机载直流电源系统对无线电设备的电磁干扰研究

2014-04-14赵子华

火控雷达技术 2014年4期

胡强赵子华李斌

(1.海军装备研究院航空装备论证研究所上海 200436;2.北京航空航天大学北京 100191;3.海军驻贵阳军事代表室贵州安顺 510018)

0 引言

机载直流电源系统为全机系统及设备供电，但其中的直流控制和调压器件等会产生非常复杂的电磁发射，同时由于机载无线电设备中均是用频设备，如罗盘、电台等使用频段从几百kHz 至几百MHz，而这些频段正是电源系统可能发射出来的电磁干扰频段，因此非常容易造成电磁不兼容的现象。

本文以机载直流电源系统中的发电机控制盒为研究对象，分析了发电机控制盒与直流发电机之间的调压线路所形成的电磁发射造成无线电罗盘定向失效的机理，并提出了利用传输线理论和减小环路面积的方式消除干扰的方法，最后通过实际的试验验证，使得二者之间电磁兼容性得以满足［1-2］。

1 问题提出

机载直流电源系统中发电机控制盒通过调压线连接直流发电机励磁线圈，由于机上负载的变化使得发电机输出电压随之变化，发电机控制盒采集的敏感电压与稳压电源输出值相比较，通过放大电路后再输出给直流发电机，形成负反馈闭环调节系统，通过输出电流的变化达到调压的目的。图1 给出了发电机控制盒调节机上电压的原理图。发电机控制盒调节频率约为1200Hz，因此其高次谐波在几百kHz 频率范围内会对无线电罗盘造成电磁干扰。

图1 发电机控制盒调节原理简图

2 直流电源系统辐射发射原理

飞机直流电源系统调压采用的是负反馈的闭环调节系统。发控盒内运算放大器N1-2(-)端感受的为敏感线路采集点的电压，N1-3(+)为基准电压。当N1-2(-)端点位小于N1-3(+)时，运算放大器N1 输出高电位，N1-2(-)端电位大于N1-3(+)时，输出低电位。运算放大器N1 输出脉冲经三极管整形放大和功率放大后输入到发电机并激绕组中。由于发电机的并激绕组具有电感性质，所以加载并激绕组上的脉冲电压可以在并激绕组中行成脉动很小的平滑电流。脉冲越宽，则并激绕组中的电流值也越大。发电机电压变化，致使运算放大器N1 的输出脉宽也随之变化，因而使发电机并激绕组中的电流也随之变化，从而达到电压调节的目的。因此，只要敏感线路采集点电压高于或者低于基准电压(28.5V)，发控盒都能将其调节到基准电压附近(28.5 ±0.75V)。通过发控盒上设置的调整点调节旋钮来调节发控盒中的电位器R0(图1)，使输出电压整定在28.5 ～28.6V。

在上述直流电源系统的调压原理中可以得到在其发控盒与发电机之间的调压线承载着该调压脉冲信号，图2 和图3 给出在占空比分别为20%、50%、80%时，该调压信号的时域和频域波形。

图2 脉冲信号不同占空比下时域波形

图3 脉冲信号不同占空比下频域波形

此时该调压信号的频率是在1200Hz 附近变化的，其变化原因与飞机发动机转速相关，转速越高，调压频率越高。因此结合其占空比从0% ～100%变化的情况可知，在发控盒工作范围内，为了保证机上的直流电压稳定在28.5 ±0.75V，发动机转速以及机上负载的变化会使该脉冲信号形成非常宽的频谱干扰，通过实际测量，其高次谐波最高可达10MHz。而且由于上述的变化过程非常快，导致形成的干扰频谱已经不是单一基波的各次谐波，而是在整个频谱范围内形成噪声干扰。

3 无线电罗盘受扰情况分析

一般机载电子设备中工作在1k ～10MHz 的主要有无线电罗盘和短波电台，本文主要以无线电罗盘作为敏感设备进行分析。

无线电罗盘一般由接收机、环匹配器、环形天线、垂直天线、放大器、控制盒、转换按钮盒、控制盒转换器、滤波器以及指示器等组成。直流电源发控盒输出的调压信号形成的高次谐波有三种可能造成无线电罗盘系统受扰:a.通过机体地线传导至罗盘接收机;b.通过线间耦合到罗盘系统中的互联线缆;c.通过线缆辐射被罗盘天线系统所拾取［3］。

正常地面导航台站提供给无线电罗盘的信号样式为150k ～1750kHz 单频并具有1kHz，30%占空比的调幅波，通常在其定向功能时厂家给出的指标为在飞机高度为5000m，定向距离为250km，飞机高度为10000m，定向距离为350km。该数值的给出主要源于飞机在该高度时，飞机与地球切线的距离。考虑到无线电罗盘接收机的灵敏度(-90dBm)与信噪比要求(6dB)可知，当在最远距离情况下，导航信号在飞机位置的强度应高于接收机噪底6dB，才能保持稳定定向。因此需要保证飞机自身在上述频段的辐射发射不能超过-90dBm。由于这种干扰是一直伴随飞机的，并且其干扰信号幅度不随飞机高度位置变化而变化，因此一旦干扰信号超过罗盘灵敏度将直接影响的是作用距离。真实情况中当干扰出现时飞机在几十公里就已经无法完成定向［4］。

图4 发电机控制盒与发电机互连关系

因此，如果出现干扰无线电罗盘导航台信号的电磁波时，除了其频率应在无线电罗盘范围内，其信号幅度也应达到或者超过此时罗盘接收机接收到的正常导航台信号的强度。通常情况下不同的信号幅度使得罗盘指针指示出现不同的现象。

当出现指针乱摆，无固定指向时，说明此时的干扰信号在频率上与正常导航台信号不固定重合;当指针乱摆，有固定指向范围时，说明此时干扰信号与正常导航台信号之间存在方位上的共同点，信号幅度基本一致;当出现指针固定方向，但为错误方位时，说明干扰信号的出现使得正常导航台信号不满足信噪比要求，如6dB;当出现指针水平指向，说明此时干扰信号的幅度已经超过了正常导航台信号，而干扰信号又不载有方位信息，因此造成接收机判断无导航台信号，形成方位锁定［5］。

4 干扰机理分析

发电机控制盒与直流发电机之间的互连线缆产生差模辐射是造成上述干扰的原因。差模辐射通常可以模拟为一个环形天线。对于一个面积为A的环路，载有电流Idm，在远场中距离为r 处，自由空间中测得的电场E的幅度等于:

其中E单位为V/m，f的单位是Hz，A的单位是m2，Idm的单位是A，r的单位是m，θ 是观察点与环路平面垂线间的夹角。

由于互连线缆形成的环周长小于四分之一个波长，因此可以认为环中电流的相位处处相等。自由空间的一个环天线方向图是一个圆环体(面包圈状)，这种形状的最大辐射为环的边缘且在环平面上，零辐射出现在环平面的法线方向上。由于直流电源系统中的发电机控制盒与直流发电机的互连线缆形成的环由7 根线缆共同组成，其位置关系导致其线长超过10m，因此根据其环周长与波长之间的关系，对7 根线缆形成的环进行推断，虽然式(1)是由圆环推导而来的，但因为环辐射的幅度和方向图与环的形状无关，而只依赖于环的面积，所以可以应用于任何平面环。也就是说无论环的形状如何，所有相同面积的辐射是相同的。因此对于7 根互连线缆来说其敷设形式可以变化，但只要其面积确定，其辐射量就确定了。式(1)中第一项是描述媒质特性的常数，该式为自由空间;第二项定义了辐射源的特性，即此环路;第三项表示场从源传播出来的延迟;最后一项描述了测量点相对于环平面垂线的角度方向。

式(1)是对于一个环位于自由空间，周围没有任何反射体，然而真实情况中线缆的互连形成的环首先位于机舱内部，其测量或者说辐射量值就受到了周围设备的影响，如在地面测量就已经不是自由空间，最多可以作为开阔场考虑。大地提供了一个必须考虑的反射面。反射面可以增大测量的发射6dB 之多，考虑到这个反射，需要乘以系数2。修正地面反射，并在距离环平面r 处进行观察(θ=90°)此时可以将式(1)改为

式(2)表明辐射与电流I、环面积A和频率f的平方成正比，对于此时该环与无线电罗盘天线的位置关系，我们定义处此时3m 为测量距离，式可以改写为

因此，差模(环路)辐射可以用下列方式进行控制:

减小电流幅度;

减小频率或电流的谐波成分;

减小环路面积。

对于一个不用于正弦波的其他波形，电流波形的傅里叶级数必须带入式(3)前被确定。

对称方波，一般真实电路中为梯形波，因为上升和下降时间是有限的。第n 次谐波电流由式(4)给出:

其中I是方波的幅度，tr是上升时间，d是占空比t0/T，T是周期，n是1 到无穷大的整数。由于方程中其余的量是无量纲的，所以In的单位与I所用单位相同。式(4)中假设上升时间等于下降时间。

图5 方波参数设定

结合飞机直流电源系统发电机控制盒给直流发电机的调压线，即图4 中2 孔线缆输出的1200Hz 方波，平均电流大小是由其方波的占空比决定的，因此减小电流就只能通过改变占空比的方式进行，而这样势必造成输出平均电流降低导致直流发电机获得的励磁电流过小，从而使发电机输出电压偏低，因此减小电流幅度的方式不适用;其次，减小频率的方式可以通过改变发电机控制盒内部器件或者改变其敏感线位置的方式进行改变，更换之后的方波频率可以降低为120Hz 左右，频率降低了10 倍，其高次谐波分量幅度也有较为明显的降低，对无线电罗盘的干扰信号幅度降低约20dB 左右，但同时造成调压电流偏低，调压速率下降，会使飞机直流电源供电出现大范围波动，因此减小频率的方式也不适用，关于电流的谐波分量问题由于其励磁电流机理是用方波的占空比调节来控制输出电流，因此不能改变其方波的本质，按照其傅里叶变换到频域就出现了高次谐波，无法避免，因此单独控制谐波也不适用;而减小环路面积的方式可以通过对发电机控制盒与直流发电机的互连线缆的具体位置关系进行有效约束，从而尽量减小环路面积来控制其对外辐射发射。

由方波给出的基波电流及占空比可以获得此时关注的谐波频段电流大小，将该值代入到式(1)可以得到其在一定距离下产生的电场强度。结合无线电罗盘天线参数和接收机灵敏度就可以估计原状态下环路面积大小，以及需要降低的辐射发射量值，由于电流强度是无法控制的，或者说不能改变的，其大小由占空比来控制，因此要想达到预期的辐射幅度下降的裕度关键看此时环路面积减小的程度。

同时为了保证调压在正常范围内，还需要使发电机控制盒输出的调压信号工作在较高的频率范围，而这样反而会使高次谐波幅度上升。因此需要在较高的调压频率上采取方案来减小干扰程度。

并线与分线改变调压频率:

1、4 线在发控盒端短接为并线，4 号线直接连至发电机+端为分线。

并线导致4 号线敏感电压值偏低，理论计算值为1.9V，此时当主汇流条电压为28.5 时，发控盒接收到的敏感电压为26.6V，此时由于发控盒调压范围为28.5 ±0.75(占空比从0% ～100%)，已经超出了调压范围，因此调压占空比已经达到了100%，即发电机励磁电流一直处于上升，直到主汇流条电压提升到30.4 ±0.75，4 号线敏感电压进入28.5 ±0.75，占空比才降低到100%以下，此时励磁电流下降，但很快又需要抬升才能稳定输出。

由图5 可知，上面的波形为并线状态，下面的波形为分线状态。并线情况下导致平均电流过大，发电机励磁电流过大将导致直流发电机输出电压过高，从而使得全机用电不稳，当超过允许值后可能导致某些用电设备烧毁，因此通过改变为分线状态使得平均电流下降，同时调压频率也上升，使得电压波动的动态范围减小，电压更稳定。