微小空间内电磁干扰要素检测与辨识方法<sup>*</sup>
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微小空间内电磁干扰要素检测与辨识方法
凌波1,2, 林赟2, 孙宏涛2, 苏东林1     
1. 北京航空航天大学 电子信息工程学院, 北京 100083;
2. 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所, 成都 610091
摘要: 针对射频传感器综合一体化带来的电磁兼容性接口由机箱、连接器和线缆变为背板-模块,使常规电磁干扰(EMI)检测要求和检测手段无法直接适用于模块的问题,基于电磁干扰要素理论,着重研究了综合射频机架内部微小空间内电磁干扰要素检测方法及原理,探索了综合射频机架微小空间下模块电磁发射特征信息的测试方法,研究了综合射频机架工作状态及功能线程的激励控制方法,以及综合射频机架远场电磁发射特性数据、功能模块近场电磁发射特性数据和综合射频机架接口线缆束上的电流传导发射特性数据等电磁干扰要素提取和识别方法。为验证电磁干扰要素检测与辨识方法的可行性,以某机载综合射频机架为例,开展了大量试验研究与分析,包括综合射频机架远场电磁发射特性测试、功能模块近场电磁发射特性测试、综合射频机架互连线缆束电流传导发射特性测试,并将多种工作模式下模块测试结果和综合射频机架电磁发射测试结果进行比较,验证了本文方法的可行性和准确性。
关键词: 综合射频     微小空间     射频模块     电磁兼容     电磁干扰(EMI)    
Detection and identification method of electromagnetic interference elements in limited-space
LING Bo1,2, LIN Yun2, SUN Hongtao2, SU Donglin1     
1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. AVIC Chengdu Aircraft Design & Research Institute, Chengdu 610091, China
Received: 2017-05-22; Accepted: 2017-05-26; Published online: 2017-06-15 11:03
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61427803)
Corresponding author. SU Donglin, E-mail: sdl@buaa.edu.cn
Abstract: It is an inevitable trend that more and more divided RF systems are integrated into one rack for the new generation airborne electronic equipment development. However, the "module-based" electromagne-tic compatibility requirements, evaluation methods and other new electromagnetic compatibility issues have been inevitably brought out by the RF integrated technology's change from "device-based" design to "mo-dule-based" design. According to the principals of electromagnetic interference (EMI) element, the EMI detection theory and testing techniques for emission features of RF module in limited-space of integrated racks are researched and discussed, as well as the simulating measures of RF function thread. A novel methodology is proposed for EMI detection and identification in limited-space from the far-field radiation features of integrated racks, near-field emission features of function module and the conducted current emission features of integrated racks' interfacing cables. Many experimental tests are carried out upon one real airborne RF integrated racks by the research team, including far-field radiation tests, near-field emission tests of function module as well as cable current emission tests of the RF integrated racks. This method finally realizes the electromagnetic compatibi-lity test of the function module under the integrated environment, and also is proved to be feasible and accurate.
Key words: integrated RF     limited-space     RF module     electromagnetic compatibility     electromagnetic interference (EMI)    

机载射频功能综合一体化已成为新一代机载电子设备的必然发展趋势,也带来“基于模块”的电磁兼容性要求、设计方法、检测评估方法等新的电磁兼容性问题[1-5]

传统机载电子设备内部架构形式大多为板卡形式,机箱内部的背板、母板在开敞区,可使用电流环、电场探头等近场测试手段直接对机箱内板卡上的电路器件、模块进行电磁干扰(EMI)故障定位测试。相比之下,标准模块内部电路完全封闭不可见,模块封装后对外无显性接口,且模块安装于机架内,操作空间狭小,使得综合机架内部功能模块的电磁干扰识别、定位问题变得非常困难,传统电磁干扰测试方法使用受限。

针对综合射频机架的多样化、复杂化电磁兼容性问题,本文研究了综合射频机架内部微小空间电磁干扰要素[6-9]检测方法及原理;对综合射频机架开展了电磁干扰要素测试研究,提出了机架内电磁干扰问题的诊断和识别定位全新方法和技术,试验结果验证了该方法的有效性和正确性。

1 电磁干扰要素检测方法 1.1 传统电磁干扰检测

传统电磁干扰检测方法直接检测设备整体的电磁辐射(见图 1),其测试数据包含了被测设备所有的辐射特征,是设备内部所有辐射参量在时域和频域的叠加结果[10-12]。该方法虽能发现辐射超标情况,却难以对产生辐射发射的具体位置、模块、线束等进行精准定位,仅仅是一种“通过”或“不通过”评估式的测试方法。

图 1 传统电磁干扰检测方法 Fig. 1 Traditional EMI detection method

通常电子设备设计和制造单位最为关心的并非是产品的测试结果,而是在出现电磁干扰后可以快速对辐射超标点定位及进行有效改进。因为测试状态单一、精细化程度低、问题定位耗时长,所以传统测试方法已经无法适应射频综合技术需求。

1.2 微小空间内模块电磁干扰检测

针对上述问题,提出了对局部器件、模块和电缆等实施近距离精确测量的研究需求[13-16]。尤其是综合射频机架出现后,这一问题更为急迫。

综合射频机架设计采用标准封装模块化设计,其内部由多个功能模块组成,模块间通过背后的互连总线高速背板进行数据交换,封装模块与高速背板之间通过快插接口进行连接。模块化设计结构紧凑,内部空间几合线度狭小(见图 2),模块两侧均采用金属壁板封装,电磁干扰通常存在于前端和背部接口的电磁泄漏以及模块与模块之间的互耦。

图 2 模块化设计的电子设备 Fig. 2 Modular electronic equipment

为解决综合射频机架内的电磁干扰,必须研究和设计一种新的适用于综合射频机架内微小空间电磁干扰检测方法。

2 电磁干扰要素检测与辨识方法

与传统被试品不同,综合射频机架内综合了众多的功能线程,不同功能线程所需的功能模块不同。因此在综合传感器软件调度下,不同功能线程将呈现不同的电磁发射和电磁敏感特性,检测综合射频机架的电磁兼容性时,必须首先实现功能线程激励和控制。

2.1 机架工作状态及功能线程激励控制方法

射频功能综合化后,之前各独立射频功能以功能线程的形式被综合化到综合射频机架内部,即功能线程单元分别由机架内部的独立功能模块或者多个功能模块组合实现。因此要实现对综合射频机架的工作状态及模式的控制和切换,须研究综合射频机架内部功能线程的激励设置与控制方法。以V/UHF通信功能线程为例,其主要由机架内部的接收激励模块、信号处理模块和前端控制管理以及其他辅助模块完成,如图 3所示。

图 3 V/UHF通信功能线程物理逻辑组成 Fig. 3 Physical logic composition of V/UHF communication functional thread

V/UHF通信功能线程的语音激励通过音频采集系统输入和控制,经过前端控制管理、信号处理和接收激励模块以及外部的天线射频接口单元等实现V/UHF通信功能。该功能线程的状态、模式控制由航电座舱显示控制激励接口实现。

在研究分析了V/UHF通信功能线程的逻辑硬件组成和工作原理后,设计了V/UHF通信功能线程不同模式(AM、FM、DS、FH、D/H)和状态(待机、发射、接收)下的测试激励控制方法,如图 4所示。

图 4 V/UHF通信功能线程激励控制方法设计 Fig. 4 Incentive and control method design of V/UHF communication functional thread
2.2 干扰检测与辨识流程

为实现综合射频机架微小空间内电磁干扰检测及对干扰源的准确辨识,本文研究并提出了一种新的电磁干扰检测与辨识流程。首先,获取综合射频机架整体对外的远场电磁发射特性数据;然后,分别使用微小空间近场探头、电流检测探头获取机架内功能模块的近场电磁发射特性数据和机架对外互连接口线缆束上的电流传导发射特性数据;最后,利用接口与模块拓扑关系以及近场探头的空间位置分辨能力,进行机架内功能模块的电磁发射要素分析、提取和识别,实现将机架电磁发射超标问题准确定位至内部某一功能模块上。微小空间内电磁干扰检测与辨识流程如图 5所示。

图 5 微小空间内电磁干扰检测与辨识流程 Fig. 5 Detection and identification procedure of EMI in limited-space
2.3 综合射频机架远场电磁发射特性获取方法

与传统GJB 151B—2013[17]标准测试方法略有不同,本测试应覆盖综合射频机架的典型任务设计剖面和模式,即综合射频机架的工作状态需按照内部功能线程、航电系统任务模式进行设定和激励。可以分别实施超短波通信、塔康导航和无线电高度表等功能线程的激励,也可同时实施上述功能线程的激励。

为有效获取确保电磁兼容性的实际数据,测试时应使被测对象工作于最大发射工作状态。

2.4 功能模块近场电磁发射特性获取方法

由于功能模块布局密集、连接管脚复杂,常规测试天线和测试探头难以区分模块的发射特性。为此笔者团队开发研制了微小空间近场电磁和磁场探头,使用该探头可以有效实施综合射频机架的伴随式近场电磁发射要素测量,获取综合射频机架在线动态工作状态下内部功能模块的近场发射特性数据,包括频率和近场幅度。

由于笔者团队研制的微小空间探头对测试场的扰动很小,因此可使探头到被测功能模块测试部位的间距控制在接近2 mm。图 6给出了逐一采集机架内所有功能模块30 MHz~18 GHz频段内的近场发射特性数据的示意图。同样,对不同功能模块测试时,应对其进行功能线程激励,并使其处于最大工作状态。

图 6 功能模块近场电磁发射特性测试方法示意图 Fig. 6 Schematic of near-field electromagnetic emission test method of functional module
2.5 综合射频机架互连线缆束电流传导发射特性获取方法

对综合射频机架上每一个对外互连接口线缆束使用传统电磁发射检测探头进行传导电流发射测量,获取机架接口线缆束上的电流传导发射特性数据,包括频率和近场幅度。测试时,应使被测对象工作于最大发射工作状态,对每根线缆束需检测2~500 MHz频段内的电流传导发射数据。

2.6 干扰特征提取及匹配识别方法

1) 数据预处理

对测试数据的幅度进行滑动平均预处理,得到电磁发射测量数据的噪声背景基准值Enoise,滑动平均处理方式见式(1),其中滑动平均点数N一般取值为9,倒数1~8位数据进行滑动平均时做补零处理。

(1)

2) 要素特征提取

将电磁发射原始数据和滑动平均处理得到的噪声基准值按照测试频率点从低至高对应做相减处理,比较差值;若原始数据与滑动平均得到的噪声基准差值大于一定门限(6~12 dB),认为该发射频率及幅度为关注的电磁发射要素对象,否则舍弃该点测试数据。处理完毕后,实现从综合射频机架远场电磁发射特性数据、功能模块近场电磁发射特性数据和综合射频机架接口线缆束电流传导发射特性数据中分别识别、提取出需要关注和有用的电磁发射要素集合。

式(2)表征了识别、提取出的综合射频机架远场电磁发射要素集合。Mfar为远场电磁发射要素矩阵,Ffar(m)和Efar(m)分别为第m个远场发射要素的频率和幅度。

(2)

式(3)表征了识别、提取出的某一功能模块近场电磁发射要素集合。Mnear为功能模块近场电磁发射要素矩阵,Fnear(n)和Enear(n)分别为第n个发射要素的频率和幅度。

(3)

式(4)表征了识别、提取出的综合射频机架接口线缆束电流传导发射要素集合。Mcable为线缆电流传导发射要素矩阵,Fcable(k)和Ecable(k)分别为第k个电流传导发射要素的频率和幅度。

(4)

3) 干扰识别定位

分别将识别和提取出的互连接口线缆束电流传导发射要素矩阵Mcable与综合射频机架远场电磁发射要素矩阵Mfar、功能模块近场电磁发射要素矩阵Mnear与综合射频机架远场电磁发射要素矩阵Mfar进行干扰要素匹配分析。

设置频率相对百分比误差阀值P,若满足式(5)的准则要求,则认为干扰要素匹配识别成功,即确认该电磁干扰要素来自被测综合射频机架内部。

(5)

根据微小空间近场探头的空间分辨能力、机架接口线缆拓扑交联关系,进一步定位该干扰要素来自综合射频机架内部的具体哪个功能模块。电磁干扰要素的识别、定位具体流程如图 7所示。

图 7 干扰特征提取及识别方法 Fig. 7 Method of extraction and identification of interference features

以功能模块近场电磁发射要素矩阵Mnear与综合射频机架远场电磁发射要素矩阵Mfar进行匹配分析为例,最终的干扰要素识别定位结果形式见表 1

表 1 干扰要素识别定位结果 Table 1 Results of interference element identification and positioning
电磁干扰要素 干扰要素识别定位结果
模块1 模块2 模块n
Ffar/Efar(1)
Ffar/Efar(2)
Ffar/Efar(j)
Ffar/Efar(m-1)
Ffar/Efar(m)

3 方法验证及应用

为验证电磁干扰要素检测与辨识方法的可行性和识别结果,本文以某机载综合射频机架为例,开展了大量试验研究与分析。具体包括:综合射频机架远场电磁发射特性测试、功能模块近场电磁发射特性测试和综合射频机架互连线缆束电流传导发射特性测试。

3.1 综合射频机架远场电磁发射特性测试

本节分别测试了综合射频机架在静默和工作模式1~5下的远场电磁发射结果。综合射频机架各工作模式设置如表 2所示,部分测试结果见图 8,图中红线为GJB 151B—2013[17]标准规定的发射极限值要求。可见,不同模式和功能线程工作时机架的电磁发射频谱和量值是不同的。

表 2 综合射频机架远场电磁发射特性测试状态设置 Table 2 State setting of electromagnetic emission characteristic test of RF integrated rack in far-field
功能线程 综合射频机架工作模式/功能线程设置
静默 模式1 模式2 模式3 模式4 模式5
短波 静默 静默 静默 静默 1波道 1波道
超短波 静默 43波道 19波道 10波道 静默 静默
线程1 静默 静默 空空 静默 静默 空地
线程2 静默 A模式 静默 静默 A模式 静默
线程3 静默 入网 静默 静默 入网 静默
线程4 静默 5波道 5波道 5波道 5波道 5波道
线程5 静默 1波道 1波道 1波道 1波道 1波道
线程6 静默 开启 开启 开启 开启 开启
线程7 静默 传密 传密 传密 传密 传密

图 8 综合射频机架不同工作状态下的测试结果 Fig. 8 Test results of RF integrated rack under different modes

由于不同工作状态下综合射频机架的辐射测试结果存在较大差异,因此如要对不同频点的辐射源进行定位和识别,必须基于近场电磁发射测试结果进行进一步分析,并同时与远场测试结果进行相互验证。

3.2 综合射频机架互连线缆束电流传导发射特性测试

采用2.5节的方法在综合射频机架接口XS4、XS5、XS6的线缆处进行线缆束电流传导发射测试,将测试结果与综合射频机架的远场电磁发射结果(RE102)进行对比,结果如图 9所示。

图 9 综合射频机架互连线缆束电流传导发射测试结果 Fig. 9 Test results of cable current of RF integrated rack

通过图 9可知,综合射频机架的外部电磁发射,其中一部分是通过线束直接传导发射形成的,还有一部分频点并未包含在线束发射频谱中,通过对机架内部电磁发射源的分析可以得到。线缆作为传导辐射源,仅能反映机架内部的部分辐射状态,而对电磁发射状态的精确分析,需要对模块进行基于工作模式的精准分析和测试。

3.3 功能模块近场电磁发射特性测试

结合3.1节和3.2节的测试结果,为了进一步验证2.6节中的干扰特征提取及匹配识别方法,需对综合射频机架内的功能模块进行电磁发射测试。测试采用高灵敏、高空间分辨能力微型近场探头、预选放大器组件和频谱分析仪,测量机架工作时各模块接插件接口以及壳体缝隙处的电磁泄漏。具体测试模块如表 3所示。

表 3 功能模块列表 Table 3 List of functional modules
模块序号 模块名称 测试结果
模块1 信号处理模块 图 10(a)
模块2 控制管理模块 图 10(b)
模块3 告警模块 图 10(c)
模块4 窄带接收模块 图 10(d)
模块5 宽带接收模块 图 10(e)
模块6 开关模块 图 10(f)
模块7 频率源模块 图 10(g)
模块8 电源模块 图 10(h)
模块9 时频模块 图 10(i)

由于机架的发射状态与工作模式相关,因此为了清晰地对试验结果进行对比,功能模块测试时,将综合射频机架调整为工作模式1。通过对此工作模式下的模块测试结果和机架远场电磁发射测试结果进行比较,验证方法的可行性和准确性。部分模块的测试结果如图 10所示。

图 10 模块1~9的测试结果 Fig. 10 Test results of Module 1-9

图 10中,Environment noise(蓝色曲线)表示近场探头在远离被测模块背景空间下的测试噪底,互连接口、壳体缝隙和RF接口等表示近场探头在靠近被测功能模块不同位置处的干扰信号测试结果。

应用以上测试方法,完成了综合射频机架电磁辐射超标问题的识别和定位,结果如表 4所示。综合射频机架远场测试发现,机架在35.64、40、48、59.36、100、145、191.7 MHz频点辐射超标;经过对综合射频机架进行模块的近场测试,并与机架的远场辐射测试结果进行比较分析,最终将超标频点的辐射源头定位至机架内部的具体功能模块上。表 4中第1列数据为机架的远场电磁发射超标频点,其余为各模块的辐射发射较强的频点;表格内颜色一致的单元表示模块的发射测试结果与机架的发射测试结果一致吻合,被成功识别。例如,对于59.36 MHz超标频点,发射源头最终定位至机架内模块2、模块4、模块5、模块6、模块7、模块9。机架的7个干扰超标频点,其中有6个被准确识别和定位,识别定位成功率大于80%。

表 4 综合射频机架电磁干扰要素测试定位结果 Table 4 Test and positioning results of electromagnetic interference elements of RF integrated rack

4 结论

本文依据射频综合环境下可更换模块的特点及其电磁兼容特性开展研究,主要取得了以下结论:

1) 研究了射频综合环境下功能模块干扰要素检测与识别技术,形成射频综合系统下机架和功能模块的电磁干扰要素辨识方法。

2) 实现了对所需测试的功能模块以及要素集进行独立工作状态控制和接口信号激励,构建了射频综合模块的在线动态测试环境。

3) 通过对比射频综合机架在不同功能线程状态下的RE102电磁发射测试数据和机架内部各模块的近场电磁发射测试数据,得到了电磁干扰要素,使得综合机架所有RE102测试超标频点均可在模块测试数据中找到对应信息。

本研究为综合射频机架可更换功能模块以及干扰敏感耦合要素集的电磁兼容特性测试和诊断提供了技术支撑,保证了各功能模块形成的射频综合系统最终满足电磁兼容指标要求。通过某型号实装综合射频机架的测试应用,验证了本文提出的检测识别方法的有效性。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0347
北京航空航天大学主办。
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凌波, 林赟, 孙宏涛, 苏东林
LING Bo, LIN Yun, SUN Hongtao, SU Donglin
微小空间内电磁干扰要素检测与辨识方法
Detection and identification method of electromagnetic interference elements in limited-space
北京航空航天大学学报, 2018, 44(5): 914-922
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2018, 44(5): 914-922
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0347

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收稿日期: 2017-05-22
录用日期: 2017-05-26
网络出版时间: 2017-06-15 11:03

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