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航空電子的串?dāng)_耦合測試方案及分析
閱讀：235 發(fā)布時(shí)間：2024-7-19串?dāng)_是機(jī)載設(shè)備間互聯(lián)線纜干擾耦合的重要因素。以混合模 S 參數(shù)為基礎(chǔ),建立單線 - 雙絞線模型以模擬機(jī)載設(shè)備之間的動(dòng)力線纜對信號(hào)線產(chǎn)生的串?dāng)_耦合。在此模型基礎(chǔ)上提出串?dāng)_耦合測試方案,搭建串?dāng)_耦合測試系統(tǒng),并根據(jù)測試獲得的耦合系數(shù)評估單線 - 雙絞線線間串?dāng)_耦合強(qiáng)弱。通過測試比較,對影響因素進(jìn)行分析,結(jié)果表明,距地高度對線間串?dāng)_影響不大,線間距對線間串?dāng)_耦合影響顯著,因此在條件允許下盡可能增加設(shè)備間互聯(lián)線纜的間距可有效抑制串?dāng)_耦合。
飛機(jī)內(nèi)空間有限，各種機(jī)載設(shè)備密集分布，設(shè)備數(shù)量多且密集度高，電磁兼容問題突出。機(jī)載設(shè)備之間通常由大量線纜連接，線纜是設(shè)備間傳遞信號(hào)和能量的載體，也是導(dǎo)致飛機(jī)電磁兼容問題突出的重要因素。線纜不僅是干擾源和敏感設(shè)備之間傳導(dǎo)干擾耦合的途徑，也是強(qiáng)電磁環(huán)境下的電磁輻射發(fā)射和敏感度接收的天線。串?dāng)_是一種典型的傳導(dǎo)干擾耦合形式，準(zhǔn)確分析串?dāng)_的產(chǎn)生以及影響因素，對機(jī)載設(shè)備間互聯(lián)線纜布線進(jìn)行整改和設(shè)計(jì)以及傳輸線抗干擾能力的提升具有重要意義。根據(jù)傳輸線理論可構(gòu)建等效電路模型對串?dāng)_進(jìn)行分析，通過傳輸線模型計(jì)算線間串?dāng)_的方法是準(zhǔn)確的，但模型建立的過程極為復(fù)雜，不適用于工程領(lǐng)域的研究。較多學(xué)者對基于 S 參數(shù)測試評估線間串?dāng)_開展了研究，傳統(tǒng) S 參數(shù)對應(yīng)的微波網(wǎng)絡(luò)是單端不平衡的，混合模 S 參數(shù)可更直觀的對差分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，如張華等人利用 ADS 對差分傳輸線的各種不連續(xù)性和差分傳輸線之間的串?dāng)_進(jìn)行數(shù)值仿真，得出相應(yīng)的混合模 S參數(shù) 。
連接機(jī)載設(shè)備的線纜種類多樣，根據(jù)所承載的功能不同呈現(xiàn)不同的形式。傳輸動(dòng)力的線纜通常是單線或同軸線，其傳輸?shù)氖菃味诵盘?hào)。傳輸信號(hào)的線纜常采用雙絞線的形式，采用差模信號(hào)進(jìn)行數(shù)字通信信號(hào)傳輸，外界電磁環(huán)境干擾以及導(dǎo)線自身傳輸時(shí)產(chǎn)生的電磁場大多會(huì)以共模的形式耦合到線纜上，少部分以差模的形式耦合。雙絞線憑借其特別的結(jié)構(gòu)有效抵消共模信號(hào)的干擾從而被廣泛用于信號(hào)傳輸。本文基于混合模 S 參數(shù)，研究傳輸單端信號(hào)的單線與傳輸差模信號(hào)的雙絞線之間的串?dāng)_耦合，并進(jìn)行串?dāng)_影響因素分析，對降低機(jī)載設(shè)備間互聯(lián)線纜的串?dāng)_耦合提升信號(hào)傳輸線抗干擾能力具有工程指導(dǎo)意義。
一、串?dāng)_分析
（1）單線 - 雙絞線模型
圖 1 為單線 - 雙絞線模型，單線為騷擾線，雙絞線為敏感線。單線一端接干擾電壓源，另一端接負(fù)載 ；雙絞線兩端均接負(fù)載，鄰近干擾電壓源的一端稱為近端，遠(yuǎn)離干擾電壓源的一端為遠(yuǎn)端。
圖 1? 單線 - 雙絞線模型
干擾線端接干擾電壓源時(shí)，雙絞線的近端和遠(yuǎn)端會(huì)產(chǎn)生耦合電壓。由于信號(hào)傳輸需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)連續(xù)波信號(hào)在干擾線上傳播時(shí)，受擾線近端受到連續(xù)干擾耦合，是“接力"型存在的 ；而遠(yuǎn)端串?dāng)_是經(jīng)歷一段時(shí)間后干擾信號(hào)同時(shí)到達(dá)終端，是“累加"型存在的，因此在信號(hào)完整性分析中，相較于近端串?dāng)_，遠(yuǎn)端串?dāng)_幅值通常較大。但近遠(yuǎn)端的差別主要體現(xiàn)在時(shí)域上，在頻域上差別不大。
（2）基于混合模 S 參數(shù)的串?dāng)_耦合
將圖 1 單線 - 雙絞線模型等效為圖 2 所示的不平衡 - 平衡差分二端口網(wǎng)絡(luò)，其中不平衡端為單線上干擾電壓源端，平衡端為雙絞線上的串?dāng)_耦合端口（近端或遠(yuǎn)端），其余兩端口端接負(fù)載。
圖 2? 單端 - 平衡差分二端口網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)混合模 S 參數(shù)理論，圖 2 中兩個(gè)端口處的入射波 u+、反射波 u- 及 S 參數(shù)滿足以下矩陣。
式中，下標(biāo) s 表示單端信號(hào)，下標(biāo) c 表示共模信號(hào)，下標(biāo) d 表示差模信號(hào)?；旌夏?S 參數(shù)矩陣中每個(gè)混合模 S參數(shù)具有如下定義 ：
混合模 S 參數(shù) Smm 與傳統(tǒng)模 S 參數(shù) Sstd 之間具有一定的關(guān)系，式（3）即為轉(zhuǎn)換矩陣，兩種模式 S 參數(shù)可通過此矩陣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。
由于干擾信號(hào)只有轉(zhuǎn)換為差模信號(hào)才會(huì)對終端負(fù)載電壓有影響，因此將串?dāng)_耦合系數(shù)定義為差模耦合信號(hào)與單端輸入信號(hào)之比，該模型下串?dāng)_耦合系數(shù) k 為雙絞線終端差模耦合電壓響應(yīng) ud2 與單線一端輸入電壓us+1之間的比值，見式（4）。由于單線為干擾線，雙絞線為敏感線，當(dāng)雙絞線終端匹配時(shí)，ud+2 = 0。
二、串?dāng)_耦合測試方案
（1）測試系統(tǒng)構(gòu)建
受試線纜的結(jié)構(gòu)尺寸見表 1。通過 TDR 時(shí)域反射計(jì)獲得雙絞線的差模特性阻抗為 100 Ω，共模特性阻抗為 150 Ω，雙絞線終端設(shè)計(jì)如圖 3 所示的 π 型負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)。差分信號(hào)感受到的阻抗為 R1//2R2，共模信號(hào)感受到的阻抗為 (1/2)R2。根據(jù)測試獲得的差模特性阻抗以及共模特性阻抗值，計(jì)算獲得匹配電阻值見表 2。
表 1? 線纜的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)
圖 3? 雙絞線端接
表 2? 雙絞線負(fù)載值
由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的特性阻抗為 50 Ω，僅傳輸單端信號(hào)，為了將雙絞線上的差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)并傳輸至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，故在雙絞線終端端接巴倫，根據(jù)雙絞線特性阻抗以及巴倫的性能，選擇 ADT2-1T-1P+ 的巴倫，阻抗變換比為 2，工作頻率范圍為 8~600 MHz。為方便測試布置，設(shè)計(jì)雙絞線端接負(fù)載盤和匹配盤。測試時(shí)，雙絞線一端接負(fù)載盤，另一端接匹配盤，負(fù)載盤為雙絞線一端的端接負(fù)載，匹配盤內(nèi)阻抗變換用巴倫。匹配盤一端接雙絞線，另一端為 SMA 連接器，可通過 SMA/N 連接器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。
實(shí)驗(yàn)測試示意圖如圖 4 所示，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 1端口連接單線，2 端口通過匹配盤連接雙絞線，其余端口接適當(dāng)?shù)呢?fù)載或負(fù)載盤。單線對雙絞線串?dāng)_測試現(xiàn)場布置圖如圖 5 所示，單線的一端連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 1 端口，另一端連接 50 Ω 負(fù)載。雙絞線的一端連接負(fù)載盤，另一端連接匹配盤，通過 SMA/N 連接器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 2 端口相連。
圖 4? 串?dāng)_耦合實(shí)驗(yàn)測試示意圖
圖 5? 串?dāng)_耦合實(shí)測布置圖
為提高測試的準(zhǔn)確度，減少由端接失配引起的反射對測試的影響。雙絞線端接匹配盤和負(fù)載盤后所構(gòu)成的組件的駐波比應(yīng)較小，駐波比測試曲線如圖 6 所示。由圖可見，在測試頻率范圍內(nèi)其駐波比小于 2.5，滿足測試要求。
圖 6? 雙絞線駐波比
（2） 耦合系數(shù)計(jì)算
圖 4 布置中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的 S21 為匹配盤端口耦合電壓與單線注入電壓間的比值。匹配盤中的巴倫也可等效為一個(gè)單端 - 平衡二端口網(wǎng)絡(luò)，巴倫端輸出電壓為 ub，單端輸入電壓為 us。式（5）為圖 4 布置中 S21 的表示形式。
式中，Ssd' 和 Ssc' 分別為巴倫構(gòu)成的單端 - 平衡二端口網(wǎng)絡(luò)中單端轉(zhuǎn)差模信號(hào)和單端轉(zhuǎn)共模信號(hào)的混合模 S 參數(shù)，ud+和uc+分別為巴倫構(gòu)成的單端 - 平衡二端口網(wǎng)絡(luò)雙絞線端口的差模入射電壓和共模入射電壓。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，該型號(hào)的巴倫工藝性能良好，其 2 dB 帶寬的相位不平衡度為 1°，幅值不平衡性為 0.3 dB，可在頻率范圍內(nèi)較完整地實(shí)現(xiàn)不平衡信號(hào)與平衡信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，故Ssd' 約為 1，Ssc' 約為 0，式（5）化簡后可獲得式（6），ud+作為巴倫構(gòu)成的單端 - 平衡二端口網(wǎng)絡(luò)雙絞線端口的差模入射電壓也是單線與雙絞線構(gòu)成的單端 - 平衡二端口網(wǎng)絡(luò)的差模反射電壓ud?2。因此通過二端口網(wǎng)絡(luò)測試獲得的 S21 可用作單端 - 雙絞線模型的耦合系數(shù)。
三、串?dāng)_耦合影響因素分析
（1）距地高度
由于頻域上近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_耦合差別不大，因此布 置 兩 線 間 距 為 50 mm， 測 試 距 地 高 度 為 50 mm 和100 mm 下的近端串?dāng)_。不同距地高度下單線 - 雙絞線串?dāng)_模型近端實(shí)測對比圖如圖 7 所示，隨著頻率的升高，串?dāng)_耦合系數(shù)逐漸增加，隨著距地高度的增加，對串?dāng)_的影響不大。雖然距地高度增大了被干擾線回路面積，但是對于干擾線而言，干擾線上的信號(hào)能量不變，因此對串?dāng)_耦合影響不大。
圖 7? 單線 - 雙絞線不同距地高度下近端串?dāng)_對比
（2）線間距
保持兩線距地高度為 50 mm，分別測試兩線間距為50 mm、85 mm 和 100 mm 下的近端串?dāng)_。不同線間距下單線 - 雙絞線串?dāng)_模型近端實(shí)測對比圖如圖 8 所示。
圖 8? 單線 - 雙絞線不同線間距下近端串?dāng)_對比
由圖 8 可知，隨著頻率的升高，串?dāng)_耦合系數(shù)逐漸增加，此外，線間距為 50 mm 相較于線間距為 85 mm和 100 mm 的各頻點(diǎn)上串?dāng)_耦合明顯偏大 ；線間距為85 mm 相較于 100 mm 的串?dāng)_耦合略微偏大。當(dāng)線間距離較小時(shí)，距離變化對耦合影響較大 ；當(dāng)線間距離較大時(shí)，距離對串?dāng)_耦合影響較小。因此，在有限的空間內(nèi)，適當(dāng)增大兩線間距是減小串?dāng)_耦合的有效形式。
四、結(jié)語
本文對機(jī)載線纜間的串?dāng)_耦合提出了混合模 S 參數(shù)法模型，并進(jìn)行了雙線間距等因素對線間串?dāng)_耦合影響分析，說明了增加線間間距可有效改善線間串?dāng)_?；诨旌夏?S 參數(shù)構(gòu)建串?dāng)_耦合測試模型可延伸至其他類型線纜間的串?dāng)_測試，該方法具有一定工程指導(dǎo)價(jià)值，對改進(jìn)機(jī)載設(shè)備間互聯(lián)線纜布線，提升飛機(jī)電磁兼容性能具有重大意義。