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趋势

优化信号完整性的同时将噪声降至最低

随着商用飞机处理的飞行操作数据越来越多,机上电子设备也必须实现更高的乘客连接水平。作者:Michael Coon,航空航天部现场应用工程师

如果您有意了解该如何以及何时让旅客在航空旅行中使用个人电子设备 (PED),EMI 控制值得您全新审视。 机上娱乐系统不止是电影那么简单,相反,航空旅行其实是将您的办公环境搬到空中。而无论是 EMI 辐射还是 EMI 传导,PED 的使用都会对飞机上的关键电子设备带来威胁。我们可以将机上娱乐布线想象为通过座舱铺设的天线。就像所有天线一样,这些布线既可以发出辐射,也可以吸收辐射。IFE 系统和 PED 必须落入 2.4 GHz 至 5 GHz 的频谱中,这是飞机电子设备的死区,也被称为波音凹口。正常的无线局域网可以安全地连接,不会受到这些频段的干扰。 

飞机电子设备频率范围 (MHz)
甚高频全向信标 (VOR) 108 - 118  
仪表着陆系统航向信标 (ILS LOC) 108 - 112  
仪表着陆系统下滑台 (ILS GS) 329 - 335  
测距仪 (DME)
空中交通预警与防撞系统 (TCAS) 
960 - 1215  
GPS L2 1227.5  
GPS L2 1575.42  
PED                                                                      频率范围 (MHz)
蜂窝 824 - 849  
个人通信系统 (PCS) 1850 - 1910 
900-MHz ISM 902 - 928 
2.4 GHz ISM 2400 - 2485 
GPS L2 1227.5  
GPS L2 1575.42  

上面两个表显示的分别是飞机电子设备和 PED 的典型频率范围。由于便携电脑和平板电脑不会和航空电子设备共享频段,因此通常无需担心。唯一会占用频段的设备是 GPS。便携式卫星 GPS 跟踪设备和带内部 GPS 跟踪的智能手机使用与飞机的机载 GPS 跟踪装置相同的频带,可能会与座舱系统产生冲突。IFE 架构不得传导或放大 5 GHz 以上的射频频率(否则将进入 GPS 范围)。因此,在飞机上不允许使用手持式 GPS 设备。 

 

双绞线布线和差分传输是维持信号完整性并控制噪声的第一步。 双绞线能够有效地降低共模噪声。由于共模噪声可同时出现在两个导体中,导致两侧接地均可能出现相对变化,事实上各导体的噪声为 180 度异相时,意味着噪声已得到有效消除。下一步就要防止电缆收到(或传输)辐射噪声。控制辐射 EMI 的主要方法是使用屏蔽层。屏蔽电缆不仅遏制电缆生成的 EMI,还可屏蔽来自外源的辐射。电缆屏蔽为铝箔、编织层,或铝箔和编织层的组合。有效屏蔽层的关键是能够形成一个对地的低阻抗回路。连接器后壳和护套能够做到这一点。TE Connectivity (TE) 提供多种后壳用于端接电缆屏蔽并使其接地。

机上娱乐系统需要轻量级的连接解决方案。
机上娱乐系统需要轻量级的连接解决方案,从而在狭小空间内高效提供带宽。
有效屏蔽层的关键是能够形成一个对地的低阻抗回路。连接器后壳和护套能够做到这一点。

IFE 系统应经过滤波处理,以确保当前用于飞机应用的系统操作中没有耦合该系统耦合或生成的任何噪声。 滤波处理可降低差模噪声。与共模噪声不同,差模噪声会对各导体产生不同的影响 – 噪声完全位于信号传输路径中。双绞线在控制差分噪声方面的影响极小。使用 IFE 的交流电和直流电飞机必须经过滤波处理,以防止低于 2.4 GHz 或高于 5 GHz 的谐波噪声耦合到电源总线架构中。如果滤波时处理不当,则噪声会耦合到飞机的通信系统中。通常会对电源进行内部滤波。乘客用的电源插座也可以进行滤波处理,以保持配电系统无噪声混杂。此外还可以对信号线进行滤波处理以维护信号的完整性。但是通常情况下,滤波是解决 IFE 系统性能欠佳或干扰到其他系统等问题的终极手段。滤波连接器具有 L、C、LC 和 PI 几种机构,用于匹配电路的输入和输出阻抗。电容与电感值可以各不相同,以创建带有不同频带和衰减值的低通、陷波和高通滤波器。您可以根据自己的需求将公差值设为 5%、10% 或 20%。

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PI 滤波器结构需要两个平面阵列。

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根据需求,可以将公差值设为 5%、10% 和 20%。

滤波可以在系统控制单元或整个飞机互连产品的节点上进行。 虽然滤波连接器最早加入了管状元件,平面阵列滤波连接器在性能、易制性、耐用性和成本方面仍更胜一筹。TE 已使用平面版本的连接器替代了各种管状连接器。阵列为各“穿通插针”提供必需的电容,位于阵列任一侧的铁氧体磁珠则会提供正确的电感。PI 滤波器结构需要两个平面阵列。各电容器的接地回路穿过平面阵列,并通过兼容的接地弹簧接触连接器的外壳。在一定范围内,各滤波接触点与相邻接触点的电容值可以不同。替代解决方案 – 连接器内的表面贴装元件 - 成本更低,更能适应电容占用空间的变化,并能提供更低的性能,在衰减高频的过程中尤为显著。这种技术特别适用于陆基通讯和工业用途的应用,目前该技术可满足大规模生产环境,预计未来还可进一步降低其使用条件。

TE 的 EN4165 连接器。
TE 的连接器是常用是乘客连接装置,可进行滤波处理。

如果要选择最佳的滤波选项,不妨先考虑可识别生成的噪声的频率和强度的 EMI 扫描。 一般来说,TE 工程师会使用扫描数据来设计专门针对这种特定噪声环境的滤波器。大多数行业标准的航空航天连接器都可使用滤波选项。母端连接器是定位滤波时最常见、最有效的位置。屏蔽母端可提供必需的对地低阻抗回路以实现最佳性能。滤波母端还有助于最大程度地减小机架中由于内部连续接地层导致的频射干扰带。滤波器还可用作适配器,从而实现快速改造运行不当的系统。这个适配器只是一个两端分别带插头和母端的滤波组件。将电缆拔出,待适配器插入母端后电缆会重新连接。

光纤具有介电性,因此既不会产生辐射,也不会接收 EMI。 作为信号传输的介质,它们可以有效地消除 EMI 问题。鉴于成本、现场可修复性和极端温度下的性能问题,设计师在使用光纤时往往很谨慎。尤其当考虑到使用铜缆连接会因屏蔽层和滤波器产生的额外成本时,光纤的经济效益更有优势。作为用于机上娱乐和乘客网络的高速主干网,光纤兼具高数据速率和较长传输距离两大优势,更有吸引力。

结论

立刻修复 - 或稍后修复。从长远来看,从开始就采用电磁兼容性设计可为将来免去很多麻烦和意外费用。不要为了当前的一些成本节约,而在未来损失更多。尺寸和重量仍然是飞机设计和飞行效率的关键问题,连接器和电缆等元件逐渐变轻、变小,从而在滤波器或屏蔽层增加额外重量的情况下实现平衡。

关于作者

TE Connectivity 的滤波 EMI/射频干扰/瞬变保护连接器广泛应用于全球航空航天、防卫和船舶领域,而 Michael Coon 是 TE Connectivity 此类连接器产品的北美现场应用工程师。Michael 有超过 17 年的电子设备领域工作经验,其中包括 5 年的半导体管理和 12 年从商业到军事航空航天领域的滤波互连经验。