺旋桨气流影响。

确认电缆的长度不引起问题，如果电缆引起了太大的压降，导致伺服电机在任何位置上的抖动，应改成截面积更大的电缆。如果电缆的长度符合了射频波长的四分之一或二分之一长度且射频足够强，电缆就成了有效的接收天线。

4.4 机载电子系统的屏蔽及静电抑制

屏蔽装置可使电磁波产生吸收损耗和反射损耗，电磁屏蔽方法切断干扰传输途径，尤其对空间干扰可以起到较好的效果。

电磁屏蔽有两种作用：一种是屏蔽干扰源对外产生干扰，另一种是屏蔽外来的干扰。为了获得良好的屏蔽效能，对自动驾驶仪采取了屏蔽措施，阻止外界的电磁波对自动驾驶仪造成不良影响。用铜箔包裹自动驾驶仪或者镍喷涂，使得屏蔽改善；或者把自动驾驶仪装入铝盒也会有帮助；或者在自动驾驶仪的处理器部分加装铜皮，可以焊接到接地端，这可以增加对RF干扰的抑制。

静电放电器用来泄放飞机上积累的电荷，避免产生过分的无线电噪声。考虑到飞机上静电荷最集中的地方是在机翼尖端部分的后缘。将高阻静电放电器安装在复合材料静电荷累积的地方，与基本结构中的预埋金属件进行搭接，使得采用碳纤维复合材料蒙皮上沉积的电荷以较快的速率到达放电点，从而防止了大量的电荷堆积和电势的增加。实践表明，系统屏蔽以及较粗接地导线可提高设备的抗干扰能力。

4.5 电搭接措施

搭接的目的在于为飞机各结构件以及结构件、设备、附件与基本结构之间提供稳定的低阻抗通路，防止它们之间产生电磁干扰，提供电源电流返回通路，也是静电保护、雷电防护以及保证天线性能的必要措施。

由于是复合材料无人机，所以，机身的导电性能较差，无法像金属材料飞机一样将蒙皮作为搭接面，因此，对于复合材料无人机结构件上必须设计有一条金属组成的主电流回路，供装在复合材料上的设备搭接用。飞机蒙皮装配后使蒙皮成为均匀的低阻抗通路，从而具有防射频干扰的功能。构成蒙皮的所有构件，包括复合材料蒙皮与相邻的金属蒙皮之间均应实现射频搭接。飞机上任何设备均应牢固地搭接到基本结构上，以防止飞行中与气流摩擦而产生静电积累［7］。本设计中通过在飞机蒙皮内部埋入金属件以及表面喷涂的方式使其构成搭接回路。

4.6 数据通信链路天线反射板的设计

设计的复合材料无人机航电系统的链路天线采用单极子鞭形天线，工作频率2.4 GHz，工作波长0.125m，覆盖角度主要是飞机下方的圆锥形区域。为了获得较好的天线辐射性能，利用Ansoft HFSS电磁仿真软件对该天线进行建模、仿真、优化，得到在不同尺寸金属反射板的情况下的天线辐射性能。天线的辐射性能主要有天线工作带宽（回波损耗要求）、辐射方向图以及增益等。本仿真采用铜材料单极子鞭状天线阵子，反射板选用矩形对比分析，天线阵子长度约30mm，经仿真实验得出，反射板选用矩形为150mm×150mm×2mm尺寸时天线辐射效果很好，回波损耗-10 dB效果很好。实际中天线馈线处信号传导良好，基本没有反射。仿真结果如图3和图4所示。

5 结论

本文结合复合材料无人机系统的设计，对无人机系统的电磁兼容设计和天线反射板的设计等技术问题进行了研究。实践表明，复合材料无人机系统设计中应充分注重各子系统的布局、布线、地线敷设、屏蔽和静电防护抗干扰措施等方面工作，才能获得系统性能的优化。本文研究的复合材料无人机系统的EMC设计，对于复合材料在无人机中的安全应用以及提高复合材料无人机电磁兼容性能具有一定的意义和参考价值。

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WAN Bo，LIU Shang-he，HU Xiao-feng，et al.Monte Carlo Simulation of Corona Discharge in Air［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（4）：111-114.（in Chinese）

［5］曹广平.航天电子设备二次电源输入保护电路设计［J］.电讯技术，2011，51（5）：114-118.

CAOGuang-ping.Design of Secondary Power Input Protection Circuit for Aerospace Electronics Equipment［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（5）：114-118.（in Chinese）

［6］王尔申，胡青，张淑芳.基于GPRS和GPS船载终端系统的电磁兼容设计［J］.仪器仪表学报，2008，29（3）：524-529.

WANG Er-shen，HUQing，ZHANG Shu-fang.Electromagnetic compatibility design of terminal system for ship based on GPRSand GPS［J］.Journal of Scientific Instrument，2008，29（3）：524-529.（in Chinese）

［7］HB 7695-2001，军用飞机复合材料电搭接技术要求［S］. HB 7695-2001，Technical specifications formilitary aircraft compositematerials bonding［S］.（in Chinese）

WANG Er-shen was born in Liaoyang，Liaoning Province，in 1980.He is now an associate professor with the Ph.D.degree.His research concerns GPSsignal processing.

Email：wes2016＠126.com

张淑芳（1955—），女，辽宁大连人，教授，主要从事全球定位系统理论与应用等领域的研究；

ZHANG Shu-fang was born in Dalian，Liaoning Province，in 1955.She is now a professor.Her research concerns GPS theory and applications.

雷虹（1965—），女，辽宁沈阳人，研究员，主要从事电磁兼容研究。

LEIHong was born in Shenyang，Liaoning Province，in 1965. She is now a researcher.Her research concerns EMC.

Electromagnetic Compatibility Design of a Composite Materials UAV

WANGEr-shen1，ZHANGShu-fang2，LEIHong3，ZHANG Lei4
（1.School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.Information Science and Technology College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China；3.Electromagnetic Environment Effect Top Laboratory of Aviation Industry，Shenyang 110035，China；4.General Aviation Laboratory，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

EMC（Electromagnetic Compatibility）reliability design of a compositematerialUAV（Unmanned Aerial Vehicle）is researched.The factors causing electromagnetic interference（EMI）and the transmissionmode of the interference are analysed.The system shielding technique and static-discharge protectionmethod are discussed. Themethod of compositematerial electricity bonding is given.Moreover，some problems affecting EMC performance of the system，such as layout and routing for some parts of the system are studied.The size of data-link antenna reflected board is simulated.Some simulation results are demonstrated.

UAV；compositematerial；electromagnetic compatibility（EMC）；electromagnetic interference（EMI）；electric bonding；electrostatic discharge

The National High-tech R＆D Program（863 Program）of China（2009AA12Z312）；The National Natural Science Foundation of China（No.61101161）；The Startup Foundation for Doctors of Liaoning Province（No.20101081）；The Startup Foundation for Doctors of Shenyang Aerospace University（10YB01）

TN973.3；V279

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.022

王尔申（1980—），男，辽宁辽阳人，博士，副教授，主要从事GPS接收机信号处理方面的研究；

1001-893X（2011）11-0107-05

2011-07-11；

2011-09-28

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2009AA12Z312）；国家自然科学基金资助项目（61101161）；辽宁省博士启动基金资助项目（20101081）；沈阳航空航天大学博士启动基金项目（10YB01）