机载导航设备的电磁兼容性分析与设计

吴 松，吴德伟

（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）

机载导航设备的电磁兼容性分析与设计

吴 松，吴德伟

（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）

在电磁环境影响机载导航设备对飞机引导的前提下，分析了机载导航设备工作的电磁环境，找出主要电磁干扰源及耦合途径，依据电磁兼容相关理论知识，针对不同干扰源提出了相应的电磁兼容设计方法。该方法对于其他电子设备与系统具备一定的参考价值。

机载导航设备；干扰；电磁兼容；屏蔽；接地

航空导航的支柱手段是无线电导航，因此航空导航设备多属于电子设备。随着航空电子技术的发展，机载导航系统大量采用计算机和微电子技术，系统可靠性提高的同时抗电磁干扰（EMI）能力随之变弱。现代飞机机载电子系统除导航系统外还包括通讯系统、自动飞行控制系统、发动机油门自动控制系统和发动机状态监控系统等［1］，受飞行器体积、质量要求的限制，这些电子系统工作在一个狭小拥挤的空间，彼此间的相互干扰尤为严重。这些干扰轻则削弱导航设备技术性能，影响功能发挥，严重的会破坏设备工作。因此机载导航设备的电磁兼容问题日益成为信息化工程技术关注的焦点。

1 机载导航设备的电磁环境分析

电磁干扰须具备3个要素：电磁干扰源、干扰耦合途径和敏感设备，如图1所示。

据此并遵循电磁兼容设计思路，首先对机载导航设备工作的电磁环境进行分析，找出主要电磁干扰源及其耦合途径。

1．1 干扰源

机载导航设备会受到来自外界和飞机上其它他电子设备的电磁干扰，其中机载电子设备的干扰尤为严重。这些干扰会干扰其正常工作，导致制导信息错误、丢失和虚假，直接威胁到航空安全。

1）机载干扰源 一般机载狭小空间内分布有发动机、稳压电源、开关、通讯设备、多种型号的继电器以及其他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，继电器、电刷开关动作和发动机瞬间点火产生的电磁干扰，飞机电源开关在进行高低电位转换时产生的干扰，电路中出现的各种瞬变电压，电网地线的噪声，经过传导、辐射与感应，都可能成为电磁干扰源，影响机载导航设备的正常工作。

2）自然干扰源 自然干扰源主要指由自然现象引起的电磁干扰。在大多数情况下，这些电磁干扰所产生的影响可以忽略。但是，雷电可以在不到1μs的时间里产生超过10 k A的强大电流［1］，且雷电电流变化率高达105 A／μs，通过静电感应或电磁感应所产生的瞬间电磁脉冲易引起机载导航设备产生失效性故障［2］。

1．2 干扰耦合途径

1）传导干扰耦合 传导干扰耦合主要通过设备内部各种传输线产生，主要有两种：公共地线导致的干扰，即各设备和设备分机电流在流过地线阻抗时产生压降，造成各设备、各设备分机对地电压的互相影响；另一种是电源线的串扰，供电线连接着导航设备及其它各类电气、电子设备，这些设备在启动、关闭或工作状态转换时都会产生某种干扰，这些干扰又通过传输线的直接传播影响导航设备。

图1 电磁干扰三要素

2）辐射干扰耦合 辐射干扰耦合主要以电磁场的形式将电磁能量从干扰源经空间传输到机载导航设备。由于飞机内部机载空间十分狭窄、设备之间距离较近，易产生辐射干扰。如电子战设备要对敌方雷达信号实施干扰，破坏雷达的正常工作，设备本身就是一个强大的干扰源，将会对本机导航设备产生干扰。

2 电磁兼容分析设计

基于上述分析，机载导航设备的电磁兼容设计不容忽视。国军标（GJB 72A—2002）给出的电磁兼容的定义是：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［3］。包括以下2个方面：1）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现正常的工作性能且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；2）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰。

针对上述干扰源及其耦合途径，在机载导航设备电磁兼容设计中，为达到电磁兼容设计预期目标，对数字集成电路、印制板、屏蔽、接地、电源及外来干扰的滤波与隔离、抗雷击能力等进行了周密设计。

2．1 数字集成电路设计

数字集成电路工作时常有输出电位不停地在高低电位之间变换，变换过程中会有变化的电流从所接电源流入门电路或从电路流入地线，使电源线或地线上电流产生不平衡而导致ΔI噪声电流，当噪声电流通过电源线或地线的阻抗时，会产生ΔI噪声电压，容易引起电路误动作。因此，为了减小ΔI噪声电压采用了如下设计。

1）本地去耦，即在靠近每个数字电路器件处增加0．01μF的去耦电容，并联在器件的电源和地线管脚之间。

2）为了补偿印制板与母板之间或印制板与外接电源之间的ΔI噪声，在与印制板外接电源线和地线靠近处，增加了大于本地去耦电容5～10倍的整体去耦电容。

2．2 印制板设计

PCB印制线中未被耦合到返回结构的残余RF电流所产生的RF能量则是PCB中引起电磁干扰的主要原因［4］。

机载导航设备在印制板设计过程中，合理分布地线和电源线，在允许情况下尽可能加宽导线，增加地线宽度，加大地线面积；在系统布局时将同步工作部件放在同一块插件板上，同频率、同电流的信号排在一起；连线关系密切的元器件尽量放在一起，导线尽可能取最短路径，拐角为45°；所有平行信号线之间要尽量留有较大的间隔，以减少串扰；信号较强的走线或地线应尽可能地避免走线宽突变的布线结构；同时，对于地线的设计分别按地线闭合、地线与电源线尽量靠近、多层板的地线层和电源层要相邻、电源线与信号线走向一致等要求设计。

2．3 屏 蔽

屏蔽的最大好处是未对电路做任何修改。然而对于不同性质的干扰源需“对症下药”，采取恰当的屏蔽方式，才能收到满意的效果，否则会弄巧成拙。

2．3．1 电场屏蔽

当干扰源产生的干扰以电压形式出现时，有效措施是采取电场屏蔽方式。由理论分析可知，用金属壳体将干扰源或电子设备屏蔽起来，屏蔽壳体良好接地，接地电阻小于2 mΩ，可显著消除干扰，且干扰频率越高，屏蔽效果越明显［5］。

2．3．2 磁场屏蔽

当干扰源以电流形式出现时，有效措施是采取磁场屏蔽方式。干扰源的频率不同，采取的磁场屏蔽方式亦不同。

1）低频磁场屏蔽

低频（100 k Hz以下）磁场的屏蔽主要是利用高导磁材料（例如铁、硅钢片、坡莫合金等）的低磁阻特性，

对干扰磁场进行分流而使其尽量不扩散到外部空间，如图2所示。

图2 高导磁率材料提供磁旁路，起到屏蔽作用

式（1）中：Hi为屏蔽体内的磁场强度；H0为屏蔽体外的磁场强度；Rs为屏蔽体的磁阻；R0为空气的磁阻。此时，屏蔽效能为

对于高导磁率屏蔽材料，Rs≪R0，因此屏蔽效能为

由式（3）可知，屏蔽体的磁阻越小，屏蔽效能就越好。

2）高频磁场屏蔽

高频（100 k Hz以上）磁场的屏蔽采用低电阻率的良导体材料

（例如铜、铝等），利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面所产生的涡流的反磁场来达到目的。由于高频集肤效应，在设计高频屏蔽壳体时，只需保证一定的机械强度即可。

上述分析为选取合适的屏蔽材料提供了基本依据。在实际机载导航设备的屏蔽设计中，采用机箱对电路进行屏蔽，机箱的外壳采用导电阳极化工艺，使其可充分接地，机箱内部设立屏蔽舱，将产生强干扰的电路和其他部分隔开；对一些高频电路和敏感度高的电路进行二次屏蔽，即首先将其安装在金属盒子里，然后装入机箱内；交流线和信号线选择屏蔽线，尽可能用防波套将屏蔽导线套住，屏蔽导线两头的屏蔽层与外防波套连接，保证与地良好接触；屏蔽线焊接时不宜剥得过长，一般距焊点10 mm即可，以保证良好的屏蔽效果。

然而屏蔽效能的高低并不仅取决于屏蔽材料，还取决于屏蔽结构。理想屏蔽体应该是无缝的密闭壳体，但实际的屏蔽体由于装配、维修、散热、通风等需要及不同部分相互结合，一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝。理论及实践证明，孔缝泄漏是影响实际屏蔽体屏蔽效能的最关键因素［6－7］。

孔缝对屏蔽效能的影响主要集中在两个方面：孔缝面积和孔缝数量。理论分析可得，孔缝造成的屏蔽体屏蔽效能的下降高达10～20 dB［7］。因此，在电磁兼容设计过程中，在满足散热、通风等必需条件下，应使屏蔽体的孔缝面积达到最小；对于金属机箱或屏蔽体，采用多个小孔代替大孔；对于缝隙，加装导电衬垫以减小缝隙长度和缝隙数量；对于高性能屏蔽门，可采用加装多层导电衬垫；采取提高结合面的加工精度或在接缝处涂导电材料等方法也可有效防止因屏蔽体不完整而引起的电磁泄漏，提高屏蔽效能。

2．4 接地设计

由于飞机是封闭、运动的系统，机载导航设备的地实指飞机的某部分金属结构，将其作为电路的公共电位参考点。接地是保证系统或设备电磁兼容性的重要技术措施之一，其主要目的是：使整个电路系统中所有的单元电路都有一个公共的参考零电位，提高了机载导航设备电路系统工作的稳定性；防止外界电磁场的干扰；泄放静电感应的电荷，为设备和操作人员提供安全保障。同屏蔽一样，针对机载导航设备内部不同性质的工作电路及器件需采取恰当的接地方式，才能消除干扰。

2．4．1 接地方式及设计技术

接地方式主要有4种：浮点接地、单点接地（包括串联和并联单点接地）、多点接地及混合接地。其中，浮点接地容易出现静电积累，会成为破坏性很强的干扰源，电路中使用较少；使用较多的是单点接地和多点接地。

机载导航设备主要采取以下接地设计技术：由于串联单点接地易出现公共地阻抗干扰，低频电路宜采用并联单点接地，如图3所示；高频电路宜采用多点接地，地线应短而粗，如图4所示；数字和模拟电路的混合电路中，宜采用多点接地；在有高压和低压的电路中，须将高、低压分开，交、直流电源地分开；在有高频电路和低频电路的混合电路中，宜采用混合接地方式，将那些只需高频接地的点，利用旁路电容和接地平面连接起来，这样对于低频信号，电路是单点接地，而对于高频信号是多点接地。

2．4．2 对接地电阻的要求

一个接地系统的有效性，取决于减少接地系统的电位差和地电流的程度。其中的关键因素是接地电阻。理想情况下电路或器件接地后电位都应为零，然而，实际上总是不为零。如图3a）所示的串联接地方式中，由于电流以及地线电阻的存在，A，B，C，D点的电位不再是零，于是各个电路之间发生相互干扰。因此，接

图3 单点接地

2．5 滤波与隔离

2．5．1滤波

滤波设计技术用来减弱信号回路中的干扰频谱，是解决机载导航设备电源干扰的一种有效措施。机载导航设备电源入口处一般均存在波纹干扰，外部输入信号经过电缆接头进入到机载导航设备内部也会带来一定的干扰。电磁兼容滤波器的作用是抑制来自内部电源及外部输入信号的各种强度的干扰，抑制设备本身的干扰向外传播。

2．5．2 隔离

隔离的目的是要切断信号之间的电气联系，通过其他耦合或感应方式传递信号。机载导航设备采用了以下隔离措施［8］。

1）光电隔离 输入发动机信号采用光电隔离后，再通过施密特电路进行整形。

2）继电器隔离 对输出的较大电流的信号通过继电器隔离。

3）门电路隔离 对一些输入输出的TTL电平信号，采用门电路隔离，从而保护内部电路。

2．6 抗雷击能力设计

针对雷电危害持续时间短、瞬时能量高的特性，主要采取以下措施：采用多点接地的屏蔽措施及雷电滤波，并使各个通路的走线不平行，以防止几个通道同时被破坏的局面；采用电涌保护器（SPD）使瞬时过电压限制在导航设备所能承受的电压范围内，或将强大的雷电电流泄流入地，保护设备不受冲击而损坏。

3 结束语

图4 多点接地

机载导航设备的电磁兼容是十分复杂的问题，造成电磁干扰的原因也非常复杂，要求工程技术人员全面掌握电磁兼容技术，对周围电磁环境有全面的了解；从元器件选用到系统设计，从样机试验到出厂验收测试以及加装过程实施均采取有力的电磁兼容性管理措施［9］，处理好环境内外的电磁兼容问题，消除隐患，保障飞行安全。

［1］ 张思全，张建荣．飞机电子设备电磁兼容性分析［J］．电子质量，2004（11）：16－19．

［2］ 孟 莹．雷电间接效应对飞机机载设备的危害分析［A］．第二届中国航空学会青年科技论坛文集［C］．北京：航空工业出版社，2006．299－305．

［3］ 王天顺，雷 虹．飞机电磁兼容性分析［J］．飞机设计，2004（4）：39－44．

［4］ 潘宇倩，白东炜．电磁干扰的产生及PCB设计中的抑制方案［J］．航天器工程，2007（5）：125－129．

［5］ 刘昊明，刘正平．电磁屏蔽技术的分析研究［J］．微计算机信息，2005：156－157．

［6］ 邱 扬，王世萍．小孔矩形腔体屏蔽特性的研究［J］．通信学报，1994，15（5）：65－71．

［7］ 何 鸣，刘光斌，胡延安，等．孔缝对导弹电子设备机箱电磁屏蔽效能的影响［J］．宇航学报，2006，27（2）：262－267．

［8］ 胡永红．机载测控计算机的电磁兼容设计［J］．西北工业大学学报，2005，23（3）：281－285．

［9］ 郭 燕．飞机加载电子装备时的电磁兼容性分析［J］．火控雷达技术，2005（3）：86－89．

TP302．8

A

1008－1542（2011）12－0096－04

2011－06－20；责任编辑：张 军

吴 松（1986－），男，河北保定人，硕士研究生，主要从事军用无线电导航方面的研究。