AFDX网络设备电磁兼容设计方法分析

来源:用户上传      作者:白杨 孔维刚 董伟

　　摘   要：AFDX网络是当前国际公认的运输机主流机载网络。AFDX作为航电主干网络，连接诸多AFDX网络设备，因此，这些机载设备的电磁兼容问题则显得尤为重要。文章针对AFDX网络设备的电磁兼容问题，从实际工程经验出发，针对AFDX网络设备，分析了时钟电路、接口电路、机械结构及外围电缆的电磁兼容影响，提出了实际的设计方法和典型的应用实例。
　　关键词：航空电子全双工交换式以太网;电磁兼容;电磁干扰
　　航空电子全双工交换式以太网（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）是当前国际公认的运输机主流机载网络。随着航空电子设备数据处理能力和综合化程度的发展，挂接在AFDX网络中的机载电子设备数量日益增多，在飞机机舱空间中会产生严重的电磁兼容问题。文章分析了电磁兼容问题产生的原因，并分别提出了实际的设计方法。
　　1    AFDX网络设备电磁环境分析
　　AFDX网络通常在飞机中作为飞机主干网络，为飞机各分系统提供网络通信服务，AFDX网络设备广泛分布于机载电子设备中。同时，机载设备工作频谱分布较为拥挤，AFDX网络设备产生的电磁干扰极易干扰超短波电台，影响飞机通信。因此，电磁兼容性作为现代航空装备的重要技术指标之一，必须在AFDX网络设备研制的各个阶段进行设计迭代和优化。
　　2    AFDX网络设备电磁兼容分析
　　2.1  AFDX网络设备干扰源分析
　　AFDX网络的物理层满足IEEE 802.3标准[1]。目前，在飞机中采用的AFDX网络设备的通信速率多为100 Mbps。
　　AFDX网络设备在物理层通信，主要通过物理层PHY芯片的MII/RMII等介质独立接口与MAC芯片完成数据传输和交互。MII接口采用4根数据线实现100 Mbsp速率传输，而RMII接口则采用2根数据线实现100 Mbsp速率传输。因此，AFDX网络设备通常采用25 MHz时钟或50 MHz时钟的晶振来匹配MII接口或RMII接口。而25 MHz，50 MHz以及其倍频的电磁干扰会耦合至设备内部电源和信号中，并通过空间、传导的方式从设备外壳、缝隙、接口及线缆向外发射。
　　2.2  AFDX网络设备机械结构分析
　　AFDX网络设备主要用于飞机主干网络，为满足机载应力环境，需要保证其良好的散热和强度较高的机械结构。机械结构需要起到对电磁干扰的屏蔽和抑制作用。
　　AFDX网络设备在飞机中较多的装备在设备舱，采用风冷散热，因此设备壳体多留有通风孔，航插连接器信号集中，有些面板还存在离散量开关、指示灯等组件;另外，还需要考虑机械结构的减重设计，导致机械结构各部件之间的缝隙增多，以上因素均会导致电磁干扰通过这些缝隙产生辐射。
　　2.3  AFDX网络设备线缆分析
　　在当前飞机主干网络中，AFDX网络设备的通信线缆仍以四同轴屏蔽线缆为主，光纤为辅，电磁兼容问题主要通过四同轴线缆产生。
　　四同轴线缆由4根芯线和芯线外部包裹的屏蔽层组成，4根芯线传输AFDX网络数据帧，屏蔽层则实现电磁防护，但往往由于屏蔽层处理不当，导致其非但未能起到电磁屏蔽作用，还会形成天线效应，从而产生传导发射。另外，四同轴线缆往往与电源线缆、离散量相互耦合，导致辐射耦合至其他线缆产生电磁干扰的传导发射。
　　3    AFDX网络设备电磁兼容设计
　　根据上述分析，AFDX网络设备的电磁兼容性设计应该从电路设计、结构设计和电缆屏蔽滤波几方面着手。
　　3.1  AFDX网络设备电路原理设计优化
　　AFDX网络设备的电路由印刷电路板实现，通过对电路板的合理优化能够有效减少电磁辐射。首先，在印刷电路特别是时钟电路中，配置去耦电容，能够有效减少电磁干扰的影响。其次，合理地设计布局电路板各类元器件能够大大提高其抗干扰能力，减少电磁干扰的影响。最后，走线要避免使用直角布线，尽量加粗电源线与接地线，并采用独立的电源层和接地层，减少表面相互间的电磁干扰。
　　AFDX网络设备接口电路通常采用物理层PHY芯片及其相应配置电路构成，如图1所示。
　　为了减小电磁干扰通过AFDX网络接口向外辐射，以太网变压器和连接器之间应增加Bob-smith电路，同时，保证以太网变压器初级线圈中间抽头接地的通道不能过于狭窄，接机壳地，保证共模泄放路径的畅通。次级线圈中间抽头接地应当接印制板内部的数字地，保证以太网变压器两侧隔离，减少电磁干扰在两侧的耦合。以太网接口電路设计如图2所示。
　　3.2  AFDX网络设备机械结构设计优化
　　机械结构的良好设计，能够在很大程度上阻断AFDX网络设备内部印制板与外界的电磁干扰。
　　在AFDX网络设备的机箱结构设计中，应该最大限度地避免通信设备机箱上的电不连续性问题。因此，在机箱和前面板接触表面的位置增加一定凹槽，槽内增加金属编织丝网衬垫，金属编织丝网衬垫中需要带有导电橡胶芯，保证前面板和箱体紧密接触。同时，由于AFDX网络设备在飞机中较多的装备在设备舱，采用风冷散热，因此设备壳体多留有通风孔，为实现电磁屏蔽，需要在通风孔内装配金属屏蔽丝网[2]。
　　盖板的设计中采用导电氧化处理的铝合金板材，保证良好的电连续接触，增强电磁屏蔽作用。
　　机箱有良好的接地，能够对电磁干扰信号形成通常的泄放通路。通过接地能够保证整个通信设备机箱等电位，最终实现通信设备以及机箱的电磁兼容。
　　3.3  AFDX网络设备电缆设计优化
　　AFDX网络设备电缆通常分为3类：电源电缆、离散量信号线缆以及AFDX网络通信线缆。 　　（1）針对电源电缆，可在电源输入端增加滤波器，滤波器选取需要根据供电电源特有频率以及AFDX网络设备的固有频率选取，保证辐射能量的最小化。根据工程经验，在电源正负线中，串接高频穿心磁珠能够对25 MHz，50 MHz及其倍频耦合在电源线的电磁干扰产生较强的抑制作用，可有效解决以太网信号在电源线上的电磁干扰问题。
　　（2）离散量信号则可采用光电耦合器件，将印制板内的电磁干扰通过光电子器件隔离在板内[3]。
　　（3）AFDX网络通信线缆通常采用四同轴屏蔽线缆，为了达到良好的屏蔽效果，四同轴的屏蔽层需要从连接器端实现360°环接，并且保证通信线缆两端均能通过AFDX网络设备实现良好的接地。
　　4    结语
　　文章从实际工程经验出发，分析了AFDX网络设备时钟、接口电路、机械结构及外围电缆的电磁兼容影响，提出了实际的设计方法和典型的应用实例。相信随着相关技术的不断发展与完善，AFDX网络设备的电磁兼容问题必将得到进一步的解决。
　　[参考文献]
　　[1]ARINC 664.Aircraft data network[Z].Aeronautical，Radio，inc.，2009.
　　[2]强伟，唐正飞，岳德周.通信设备电磁兼容的机械结构设计方法[J].无线互联科技，2018（12）：73-74.
　　[3]曹军旗，姚殿民，陶玉刚.舰船通信系统电磁兼容设计分析[J].环境技术，2013（2）：38-41.
　　Analysis of electromagnetic interference design method of AFDX network equipment
　　Bai Yang， Kong Weigang， Dong Wei
　　（Xi’an Institute of Aeronautical Computing Technology， AVIC， Xi’an 710065， China）
　　Abstract：AFDX is currently internationally recognized as the mainstream airborne network of transport aircraft. AFDX， as the main network of avionics， connects a lot of AFDX network equipment. Therefore， the EMC of these airborne equipment is particularly important. In this paper， based on the actual engineering experience， for AFDX network equipment， analyzes the EMC influence of the clock circuit， interface circuit， mechanical structure and cables. In addition， the practical design method and typical application examples are proposed.
　　Key words：avionics full duplex switched Ethernet; electromagnetic compatibility; electromagnetic interference
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