无人机电磁干扰分析PPT课件.ppt

无人机电磁干扰分析 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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EMI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 8 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 9 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 Isf2 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 10 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 11 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 12 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明显电磁辐射 频谱特征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xHOLD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 13 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 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 14 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 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 15 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 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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 22 2020 1 8 23 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 24 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 25 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 26 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 自然电磁干扰源分类 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 27 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 28 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 29 30 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 r 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 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 31 式中 HjRi j 为第j个耦合端口对第Ri个接收端口的传递函数 Wk j 为无人机本体等效电磁发射端口的发射功率 HkRi j 为本体第k个发射端口对第Ri个接收端口的传递函数 32 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 33 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 34 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 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 35 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 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 36 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 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 37 新材料不可能提供传统铝材提供的10KHz到1MHz的磁屏蔽 为了避免间接物理损坏 为了减小导线和金属地之间的磁通 导线应尽可能靠近金属地表面 供电系统115 200v 400Hz交流电和28V直流供电 雷电有30KV的尖峰值 碳化纤维相对于铝结构来说有更大的磁敏感性 考虑接地导体的感应电压到达了400uv 必须考虑和它相连设备和电子控制设备的能忍受的干扰值 这种干扰相对于雷电作用是更应当考虑的 应为它是一个永久的现象 而第二个是瞬态的 不经常发生 通过使用EMPT程序 可以进行电磁屏蔽的仿真 为了减少昂贵的实验设备 计算机仿真是电磁兼容的重要步骤 38 系统频谱配置准则 无人机航电系统是由测控数据链 电气供电 飞行与导航控制 传感器以及各种任务载荷分系统等组成 其中测控数据链和任务载荷中的无线电设备 如 各种电子对抗设备 与系统频率配置有关 除此之外 机载动力装置 飞机使用要求及电磁环境的频谱分布也将决定着系统频率的配置 系统频谱配置就是要合理选择数据链信道各工作频率 并会同无人机动力装置 任务载荷的频谱特性及电磁环境进行综合分析 配置将主要涉及 工作频率 载频 副载频 中频 调制方式以及码速率等 选择的准则应考虑以下几方面要求 标准规定 电磁兼容性 技术的继承性 相应硬件可实现性以及经费支持程度等 在电磁兼容方面 就是要合理选择无人机数据链各工作频率 并与无人机动力装置 任务载荷以及电磁环境进行综合分析 保证系统的正常工作 安装活塞式发动机的小型无人机 发动机火花干扰是其主要干扰源 频谱范围一般低于1GHz 39 在技术继承性等方面 目前无人机测控数据链一般采用L或C波段 有时也采用UHF或短波波段 对于需卫星中继的无人机数据链将可能采用K波段 40 无人机电磁兼容性评估准则 电磁兼容性标准通常是电磁环境效应检验的依据 与环境特性相对应 评估准则可分为两大类 即基于确定性电磁环境特征的系统和设备性能评估准则 以及基于随机性环境特征的统计分析评估准则 41 发射端口模型 发射端口模型一般采用频域模型 它是由端口发射信号的频域特性来表征 对于确定性信号 其频域特性为该信号的富氏级数或富氏变换 对于随机信号 其频域特性为该信号的功率谱密度 根据功率谱随频率的变化关系 可以分成窄带谱和宽带谱两大类 窄带谱是指功率谱随频率变化剧烈 呈现离散状态 功率相对集中在一个十分有限的带宽内 从大的频率范围看 功率就好像集中于一个点频之上 对于这种功率谱