屏蔽层接地方式对飞机电缆电...蔽效能的影响研究与优化设计_赵科伟.pdf
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1、成都航空职业技术学院学报Journal of Chengdu Aeronautic Polytechnic2023 年 3 月第 1 期(总第 134 期)Vol.39 No.1(Serial No.134)2023由于目前航空无人机工业的发展,无人机应用广泛,可以作为放牧无人机辅助航空放牧1。但无人机机上携带的任务设备越来越多,无人机机上电缆电线总量和品种大幅增多,且由于无人机中电缆敷设空间有限,电缆数量的增多会使得电缆间的间距减小,同时无人机本身不像传统飞机一样,为减轻整机重量,在电缆使用方面无人机尽量选择不敷设保护套和防波套。当无人机加装大功率载荷设备时,该负载会向周围辐射高强度的辐射场
2、,电缆间产生干扰的概率更加高且干扰造成的影响也更明显。目前,飞机机载设备在出厂前都进行屏蔽试验,基本不会成为主要干扰源,因此,强干扰导无疑来自于飞机上大量的线缆。因此研究机载线缆的导体和屏蔽层的接地方式对干扰抑制能力的程度十分必要。S.A.Schelkunoff提出了如何对屏蔽层进行计算的相关理论2;平碧波等人对船仓双绞屏蔽线的屏蔽层接地方式进行了研究3;崔勇等人对屏蔽层不同接地方式进行了研究,但未太深入研究其中的原理,也未作定量的分析4。由于目前某型无人机机上携带的任务设备越来越多,导致无人机机上电缆电线总量和品种大幅增多,且由于无人机中电缆敷设空间有限,电缆数量的屏蔽层接地方式对飞机电缆电
3、磁屏蔽效能的影响研究与优化设计赵科伟1,王建飞1,凌敏2,曹坤2,辜陈兴2,刘良2,郑晓霞2,3(1.四川腾盾科技有限公司,成都 610037;2.成都航空职业技术学院,成都 610100;3.人工智能四川省重点实验室,四川 自贡 643002)摘 要:基于航空电缆上可能因为电磁耦合效应而形成的大量电磁辐射危害无人机上信息传递的品质,甚至危及无人机飞行安全的现象,根据屏蔽层电磁干扰的计算模型,用CST分析了不同接地方法对电磁屏蔽的影响,重新设计了某型无人机的机载电缆,对某型无人机目前机载电缆进行了屏蔽层360度搭接的改装,然后对改装屏蔽层360度搭接前后电缆屏蔽效能进行了分析,提高了该无人机在
4、高频时的电磁屏蔽效能,为之后机型的电磁屏蔽设计提供一定的参考。关键词:无人机 无人机电缆 电磁屏蔽 屏蔽层接地方式中图分类号:TP391.9文献标识号:A文章编号:1671-4024(2023)01-0054-05Influence of Shield Grounding Mode on Aircraft Cable Electromagnetic shield and Its OptimizationZHAO Kewei1,WANG Jianfei1,LING Min2,CAO Kun2,GU Chenxing2,LIU Liang2,ZHENG Xiaoxia2,3(1.Sichuan T
5、engdun Technology Co.,Ltd,Chengdu 610037,China;2.Chengdu Aeronautic Polytechnic,Chengdu 610100,China;3.Artificial Intelligence Key Laboratory of Sichuan Province,Zigong,Sichuan,643002)AbstractA large amount of electromagnetic radiation may be formed on the cable due to the electromagnetic coupling i
6、nduction,which endangers the quality of information transmission on the unmanned aerial vehicle(UAV),and even its flight safety.Accordingto the electromagnetic interference calculation model of the shielding layer,this paper uses CST to analyze the influence of differentgrounding methods on the elec
7、tromagnetic shield,redesigns the cable of a certain UAV,retrofits the current cable of a certain UAVwith 360-degree overlap of the shielding layer,and then analyzes the shield effectiveness of the cable before and after 360-degreeoverlap of the modified shielding layer.This improves the electromagne
8、tic shield effectiveness of this UAV at high frequency,and pro-vides some reference for the electromagnetic shield design of later models.Key WordsUAV,cable,electromagnetic shield,shield grounding mode收稿日期:2022-10-13基金项目:四川省科技计划重点研发项目(2020YFN0027);阿坝州科技计划重点研发项目(R22YYJSYJ0001);人工智能四川省重点实验室开放基金项目(2021
9、RYY02)。作者简介:赵科伟(2000),男,四川成都人,助理工程师,研究方向为无人机设计。54 屏蔽层接地方式对飞机电缆电磁屏蔽效能的影响研究与优化设计增多使得电缆间的间距减小,同时无人机本身不像传统飞机一样,为减轻整机重量,在电缆敷设方面无人机线缆利用原有线缆的护套作为防磨材料。当无人机加装大功率载荷设备时,该负载会向周围辐射高强度的辐射场,电缆间产生干扰的概率更加高且干扰造成的影响也更明显了。因此需要研究设计怎样的电磁屏蔽方案对目前XX型无人机大范围产生电磁干扰的情况进行改善。目前某型无人机机上传输信号常用频率为100Hz至100MHz,大量使用的线缆为单芯线、双绞线和双绞屏蔽线。单芯
10、线型号为TGPC0812-X-9系列导线;双绞线型号为TGPC4121-XX-9/6-9;双绞屏蔽线型号为TGPC1121-XX-9/6-9。以下研究分析均基于该三种线缆展开进行。同时由于加工线缆时的工艺问题,在实际布线时还会出现“猪尾巴效应”5,“猪尾巴效应”通常指电缆屏蔽层与设备金属外壳之间没有360度搭接,导致高频搭接阻抗增大,对外EMI增强,同时也会导致静电等高频干扰不易泄放。所以本论文还对如何减小甚至消除猪尾巴效应展开了研究。一、某型无人机屏蔽层接地方式分析选择无人机上常用屏蔽线缆型号 RG316,在CST中对电缆相关参数进行如表1所示的设置,设置后电缆截面如图1所示。图1 同轴电缆
11、截面形状表1 CST仿真参数设置参数名/单位LS/mmrR/mmrG/mmrSH/mmtSH/mmd/mmhG/mmVs/V设置值10000.50.321.70.1521506参照CST中的电缆相关参数,建立了数学模型中的常规电缆相关参数。在屏蔽层双接地的情况下,结合接地方程和电路参数方程可求解被干扰电缆上的串扰信号。根据数学模型计算结果发现,在频率小于104Hz的情况下,同轴电缆上的串扰电压随着频率增加而稳定增加,呈现正相关关系。当频率在 104Hz 与106Hz之间时,同轴电缆上的干扰幅值通常是由于被干扰电缆形成的回路中没有净磁通而趋于稳定。当频率超过 106Hz,小于 107Hz时,瞬态
12、干扰值随频率的增加而继续增加,但增速变慢。当频率超过107Hz时,电缆由于处于高频范围内而产生共振信号,导致电缆上的串扰电压在该频率范围内振荡。为研究屏蔽层各种接地方式对信号输送的不同作用,参考表1对电缆电气特性参数进行设置,在所建立的数学模型基础上,可以找到不同接地方式下电缆上串扰电压的值,将各种接地方式的运算所得到结果绘于图2中。电缆屏蔽层在各接地形式下对扰动信号的遏制在频率处于低频时主要与电阻有关,屏蔽受频率变化的影响较小,因此在低频段屏蔽中各种接地方法所得结果相似。为了详细反映频率对传输阻抗的作用,频率选择0.1MHz和100MHz区间进行分析。图2 屏蔽层不同接地方式对比在频率大于
13、0.1MHz小于 20MHz的情况下,屏蔽层悬挂连接和单端连接时,相应串扰电压幅值虽然处于同一个数量级,但在这段频率上,悬挂接地时产生的串扰电压幅值最高是单端接地时串扰电压值的5倍。在频率小于10MHz的情况下,理想的屏蔽层双端接地屏蔽效能超过单接地或未接地接近30dB。由于检测到的信号是被干扰电缆近端的电压信号,因此到达屏蔽层近端的瞬态信号值与远端的瞬态信号值不同。当频率超过10MHz时,电缆上会出现共振信号,干扰值会出现波动,此时,屏蔽层近端的瞬态信号值与远端的瞬态信号值变化程度接近,趋势相同。二、某型无人机电缆电磁屏蔽方案设计根据目前无人机常用机载设备常用接口选择连接器型号,但由于本方案
14、对电磁屏蔽提出了要求,连接器对应后附件选择屏蔽后附件。选型如表2所示。55 屏蔽层接地方式对飞机电缆电磁屏蔽效能的影响研究与优化设计表2 典型部位连接器选型连接器型号J599/26JG35SNJ599/26JD35SNJ599/26JA35SNJ599/26MB05SNJ599/26JF45SNJ599/26JH35PNJ599/26JH35SNJ599/26JC35SNJ599/26JF10SNJ599/26JF32PNJ599/26JJ24PNJ599/26JE35SNJ599/26JJ35PAJ599/26JJ35PBJ599/26JJ35PCJ599/26JJ35PNJ599/26JH
15、35PNJ599/26MD35SNJ599/20MC35SNZH852516R8B33SNJY27467T19E35SN对应后附件型号J1784/20-21JJ1784/20-15JJ1784/20-09JJ1784/20-11MJ1784/20-19JJ1784/20-23JJ1784/20-23JJ1784/20-13JJ1784/20-19JJ1784/20-19JJ1784/20-25JJ1784/20-17JJ1784/20-25JJ1784/20-25JJ1784/20-25JJ1784/20-25JJ1784/20-23JJ1784/20-15MJ1784/20-13MZH852
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