机载数据传输系统的电磁防护

陈振威

摘 要：飞机数据链路的数据传输经常受到其它电子或电气设备干扰，易导致接收数据大量误码，并影响其机载成品正常工作，本文分析了机载数据系统可能出现的各种电磁干扰，并介绍了电磁防护的各种方法。

关键词：电磁兼容性；屏蔽保护；干扰抑制

1 引言

机载数据传输系统用于飞机与飞机、地面指挥台之间数据链数据的传输，数据系统成品分布在飞机各部分，数字技术快速发展，数据传输多样性分布式发展，需要的功率及发射和接收灵敏度提高，向着集成型化和模块化的设计方向，使得机载数据传输密集度愈来愈高，电路系统的电磁干扰环境的要求越来越高。在现代战争中电磁干扰对机载数据传输的干扰迫使我们必须加强对研究机载成品的电磁兼容防护措施，使得数据传输具有高度的畅通和可靠性。

电磁兼容性指电子设备在共同的电磁环境中能完成本身功能的共存状态，能达到成品本身正常工作又不产生干扰抑制。机载数据传输具有大功率发射及高灵敏度接收，所以对电磁干扰的敏感度要远大于其他电子设备。所以，机载数据传输的电磁兼容防护措施是保证成品正常工作的基础。本文主要对数据传输系统的收发电磁屏蔽防护方法进行分析研究。

2 数据传输系统的搭地设计

电磁干扰通过地线把无用信号送入数据系统内部，这个信号隐蔽性高不易被识别。地线的各种电流通过它回到各自的电路里，若接收机地线布置不当，电磁干扰通过地线容易引入，使得成品无法正常工作。

2.1 搭地保护方式

搭地的含义是为了电路或系统提供一个等电位点或面，为系统提供低阻抗回路，接收机数据系统地线设计基本原则是地线长度应小于最短波长的1/20。

措施如下：

机壳、屏蔽壳与地线应紧密的结合成一个整体，尽量降低它们之间的连接电阻和连接电感。

电路中最好采用大面积接地，印刷版地线也要加宽，用来减少地的分布电感量，降低它的特性阻抗。

接地应和退耦措施、电源布线等综合考虑，使电路中的交流分量就近接地，并能以最短的距离放回电路中。

合理布置地线，使所有地电流各走各的路，尽量互相不感应，少耦合，避免地电流构成闭环回路。

2.2 搭地形式及搭地方法

地的形式有三种形式，即模拟信号地、数字信号地和噪声地。接收机中的模拟电路和它们的电源等地线均为模拟信号地；数字电路和它们的电源等地线均为数字信号地；交流电源的变压器和交流电源线的屏蔽地均为噪声地。三者应严格区分，以减少由地线带来的干扰。

接地方法数据系统采取的搭地分为以下几种：

悬浮地指电子设备的地线与周围的地绝缘，以防机壳与地线上的串扰信号耦合干扰该设备。该设备的信号通过电缆与其他电路系统连结，通过电缆外导体与其它电路地线相连接，一般用于特殊的保护电路。单点搭地用多个数据提供公共参考点连接在一起。其特点不存在阻抗耦合和低频地环路的问题。多点接地（f>10MHz）电路多点接地时，各电路均有信号线相连，将容易构成地环路。地电压将叠加在有用信号上，产生干扰。抑制方法是切断地环路。使用多点接地时一般电路都以机壳为参考点因此应尽量减少接地电阻，接地电感。

在接收機系统设计，微波电路、中频模拟电路和高速数字电路一般采用大面积多点接地方式；而模块和模块之间及数字电路版一般为单点接地；重点保护电路例如基准晶振可考虑悬浮地。

某数据系统在某科研项目工作中，由于局部空间过小导致多个设备地线混乱，测试设备地线中的回路电流通过了机载电台的地线，从而引发了对机载电台的干扰。后经过改变地线位置及对多处地线的处理才解决问题。这说明地线的设计确实会对机载电台的工作产生一定影响。

3 数据系统屏蔽保护方法

屏蔽方法用来防止电磁干扰沿空间发送。适当加强屏蔽保护覆盖范围，加强屏蔽线的搭地可靠性可以减少数据传输信号的波动。

3.1 数据系统的屏蔽设计

在电磁兼容的设计中，屏蔽体设计是非常重要的。屏蔽是抑制一切无关信号的重要手段，一般可分三种类型：静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。空间任何两个带电物体均可产生静电场，其中一方电压的变化必定会引起另一方的变化，产生静电耦合。克服静电耦合最好的方法是利用金属板作静电屏蔽体，把受干扰的两个源用金属板做静电屏蔽体隔开。静电屏蔽板必须良好接地，否则不起屏蔽作用。

电流在导线中流动，其周围产生磁场，磁场通过互感来感应，尤其在3KHz以下的低频条件下，主要干扰影响是由磁场引起的。电磁屏蔽与电磁场的性质、变化频率、及辐射源和受感器之间的距离等有关。在接收机电路系统中，在10KHz以上的电路，一般选用铝为电磁屏蔽材料，制成的铝屏蔽盒，优良的铝屏蔽盒对300MHz信号屏蔽隔离可达100dB以上。同时，在接收机电路系统中，为了内部走线及取出放置电路方便，屏蔽盒一般有盖板，为了通风、散热等需要开孔和缝，这些使屏蔽体出现间断点，引起信号泄露，形成干扰，需要认真考虑，正确排列元件的位置，使缝和孔不要切断感应电流，必要时可将孔改用截止波导管，使孔辐射进一步削弱。

3.2 数据系统屏蔽保护方式

除了屏蔽设计以外，组装技术也很重要，尤其是对射频系统的组装，更应细心。

屏蔽设计注意事项，内部电路的屏蔽设计，应能防止电子线路自身的射频能量泄漏，同时，也防止外界电磁能量对它的影响。防止电路级与级之间不必要的反馈和耦合。必要时可加吸收材料，吸收反馈能量。对电源加滤波去耦措施，衰减抑制射频信号在电子组合内部和电子组合之间传导。射频接地电阻接地电感越小越好。

屏蔽保护盒设计，当数据传输衰减要求较高时，用组装盒结构形式较好，它可做成单隔离室形式，也可以设计成多个隔离室形式，即一个屏蔽盒，内分几个隔离室。这样的组装盒对静电场和电磁场均有较好的隔离。制造组装盒的材料最好选用铝，它既便宜又轻，对机载电台的电路系统，隔离效果也好。在装配这些屏蔽体时，常遇到长缝泄漏，对此应采取必要措施，使长缝上能有许多触点。可用增加螺钉，加设弹性片和加衬导电衬垫等措施。这样做一定要注意防腐，尤其电化防腐蚀，否则不能长期保持满意的效果。

射频传输导线设计，解决射频导线的干扰，应合理选取传输信号的幅度，正确安排系统电缆走向，脉冲信号线、交流信号线相互不应绑在一起，尤其大幅度的脉冲信号，与高纯度的信号在传输时应严加区别。屏蔽设计是一项较为复杂的设计，首先需要熟悉所涉及的电路、磁路及电磁场等方面的知识，同时，还必须具备一定的电气结构及工艺设计方面的知识。

早期一些机载电台经常是在地面测试时性能非常好，而在机上验证就经常会受到干扰。其原因就是因为屏蔽性不过关。如今的机载电台基本上都应用了多项屏蔽技术，很少出现因为屏蔽不好的原因受到其他电子和电气设备的干扰。

4 数据传输系统的电磁兼容

4.1 数据传输系统的电源电磁兼容设计

在电磁兼容试验中，数据传输系统来自电源方面的干扰也会影响数据的传输。

电源外部进来的数据信号，它即可从交流供电线引入，也可以是电磁干扰方式进入；电源本身的噪音由于电源要给很多电路供电，这些电路的电流变化将在电源及馈线的内阻上产生电压降，这些电压降又随电源送到其他电路，引起相互干扰。

抑制方法如下：电源变压器的屏蔽措施

电源变压器屏蔽，初次级绕组之间要加静电屏蔽，减弱由初级交流电源中进来的干扰，整个变压器加磁屏蔽，抑制变压器磁场带来的干扰。所有这些屏蔽都应良好可靠接地。滤波退耦，每个电路系统和每块印刷电路都要在电源进入端接滤波去耦电路，在电路中每级电路和单元都要再接一级滤波去耦电路，滤波去耦电路通常有一只几十μF的 电解电容与一只零点几μF或几千PF的高频电容并联组成。

电源输入端除了加滤波退耦电路外，还可加一级有源滤波器。这样的有源滤波器可使有源纹波改善一个数量级；对电源噪声也有良好的抑制作用，但缺点是降低了电源电压。

选择合适电源线，电源的馈线线直径粗细合理，屏蔽保护紧密，使用双绞线屏蔽线。印制板上的馈电线条要足够宽，减小引线电感量，降低特性阻抗，削弱拣拾噪声干扰。电源线的走向应考虑先后秩序，不应形成闭环。电源线尽量短以免易受到干擾侵害。

4.2 数据传输系统的干扰和电磁防护措施

数据传输干扰可分为两种。一种是数据传输系统线外，当信号电压和电流加到传输线上时，导线周围形成电场。解决方法主要靠结构安排，布线合理，加屏蔽等措施来克服。第二种是数据传输系统线中，当信号在传输线中传输时，有延迟、反射和辐射等，尤其是反射，它将串入其它电路形成反射干扰。解决方法主要是匹配和隔离。

电磁屏蔽与结构设计和布线安排密切相关，不仅对干扰源进行电磁屏蔽，对敏感源和重要组合也要进行屏蔽。屏蔽时应根据具体情况重点实行磁屏蔽和电屏蔽。不论那一种屏蔽都应注意应良好的单接地。对最敏感的重要电路，如晶振需要加减震屏蔽措施。对较敏感电路及干扰源等可加适当屏蔽措施，例如低噪声高增益放大器、设置在高频组合中的直流放大电路及鉴相器等都应加屏蔽盒。对大功率大电流及高稳定信号馈线合理屏蔽，同样要特别注意屏蔽线的接地合理性，降低干扰。在结构上干扰源不应靠近敏感电路。合理布线，交直流分开走分别扎线。

组合内部走线措施由于电磁感应使组合内导线与导线之间都存在相互感应问题，形成信号串扰，所以要求信号线相互距离要尽量远一些，走线不要平行，导线不应太细并尽量短，尽可能靠近地线传输。长线应使用同轴电缆，减少捡拾其他干扰信号。信号传输的入口到出口方向排成一字形，避免迂回。对数字集成电路，都是一种电压较低电流较大的低阻器件，所以受电场引起的干扰较小，而受磁场影响较为显著。传输信号与线间有磁场耦合，即线间存在寄生互感。减小互感就是抑制串扰的主要措施。对于匹配与隔离措施，传输高频信号时，信号线往往按长线对待，因而不匹配引起的反射干扰应特别重视，抑制反射的主要措施就是匹配和隔离。一般电路各级之间应有匹配网络或阻抗变换器等，输入和输出是50Ω，易与同轴电缆匹配。而对数字集成电路也应注意电路之间的隔离缓冲，防止反射脉冲影响正常工作状态。同时注意各级输出下拉和上拉电阻，且匹配电阻应接在接收端。双绞线的特征阻抗一般为120～200Ω，必要时也应接匹配电阻。

某数据传输系统在某通道发射时对飞机操纵系统有干扰。在飞行中数据传输系统使用此通道，飞机很可能会出现操纵失控。经验证数据传输系统的发射通道与操纵系统的控制通道相近，产生的互感引发操纵控制线路中电流发生了变化，产生干扰抑制。更改电缆走向和对电缆本身进行抗耦合处理使得问题得以解决。这个问题提示我们，数据传输系统电缆敷设及屏蔽保护必须适应飞机整体兼容性。

5 结束语

数据传输系统，要求低相噪屏蔽性电路，布局合理的电磁兼容设计，否则绝对达不到系统要求的预定指标。我国数据传输系统机上安装必须进行系统的结构设计，确保数据传输性能的实现。屏蔽保护设计和模块划分必须适应电磁兼容设计。数据传输的电磁兼容性设计需要安全合理的电路设计，还须由生产工艺和产品结构配合，共同完成合理的设计。不论是搭地线的设置，电缆分布走向安排，还是电子组合的屏蔽保护设计，数据系统电子组合的排列的放置位置，及各种材料的选择等都属于电子结构问题。而屏蔽层的加工制造，数据传输系统的装配等将直接影响屏蔽，辐射及传导效果，我们现有的技术很难处理的数据传输系统的电磁兼容问题，其中就包括信标机在数据传输系统发射时为避免受到干扰而采取闭锁的被动措施。

参考文献

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