无人机电磁干扰分析

▪ 飞机动力点火装置、机载测控发射设备、 具有大电流变化与断续触点的执行装置、 大电流逆变电源和开关电源、高频数字电 路以及具有类似电路结构和无线电发射的 任务载荷等；战场部署的各种人为电磁辐 射、雷电和静电、以及核爆或非核武器引 发的电磁脉冲等，都将可能是无人机所要 面临的干扰源。
▪ 在耦合途径中，天线间、场与线缆、线缆 间以及机体缝隙和口盖耦合将是最主要的 几种类型；对于敏感端口，除机载设备所 具有的数字、低频模拟以及电源端口外， 机载天线端口是最主要和最敏感的，它在 一定程度上能最大限度地反映出无人机对 战场电磁环境的适应能力。
接收电路终端感生电压的复矢量是两个个电路间互感 （电感耦合）和两个电路之间的电容(电容耦合)的作用 和。
对于低阻抗负载，电感耦合远大于电容耦合，反之则 反。
耦合的敏感性取决于导线的在电缆中的相对位置。
▪ 来自大气电的问题：尖端放电。雷电到达 飞机的表皮时，电流可达1000A。雷电在 飞机上有直接作用和非直接作用，直接作 用是直接的物理损害，非直接做依靠的是 电磁感应。
▪ 信号线的分组是必须进行的设计项目。通过信号 线分组，使可能发生的串扰最小。在设计电缆的 最初阶段，尽量的把信号线与回线靠近， 有可能 做到每对容易受干扰的低电平信号线都各自穿屏 蔽套， 尽量不要使这些信号线分散在电缆束中。 同时尽量减少可能互相干扰的导线的平行距离。
减少辐射干扰
▪ (1)控制电缆长度，在满足使用要求的前提下，使 用尽量短的电缆，但是当电缆的长度不能减小到 最高辐射频率波长的一半以下时， 减小电缆长度 没有明显效果：
▪ 无人机电磁环境效应涉及系统内和系统外 两大部分的研究内容，其中，系统内电磁 环境效应是分析和检验无人机自身的电磁 兼容性；系统外电磁环境效应则反映了无 人机对预期外部电磁环境的适应能力。
▪ 系统内部的干扰主要包括：不同电源电压 间的互扰、信号间的互扰、电源电压对信 号的干扰等；
▪ 系统外部的主要干扰有：发动机的高压点 火装置、机载二次电源、整机电缆网、遥 测遥控系统发射装置的辐射干扰、周围其 他电气设备的干扰以及电子对抗战的大功 率发射装备的辐射干扰等。
▪ 与有人机相比，无人机内部空间狭小、设 备安装拥挤且受飞机重心限制严重、加之 飞机多采用透波性能的复合材料，从而造 成在无人机系统内整体分析结构复杂，相 应的电磁效应研究十分困难。
▪ 外部电磁环境对无人机的影响与电磁干扰 特性、相互作用关系、飞机结构特点、飞 行任务或飞行航迹等诸因素有关。
▪ 耦合途径主要可概括为：直接通过机载天 线端口，造成机载无线电设备损坏、性能 下降或产生差错；透过飞机蒙皮、或经机 体缝隙、口盖等，与机载设备及电缆耦合， 进而对系统产生影响。
EMI滤波器
▪ 在实际工作中， 发现二次电源主要是高次 谐波倒灌电网而污染整个飞机的电网。 EMI滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有 效措施，可以滤除多种原因产生的传导干 扰。
共模干扰的有源抑制技术
▪ 共模干扰的有源抑制技术是一种从噪声源 采取措施抑制共模干扰的方法。基本思路 是设法从主回路中取出一个与导致EM I干 扰的主要开关电压波形完全反相的补偿 EMI噪声电压， 并用它去平衡原开关电压 的影响。实验研究结果表明对抑制共模 EMI电平产生了十分明显的效果。
▪ (2)在电缆上使用适当的共模扼流圈， 最简单的 方法是套一个铁氧体磁环；
▪ (3)布线路板时，使周期性信号远离I／O接口电路， 并将I／O接口电路部分的地线与线路板上的其他 地线隔离开， 仅在一点连接；
▪ (4)I／O接口电路部分的地线与金属机箱之 间做射频搭接：
▪ (5)对机箱内的I／o电缆(从线路板到连接器 的部分)进行屏蔽；
优化功率开关管的驱动电路设计
▪ 通过缓冲吸收电路，可以延缓功率开关器 件的导通／关断过程，从而降低开关电源 的EMI电平，但同时会因为附加的吸收电 路损耗，导致电源总效率的下降。另一种 降低开关电源的EMI电平的方法是选择合 适的驱动电路参数， 可以在维持电路性能 不变的同时降低EMI电平。从优化驱动电 路设计的角度改善开关电源的EMI性能， 是近年来发展的一个新方向。
▪ 由于雷电产生的电流在电路和飞机的机身 之间可以产生阻压降，钛合金的电阻是铝 的十倍，百倍，因此将来在应用这些材料 的飞机上电压可能是非常大的。
印制电路板元器件布局及布线
▪ 在印制板的通路尺寸远小于该频率的波长时， 辐 射干扰与电流通路中的电流大小、通路的环路面 积、电流频率的平方等三者的乘积成正比．即 E∝I s f 2。此式表明减小通路面积是减小辐射干 扰的关键，也就是说开关电源的元器件在布局时 要彼此紧密排列，走线尽可能简洁。下面简单介 绍几点设计原则：尽量增大线间距离，使耦合干 扰源与敏感电路间的互感尽可能地小；减小干扰 源和敏感电路的环路面积；尽量使干扰源与敏感 电路布线呈直角，以降低线路间耦合。
为大量离散的脉冲信号，这些脉冲信号持续时间只有几个 微秒，用频谱仪在 x HOLD方式下， 排除其它电波影响， 用飞机的遥控遥测频段测量的火花塞干扰的频谱特征， 尽量选用干扰频段与遥控遥测频段错开的发动机。
全机电缆
▪ 现代无人机系统的一个重要特点是在不很宽裕的 空间里布置很多电子设备， 这些设备通过一套全 机电缆相互连接。无论在做EMC试验还是在部件 试验中，往往会发现，当设备上没有电缆时，电 磁干扰问题要好得多。下文就此分析无人机系统 中电缆设计的注意事项。
系统分析模型
▪ 基于等效电磁端口的分析模型 ，通过将机 载设备简化为相应的等效电磁发射和接收 端口，可以使无人机电磁环境效应分析有 章可循，并把研究的重点转移到针对具体 对象确定与之相对应的端口耦合函数上。
▪ 从分析方法看，系统内电磁环境相对较为 稳定，可采用传统确定性信号分析方法 ，
而系统外电磁环境效应由于具有很强的随 机性特点，故而采用统计分析方法可以更 为客观地反映无人机的环境适应能力 。
▪ 为了让飞机可靠且令人满意的完成任务， 必须解决以下问题：
▪ 内部电磁干扰：航空设备不能干扰飞机上 的电气、电子系统。
▪ 外部电磁干扰：雷电，核磁脉冲
▪ 无人飞机所用材料：无人机机体常采用复合材 料．如碳化纤维和玻璃钢，和外界电磁环境不能 有效隔离。使其机载与任务设备完全暴露在外界 电磁波的照射之下。机裁天线安装位置极其有限， 飞机设计无法为各机载天线提供满意的空间和极 化隔离，也无法利用机身遮挡来满足要求。
由模型可知，第k个端口处耦合外部电磁信号功率可表示为
式中，Tik ( θ，r，ω ，t)为第i个辐射源信号到无人机飞 行剖面处的传输函数，WHk ( j ω)为外部电磁环境与无人 机第k个端口间的耦合函数，Powit为第i个辐射源输出功率， Git为第i个辐射源等效发射天线增益。 于是，第Ri个等效接收(敏感)端口所接受总电磁信号
▪ 在评估准则研究方面，依据无人机用途、 结构特点以及对预期电磁环境的认识或先 验知识的掌握程度，从确定性观点和统计 分析两个方面，探讨了与之相适应的评估 准则，以期使无人机电磁环境效应评估能 更为客观和完整。
▪ 电磁环境效应(简称 )是研究环境对设备、 系统以及平台的综合影响，分析系统对环 境的适应能力，它涉及了所有与之相关的 电磁现象，诸如电磁干扰、电磁敏感、电 磁脉冲、电子对抗、电磁危害以及雷电、 静电等影响。
辐射干扰
▪ 辐射干扰是指以电磁波形式传播的干扰。这 类干扰的能量是由干扰源辐射出来， 通过 介质(包括自由空间)以电磁波的特性和规律 传播的。是否构成辐射干扰， 应由构成辐 射干扰的三要素来考虑：辐射干扰源向外辐 射能量的特性，如方向性、极化、调制特性、 带宽等：辐射干扰传输通道， 即介质(包括 自由空间)对电磁波能量的损耗程度，辐射 干扰接收器的敏感度、方向性、极化、选择 性、带宽等。
▪ (6)使机箱内的I／O电缆(从线路板到连接器 的部分)长度尽量短；
▪ (7)使用共模低通滤波器， 最好是安装面板 上的形式(例如滤波连接器)；
无人机电磁环境效应评估及其准则研 究
▪ 基于模型和准则的计算法评价体系，克服 了传统试验方法对系统评价所存在的局限， 借助计算机辅助工程(CAE)所构造的“虚拟” 测试平台，利用飞机结构、任务飞行规划、 预期电磁环境、系统效应分析模型和评估 准则，可以比较优的费效比获取较高置信 度的电磁环境适应性评价。
▪ 现在用在飞机上的原料相对于过去来说对电磁环 境更加敏感。
▪ 随着技术的进步，飞机飞行越来越多的依靠电子 设备，因此EMC相关问题也应更加重视。
▪ EMC设计时飞机结构结合应比较完整。
良好的屏蔽特性，连接处的低阻抗。
▪ 电缆铺设和接地应仔细控制
▪ 线路之间的耦合问题：在两个或更多的电路之间通过 电磁场作用可以引起不需要的干扰问题，称之为串扰。
无人机电磁干扰分析
应用背景
▪ 现今的无人机不光仅是在军事上的运用， 它更为 广泛运用与诸如地面交通管制、海港监控、自然 资源遥感气象服务等民用方面。正因为无人机所 要执行的任务更加多样化， 故而原本简单的无人 机， 其自身也在不断的复杂化，它们不光带有必 要的诸如遥控、自动驾驶等电子设备， 还装备了 繁杂的电子任务设备， 其本身的设备密集程度越 来越大， 空间电磁环境日益恶化。这些设备之间 的电磁兼容问题迫切需要解决。本文就无人机特 点简单分析其重要的电磁干扰源和解决方案。
软开关技术
▪ 开关电源工作中产生很高的di /dt，dv／dt 是造成污染的重要原因，如实现开关在零 电压和零电流下进行转换，这就会很大程 度上抑制干扰。
活塞发动机
▪ 在决大多数无人机上， 我们使用的是活塞 发动机，而活塞式发动机的点火系统是很 大的一个干扰源。发动机点火系统是由点 火装置(磁电机)、高压线、火花塞3部分组 成，在整个点火系统中，电磁辐射干扰主 要是由次级高压点火电路产生。而且往往 它干扰飞机最为关键的遥控遥测设备。
二次电源
▪ 无人机二次电源主要是供给陀螺使用的 400Hz交流电，随着对飞机有效载荷的增 加， 早期飞机上我们用的线性的二次电源 已被体积小、重量轻、功耗小、效率高开 关电源取代。而开关电源是利用半导体的 开和关工作的， 其工作频率一般要达到 KHz 的级别， 在开关过程中产生很大的di ／dt,dv／dt。它们通过电源线以共模或差 模的方式向外传导，同时向空间进行辐射 干扰。
▪ 式中，H jRi(j ω )为第 j个耦合端口对第Ri 个 接收端口的传递函数，Wk(j ω)为无人机本 体等效电磁发射端口的发射功率，HkRi( j ω) 为本体第k个发射端口对第Ri 个接收端口的 传递函数。
▪ 随着新材料的使用和电磁环境的扩大，在 现代飞行器的设计中对电磁干扰应引起很 大的重视。
▪ 系统级电磁干扰:，各机载设备都满足电磁兼容指 标不一定就意味着整个无人机系统就能与其他系 统(例如地面雷达、测控车等)兼容工作.
▪ 无人机系统外部电磁环境可分为两大类：自然电 磁环境和人为电磁环境.
降水引起 的静态噪 声
自然电磁干扰源分类
大气放电 中近距离雷 太阳系噪
噪声
电
声
宇宙无线 噪声
人为电磁干扰源各式各样，例如开关噪声、空调、电弧焊设备 等。
电磁干扰概述
▪ 电磁干扰主要是由如下三个基本要素组合 而产生：电磁干扰源、对该干扰能量敏感 的接收器、将电磁干扰源传输到接收器的 媒介，即传输通道。相应地对抑制所有电 磁干扰的方法也应针对这三要素进行解决。 电磁干扰按传播途径可分为传导干扰和辐 射干扰，下面简要说明其基本机理。
传导于扰
▪ 从传输通道分析， 传导干扰可分为电容传 导耦合或称为电场耦合；电阻传导耦合或 称为公共阻抗耦合：电感传导耦合或称互 感耦合。
几个注意点
▪ 1)选用采用电阻型高压线、电阻型火花塞的发动机； ▪ 2)高压线的长短对干扰抑制具有重要意义， 尽量选用如
采用磁电机、高压线、火花塞一体化设计的发动机； ▪ 3)线绕电阻型高压线因其感抗和线绕电阻的“趋肤效应”
作用，使得高频干扰抑制能力加强。 ▪ 4)电火花塞在具体的频段会产生源自文库显电磁辐射，频谱特征