直升机中电磁耦合薄弱路径的确定方法

直升机中电磁耦合薄弱路径的确定方法贾云峰;吴亮;李红;魏嘉利;胡修;马超【摘要】For the complex structures, the narrow space and the large quantity of equipments in the helicopter, a complicated electromagnetic environment makes effects in the avionics platform. For the purpose of finding the ElectroMagnetic Interference (EMI) coupling path rapidly, a method for determining EMI coupling path is presented. Based on the minimum electromagnetic attenuation, the EMI coupling network is converted into EMI coupling diagraph. In a specified frequency, Dijkstra algorithm is applied to seek the shortest path between interfering source and victim. Then a weak link of the electronic system will be determined. Based on this method, a simulation of processors and radio system in helicopter is carried out, and the main coupling path is successfully established. Simulation and analysis indicate that the proposed method is able to find out the weak links of electronic system in an effective way and support for the solution of electromagnetic compatibility issues.%直升机结构复杂、空间狭小、设备繁多，从而导致全机电磁环境异常复杂。

为了快速定位全机电磁干扰耦合的通道，该文提出一种电磁干扰耦合薄弱路径的确定方法。

它通过将复杂电磁干扰耦合网络转换成电磁干扰耦合有向图，以电磁能量衰减量最小为基础，在指定频点处使用Dijkstra算法寻找出干扰源和敏感点之间的最短路径，从而确定电子系统的薄弱环节。

使用该方法对直升机某处理机和电台系统进行了仿真分析，并成功地寻找出敏感设备受扰的主要耦合通道。

仿真和分析表明该方法可有效地寻找出系统电磁耦合的薄弱环节，并为系统的电磁兼容问题提供支撑。

【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P728-733)【关键词】电磁耦合;薄弱路径;有向图;Dijkstra【作者】贾云峰;吴亮;李红;魏嘉利;胡修;马超【作者单位】北京航空航天大学电子信息工程学院北京 100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京 100191;陆航学院基础部北京 101116;北京航空航天大学电子信息工程学院北京 100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TN991 引言随着计算机技术、信息技术及智能技术在直升机上的应用，在直升机系统的有限空间内，设备的发射功率越来越大，接收机的灵敏度也越来越高，因此系统更容易受到电磁干扰[1]。

为了保障系统的电磁兼容性，只要切断电磁兼容三要素中的任意一个就可以有效地抑制电磁干扰，改善系统的电磁兼容性。

在电磁耦合方面，随着电磁干扰现象的研究[2,3]，准确、快速的电磁数值计算方法得到了广泛的运用。

机载电子系统由于系统内部物理尺寸相差巨大且结构复杂，导致剖分网格过多，计算时间和计算资源不可接受，而电磁拓扑为这一问题的解决提供了方法。

电磁拓扑的思想[4,5]是将具有较大体积和复杂结构的系统分层剥离并转化为一些小体积、结构简单的分系统。

其中电磁拓扑理论最经典的方法是BLT 方程[6]，它通过建立各层之间的传递函数来实现复杂系统电磁耦合问题的研究。

电磁拓扑理论得到了广泛的关注，文献[7,8]使用电磁拓扑对复杂传输线网络的耦合问题进行了研究分析，文献[4,9]应用电磁拓扑研究了电磁脉冲传播与耦合问题，文献[10]研究了多层电磁屏蔽条件下电子器件之间的相互耦合问题，文献[11]将矩形孔缝的耦合转换成传输线网络，并使用电磁拓扑计算了机箱的屏蔽效能。

但随着电子设备集成度的增加，设备之间的耦合变得更加复杂，传统的电磁拓扑方法难以对系统进行准确的分层，且各独立单元之间传递函数的计算也异常复杂。

为了解决上述问题，本文首先利用电磁耦合的网络特性，将系统中设备的端口映射成顶点并形成耦合有向图，然后使用比较成熟的数值算法或试验获取孔缝耦合、线缆耦合、天线-线缆耦合等端口之间的S参数或者衰减特性，最后使用最短路径算法寻找系统的电磁薄弱环节，从而解决了复杂系统的电磁干扰耦合问题。

2 电磁薄弱路径分析2.1 电磁薄弱路径确定流程为了准确获取直升机电子系统中干扰源与敏感点之间的主要耦合路径，本文提出了一种电磁干扰耦合薄弱路径的确定方法，提取薄弱路径的流程如图1所示。

该方法首先将电磁干扰耦合网络转换成有向图，然后使用电磁仿真工具和试验数据相结合的方法量化并化简有向图，最后采用Dijkstra算法寻找出有向图中的最短路径。

根据有向图与耦合网络之间的对应关系，最终寻找出薄弱路径上的关键整改点，从而高效地解决电磁干扰耦合问题。

2.2 构建耦合有向图本文首先将系统内的电磁干扰耦合方式分为：天线-天线，天线-线缆，机壳-机壳，线-线，共阻抗 5类[12]，并结合系统的工作原理图和电路原理图，找出系统可能的电磁干扰耦合路径。

然后将耦合路径上的设备端口一一映射为顶点，再根据系统的耦合关系和能量传输方向将各顶点连接起来，并信号的传播方向，从而实现了电磁干扰耦合有向图标明的构建。

图1 电磁干扰耦合薄弱路径确定流程典型电子系统的耦合示意图如图 2(a)所示，图中干扰源通过天线、线缆、孔缝等对敏感设备产生了干扰。

将图 2(a)中的各端口等效成节点，形成的电磁耦合有向图如图2(b)所示(图2中没有标出电缆节点，因为该模型中不包括电缆耦合)。

电磁波在实际传输过程中是进行双向传递，在这里仅考虑由干扰源向敏感体的单向传播。

通常机箱孔缝数量比较多，在进行初始分析时可以对机箱的孔缝进行统一考虑，当确定孔缝是引起干扰的主要路径时，可以对孔缝进行进一步地细分，如图2(b)箭头所示，通过对有向图的深入分析，最终找出电磁干扰耦合通道的薄弱路径。

图2 典型电子系统电磁耦合有向图构建2.3 化简耦合有向图对于单干扰对间的耦合有向图，即单个起始点和单个终止点，可根据图论知识计算出有向图中各个顶点的度，并标出有向图的分支，根据顶点的度和分支来简化有向图。

化简的内容主要包括：删除电磁干扰耦合有向图中顶点的度为0的顶点，即去除系统中不干扰任何其它设备，也不会被其它设备所干扰的设备，如图3(a)所示，即删除节点 4A，其中 1A为干扰源， 3A为敏感点；删除电磁干扰耦合有向图中与源点和终点不连通的子图，即去除系统中干扰能量不通过的设备，如图3(b)所示，即删除节点 4B,7B,8B形成的子图，其中 1B为干扰源， 3B为敏感点；删除电磁干扰耦合有向图中不在源点和终点连通路径上的顶点，即去除系统中其它不相关的干扰源或敏感点，如图 3(c)所示，即删除图中的节点 4C和节点 7C，其中 1C为干扰源， 3C为敏感点。

图3 电磁干扰耦合有向图化简2.4 耦合有向图赋值在单个干扰对间的电磁干扰耦合网络中，某个频点处的干扰能量在传递的过程中可能包含的损耗有：滤波器损耗 fL，线缆损耗 lL，线缆间耦合 lA，天线-线缆耦合tlA ，天线-孔缝耦合 taA ，天线间耦合等，将各损耗量用dB进行表示，则该链路上的总损耗量为当某耦合路径是电磁干扰耦合网络中所有干扰能量损耗最小的路径时，即耦合有向图中的最短路径，因此可以用有向图的最短路径来表征电磁干扰耦合薄弱通道。

其中，有向图中任意两顶点间的衰减量，可以通过仿真或试验的手段获得。

在系统中，设端口i到端口j在频率f条件下的损耗值为 ijL，则对应的有向图中顶点i到顶点j的一条边的数值就为 ijL，且方向为i→j。

为了准确地获取耦合有向图中所有的 ijL，即耦合网络矩阵，对于干扰信号在滤波器和线缆中的损耗量，可以通过对滤波器和线缆两端的传递特性进行测试或计算来获取；天线-线缆间耦合的仿真和测试，采取逐一在某个天线或线缆端加入激励信号，而其它天线或线缆端接入负载，然后计算或测试天线-线缆间的损耗值；对于天线间的耦合，通过建立天线模型并进行仿真或测试，来得到各天线端口间的隔离度数据；线缆间耦合的获取，需要将带天线的线缆进行等效(例如带天线的线缆需要使用等效阻抗替换天线)，从而得到线缆间的损耗值。

对于多线缆的耦合，同样需依次在某一线缆端加入激励信号，而其它线缆端接入等效负载，从而计算或测量该线缆和其它线缆间干扰信号的传递损耗值；对孔缝间耦合的粗分析，只计算机箱的整体屏蔽效能，在进行细分析时，需要对部分孔缝进行封闭来分别考虑不同孔缝的屏蔽效能。

2.5 薄弱耦合路径寻迹图论与不断发展完善的计算机数据结构及算法的有效结合使得最短路径算法不断涌现，目前此类最短路径的算法大约有17种以上。

文献[13]对其中的15种方法进行了测试，结果显示Dijkstra算法更适合于计算两点间的最短路径问题，但效率不高。

文献[14]针对该算法的 3个缺点提出了一种改进的Dijkstra算法，Dijikatra算法在各个领域进行了广泛的应用[15,16]。

耦合有向图中两顶点之间的最短路径可以说是最常见的最短路径问题，Dijkstra算法简单易用，是目前应用较多的算法，且采用结点-弧结构的存储结构，适合于本文中耦合有向图的求解，因此采用Dijkstra算法来进行最短路径寻迹。

设是赋值后的电磁干扰耦合有向图，其中V表示顶点集，A表示边集， ijw表示顶点之间的距离，其获取方法如 2.4节所述，如果，则令表示源点 sv到顶点v的距离，表示源点 sv到任意一个顶点v的距离的上界，表示从 sv到 jv的最短路径上 jv的前一个点的下标。