趙明橋 ，林 俊 ，劉仲義 ，賀冠鵬 ，徐 偉 ，周澤仕 ， 余健銘 ，李 惠 ，邱秀鳳 ，黎春茶

（1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東 廣州 510670；2.廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 河源 517001）

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中提出，加強(qiáng)大中型、智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)應(yīng)用，農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率指標(biāo)提高至75%[1]。而植保無(wú)人機(jī)作為新一代農(nóng)業(yè)機(jī)械，具有成本低、效率高、精準(zhǔn)噴灑、不受地形限制等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于播種、撒肥及噴灑農(nóng)藥。植保無(wú)人機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械電子系統(tǒng)設(shè)備，其電磁兼容性尤為重要，課題組主要根據(jù)植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能缺陷問題進(jìn)行研究與分析，提出消除缺陷或降低電磁兼容安全風(fēng)險(xiǎn)的方法，從而提升植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的綜合性能。

1 輻射發(fā)射測(cè)試概述

輻射發(fā)射是指在正常工作狀態(tài)下，電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部電路工作和設(shè)備機(jī)殼端口向周圍空間發(fā)射的電磁波，測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的工作頻段和雜散發(fā)射均應(yīng)被忽略，其單位一般為dBμV/m。輻射發(fā)射試驗(yàn)主要判定其產(chǎn)生的輻射發(fā)射是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，以至于電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在正常使用過(guò)程中在同一電磁環(huán)境下不對(duì)其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)造成影響。

輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)一般由接收天線、射頻電纜、測(cè)量接收機(jī)、測(cè)試軟件以及電波暗室構(gòu)成。通過(guò)電波暗室屏蔽外界電磁干擾，提供一個(gè)沒有干擾信號(hào)的純凈電磁環(huán)境[2]，將被測(cè)設(shè)備放置于電波暗室的指定位置，運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)，由測(cè)量接收機(jī)接收天線接收被測(cè)設(shè)備的騷擾信號(hào)，最終通過(guò)測(cè)試軟件呈現(xiàn)騷擾信號(hào)數(shù)據(jù)。

輻射發(fā)射的測(cè)量方法，可根據(jù)電波暗室尺寸大小分為3米法、5米法及10米法，也可在開闊試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，目前國(guó)內(nèi)常用電波暗室3米法進(jìn)行輻射發(fā)射的測(cè)量。

2 植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射的測(cè)試研究與工作狀態(tài)

2.1 植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試研究

植保無(wú)人機(jī)由飛行平臺(tái)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)或播撒系統(tǒng)組成，通過(guò)地面控制器與植保無(wú)人機(jī)建立通訊連接后，控制植保無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行，實(shí)現(xiàn)播種、撒肥及噴灑農(nóng)藥等作業(yè)。而飛行平臺(tái)是植保無(wú)人機(jī)各模塊搭載的基礎(chǔ)平臺(tái)，為動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備提供安裝接口。機(jī)身上裝載飛控、數(shù)鏈、RTK模塊、電源分線板、電調(diào)模塊、電機(jī)、噴灑模塊等多種設(shè)備，而多種設(shè)備同時(shí)工作更容易產(chǎn)生電磁干擾。因此，當(dāng)植保無(wú)人機(jī)正常作業(yè)飛行時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生除工作頻率之外的電磁波，污染外界電磁環(huán)境，進(jìn)而干擾到電磁環(huán)境中其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作。

因此，檢測(cè)植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射特性，對(duì)植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能極為重要。植保無(wú)人機(jī)的工作狀態(tài)和其他電子設(shè)備差異很大，在檢測(cè)植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射時(shí)，應(yīng)考慮植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)的特點(diǎn)，選擇合適的工作狀態(tài)，并根據(jù)植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)量，完成植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射項(xiàng)目的檢測(cè)研究。

2.2 植保無(wú)人機(jī)的工作狀態(tài)研究

通過(guò)對(duì)以往電子產(chǎn)品輻射發(fā)射的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，被測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)是影響輻射發(fā)射測(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素，而植保無(wú)人機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械，其工作狀態(tài)也極其復(fù)雜。因此，植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試的工作狀態(tài)也尤為重要。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 3213—2018《植保無(wú)人飛機(jī) 質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中植保無(wú)人機(jī)電磁兼容試驗(yàn)要求，引用GB/T 9254.1—2021《信息技術(shù)設(shè)備、多媒體設(shè)備和接收機(jī) 電磁兼容 第1部分：發(fā)射要求》[3-4]，但NY/T 3213—2018和GB/T 9254.1—2021都未明確植保無(wú)人機(jī)試驗(yàn)時(shí)的具體工作狀態(tài)，而植保無(wú)人機(jī)的典型工作狀態(tài)是帶載飛行、噴灑作業(yè)。若無(wú)人機(jī)在飛行狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，其飛行狀態(tài)具有一定的不穩(wěn)定性和危險(xiǎn)性，容易導(dǎo)致測(cè)量誤差大、測(cè)量結(jié)果難以復(fù)現(xiàn)且容易損壞無(wú)人機(jī)、設(shè)備和暗室吸波材料等。故選擇在非飛行狀態(tài)下對(duì)植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試。

為了確保植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確、穩(wěn)定，植保無(wú)人機(jī)在進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)量時(shí)，其工作狀態(tài)應(yīng)盡可能與實(shí)際典型工作狀態(tài)保持一致。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室反復(fù)研究和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在非飛行狀態(tài)下植保無(wú)人機(jī)工作在通電、與地面控制器通訊、水泵開啟、前照燈開啟及電機(jī)怠速狀態(tài)下模擬植保無(wú)人機(jī)正常工作，其輻射發(fā)射測(cè)量的騷擾信號(hào)最大。

試驗(yàn)（本試驗(yàn)采用3米法進(jìn)行測(cè)試）在電波暗室中進(jìn)行，試驗(yàn)布置如下：將植保無(wú)人機(jī)放置于0.8 m低電常數(shù)材質(zhì)的試驗(yàn)桌上，植保無(wú)人機(jī)布置的中心應(yīng)位于電波暗室轉(zhuǎn)臺(tái)的中心，包圍植保無(wú)人機(jī)布置的一個(gè)假想圓周邊界到天線校準(zhǔn)參考點(diǎn)之間的最短水平距離為3 m。對(duì)于30 MHz～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)的測(cè)量，使用對(duì)數(shù)周期天線作為接收天線；對(duì)于1 GHz～6 GHz頻率范圍內(nèi)的測(cè)量，使用喇叭天線作為接收天線。

3 植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試與整改

3.1 植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試

基于上述布置對(duì)植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射進(jìn)行測(cè)試研究，進(jìn)行某款（型號(hào)為3WWDZ-30A）植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射的測(cè)量，打開測(cè)試系統(tǒng)，布置好檢驗(yàn)場(chǎng)地，設(shè)定植保無(wú)人機(jī)工作在通電、與地面控制器通訊、水泵開啟、前照燈開啟及電機(jī)怠速狀態(tài)下，運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)得植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射結(jié)果。植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射在30 MHz～1 000 MHz范圍內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試圖如圖1所示；1 GHz～6 GHz范圍內(nèi)的測(cè)試圖如圖2所示。

表1 輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 某款植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）測(cè)試圖

圖2 某款植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射（1 GHz～6 GHz）測(cè)試圖

測(cè)試圖中，X軸表示接收機(jī)掃頻的頻率，在30 MHz～6 GHz頻段上對(duì)植保無(wú)人機(jī)的輻射發(fā)射騷擾信號(hào)進(jìn)行掃描測(cè)量，Y軸表示測(cè)量出的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：該款植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試在30 MHz～80 MHz、2.380 5 GHz～2.527 0 GHz和4.784 7 GHz～5.054 0 GHz越過(guò)限值。其中，2.380 5 GHz～2.527 0 GHz和4.784 7 GHz～5.054 0 GHz頻段超過(guò)限值的點(diǎn)分別為植保無(wú)人機(jī)的工作頻率及其諧波發(fā)射，為國(guó)際電信聯(lián)盟定義的有意發(fā)射和相關(guān)雜散發(fā)射，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，該頻點(diǎn)的輻射發(fā)射不考核[5]。因此，該款植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 3213—2018《植保無(wú)人飛機(jī) 質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的輻射發(fā)射限值，最大超限點(diǎn)在46.15 MHz處超限5.32 dBμV/m。

由此可知，植保無(wú)人機(jī)工作時(shí)存在著較強(qiáng)的輻射發(fā)射，其輻射發(fā)射可能會(huì)污染外界電磁環(huán)境，進(jìn)而干擾到電磁環(huán)境中其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作。

3.2 植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射整改

由測(cè)試圖可知，超限的頻點(diǎn)集中在30 MHz～80 MHz之間，進(jìn)行多次試驗(yàn)研究，確認(rèn)植保無(wú)人機(jī)在30 MHz～80 MHz頻段超出限值的原因是寬帶騷擾信號(hào)超限，而這些騷擾信號(hào)主要是由植保無(wú)人機(jī)電源和電機(jī)供電端口處的線纜產(chǎn)生。

考慮到產(chǎn)品已成型固定，由于整改成本高、周期長(zhǎng)和影響無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部布局、改善無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部屏蔽等因素，如采用整改電路板走線布局、更換電子元器件、增加濾波電路等方式，會(huì)影響無(wú)人機(jī)系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號(hào)。故本文針對(duì)植保無(wú)人機(jī)電源和電機(jī)供電端口，使用磁環(huán)進(jìn)行騷擾源預(yù)定位，因超限的頻點(diǎn)集中在30 MHz～80 MHz之間，使用在30 MHz～80 MHz頻段上有足夠大的共模阻抗的鎳鋅鐵氧體磁環(huán)，抑制被測(cè)樣品電源和電機(jī)供電端口處線纜輻射的寬帶騷擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)室在被測(cè)樣品電源和電機(jī)供電端口上使用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)進(jìn)行共模濾波后，進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)量，某款鎳鋅鐵氧體磁環(huán)阻抗頻率特性如圖3所示。測(cè)量發(fā)現(xiàn)某款植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射結(jié)果得到了改善，具體的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試圖分別如表2、圖4所示，測(cè)試結(jié)果合格。

表2 輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）整改后測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 某款鎳鋅鐵氧體磁環(huán)阻抗頻率特性

圖4 某款植保無(wú)人機(jī)輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）整改后測(cè)試圖

對(duì)于那些已經(jīng)處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型階段或者是直接采購(gòu)回來(lái)的成品模塊，一般無(wú)法重新設(shè)計(jì)其內(nèi)部電路，或者設(shè)計(jì)修改起來(lái)成本過(guò)高、周期過(guò)長(zhǎng)，這時(shí)應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際情況，從產(chǎn)品的輸出端口和機(jī)殼的屏蔽接地等方面入手進(jìn)行整改，但往往這種方式所需成本較高，效果也不明顯。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)、技術(shù)等方面進(jìn)行嚴(yán)格的電磁兼容設(shè)計(jì)。

4 植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能分析與質(zhì)量提升建議

4.1 植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能分析

任何電磁兼容問題的產(chǎn)生都必須具備干擾源（騷擾源）、敏感源（電路或設(shè)備）及耦合途徑三個(gè)條件，稱為電磁兼容三要素。因此，當(dāng)要消除或降低產(chǎn)品電磁兼容性能缺陷問題時(shí)，需要從這三個(gè)因素入手，消除其中某一個(gè)因素，就能解決電磁兼容問題。而植保無(wú)人機(jī)在電磁環(huán)境內(nèi)所受的干擾主要分為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾和外界電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的電磁干擾。

植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾主要來(lái)源于飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)（電機(jī)、電調(diào)、電源分線板）、控制系統(tǒng)（飛控、數(shù)鏈、北斗模塊、RTK模塊）、噴灑系統(tǒng)（噴灑模塊、水泵）、機(jī)載設(shè)備（照明燈、雷達(dá)）、天線等多種設(shè)備。除此之外，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部電路板走線、電子元器件布置以及各模塊布局設(shè)計(jì)等因素不合理也會(huì)導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)部局部電荷積累，進(jìn)而造成系統(tǒng)內(nèi)部電磁干擾。

植保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)外界的電磁干擾主要來(lái)源于其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾，包括其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)（如移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備等）有意產(chǎn)生的電磁能量干擾，以及在完成自身功能時(shí)所附帶產(chǎn)生的電磁能量發(fā)射[6]。

4.2 植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能質(zhì)量提升建議

為了確保植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品具有較好的電磁兼容性能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，需從各方面考慮可能存在的電磁兼容問題，將電磁干擾帶來(lái)的影響降到最低，從而有效保證產(chǎn)品實(shí)際使用時(shí)的性能，提高植保無(wú)人機(jī)工作的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升產(chǎn)品的性能質(zhì)量。

4.2.1 輸入與輸出影響

可通過(guò)下列技術(shù)與方法，排除輸入與輸出的影響：

1）屏蔽。屏蔽技術(shù)可抑制電磁干擾的傳播。屏蔽是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體來(lái)說(shuō)，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響[6]。

2）濾波。濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波器件的種類很多，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品電路時(shí)，根據(jù)噪聲的不同特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器件能消除不希望的耦合。如用線路濾波器等濾除一定頻段的干擾信號(hào)，用隔離變壓器等隔離電源噪聲，用電阻器、電容器、電感器等元器件組合成RLC電路對(duì)干擾電壓或電流進(jìn)行吸收、隔離、濾除及去耦處理[6]。

3）接地。接地是抑制噪聲和防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。合理的接地設(shè)計(jì)能有效抑制噪聲和防止干擾，降低電子設(shè)備的輻射電磁干擾噪聲。

4.2.2 降低傳導(dǎo)影響

傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合（諧波干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)的行為現(xiàn)象，一般通過(guò)各設(shè)備間連接線纜或供電電纜產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)線纜布局時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同類型電纜分開捆扎，相鄰的線纜應(yīng)采用屏蔽措施、合理規(guī)劃不同種類線纜敷設(shè)間距等方式，消除或降低傳導(dǎo)干擾帶來(lái)的影響。

4.2.3 減少互耦影響

互耦干擾可分為兩類，一類是在相互很近的導(dǎo)體或回路之間產(chǎn)生電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合而產(chǎn)生干擾，屬感應(yīng)類干擾；另一類是干擾信號(hào)通過(guò)直接相通的電路（如電源線、地線）耦合到敏感設(shè)備，屬傳導(dǎo)干擾。針對(duì)以上兩類干擾，在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)優(yōu)選多層板，將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)，電源層應(yīng)靠近接地層，電源線應(yīng)盡可能靠近地線，以此消除或降低感應(yīng)類干擾；干擾源應(yīng)單獨(dú)安排一層，并遠(yuǎn)離敏感電路層[7-10]，以消除或降低傳導(dǎo)干擾。

5 結(jié)論

課題組對(duì)植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能（輻射發(fā)射）測(cè)試進(jìn)行了研究與分析，為植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能質(zhì)量提升提供建議，為植保無(wú)人機(jī)電磁兼容性能缺陷提出消除或降低安全風(fēng)險(xiǎn)的方法，提升植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的綜合性能，更好地促進(jìn)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展。