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摘 要：在民航客机上便携式电子设备（Portable Electronic Device， PED）的使用已经成为干扰机载电子电气系统/设备不可忽视的潜在干扰源，因此，在民航客机研制过程中需要对其带来的潜在干扰进行有效的评估。该文提出了PED有意辐射对机载系统后门耦合干扰的低电平测试方法。
关键词：PED 后门耦合 电场强度 感应电流
中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0007-03
随着互联网和移动通信业务的飞速发展，越来越多的航空公司期望能够在飞机上使用便携式电子设备，如笔记本电脑、平板电脑、手机、MP3/MP4播放器等，以便给乘客带来更高端、更优质的服务，同时带来更多的利润。然而，这些PED辐射发射的电磁能量会对机载设备带来潜在的电磁干扰威胁[1-4]。近些年来，不断有PED干扰机载系统的事件被报道，如有飞行员在飞行记录中称三星SPH-N300型手机影响了机载GPS的正常工作，导致飞机与卫星失去连接；在另一次航班上，飞行员发现当打开一个DVD播放器时，机载导航系统出现了一个30°的偏差，在关闭这个播放器后，系统恢复了正常[5]。为此，美国国家航空航天管理局针对PED对机载设备的干扰问题发布了相关研究报告，表明持续使用手机等存在射频能量发射的便携式电子设备可能对全球定位系统等机载高灵敏度接收机的正常工作产生影响。自20世纪80年代以来，美国航空无线电委员会颁布了一系列关于民用客机PED电磁防护的标准，包括DO-199、DO-233和DO-294[6]，直至2007年颁布的DO-307[7]。
1 后门耦合机理
根据DO-307的分析，PED无意发射耦合干扰机载接收机（前门耦合）与PED有意辐射发射直接耦合进设备或设备连接电缆（后门耦合）需要在飞机设计和验证阶段考虑，所以该文中后门耦合的主要研究内容是PED有意辐射发射对设备或线缆的干扰测试。
对于指定的敏感设备，其敏感度电平也是分为传导敏感性和辐射敏感性，而且其传导敏感性和辐射敏感性的电平是其设备或系统本身的固有属性，当传导电平或辐射电平超过其自身的承受限值时，就会失效，如图1所示。
由于电磁信号本身的特性，所以敏感设备在低频（400 MHz以下）是以传导形式被干扰，而在高频更容易场干扰（100 MHz以上）。当PED作为干扰源，其有意辐射场甚电平如果超出该设备的敏感性电平时，则其功能可能受到影响甚至失效或降级。
2 后门耦合测试方法
由于T-PED（PED with Transmitt
ing Capabilities）的有意辐射，所以在设计初期要求在机上允许使用PED区域附近安装的电子设备具备一定的抗干扰能力，RTCA DO-307推荐了机载设备鉴定试验辐射敏感度电平的最低要求。但是从飞机设计验证角度来讲，仍然需要开展机上试验来检验T-PED的耦合干扰情况。
ED-130中推荐的T-PED后门耦合干扰机上测试方法，是将模拟的T-PED辐射源置于飞机内部，同时定性检查机载设备的工作状态是否出现异常[8]。如图2所示，将T-PED模拟辐射源天线主要放置于飞机内部允许使用T-PED的区域，如客舱前部、中部和后部，以及驾驶舱和货舱等，试验时通过信号发生器提供连续波或脉冲波形信号，经功率放大器将信号放大输出至T-PED模拟辐射源天线，同时检查机载系统/设备的工作情况。在试验前，需要确定T-PED模拟辐射源天线的有效全向辐射功率（EIRP）等，并选择合适的辐射天线。模拟辐射源天线的EIRP主要取决于T-PED的无线信号传输类型和标准，如GSM900型移动电话，其信号调制类型为GMSK，工作上行频率为876～915 MHz，下行频率为921～960 MHz，0.1 m处的辐射场强为77 V/m，即要求模拟辐射源天线的EIRP为2 W。
3 低电平测试方法
上节的试验方法可以全面、直观的检查T-PED对机载电子设备的干扰情况，但也存在许多不足之处。在实际应用中，该方法更适合用于改装飞机或新研飞机的适航验证试验，因为在开展这项试验时，飞机构型已达到取证状态，机载系统能否正常工作是试验的最终判据。如果在飞机研制过程中开展这项试验，会因系统构型的变化而导致试验结果的无效，而且对功率放大器的要求非常高，不适合外场测试，并且高电平的辐射试验具有一定的风险。因此，该论文提出了一种新的T-PED后门耦合试验方法，即低电平归一化试验方法。
根据T-PED后门耦合机理，其辐射发射信号的电场强度是导致机载设备干扰的决定因素。对机载设备来说，是否会被干扰取决于其辐射敏感度和传导敏感度。因此，在试验中可缩小T-PED模拟辐射源天线的EIRP，使其在1 m远距离的辐射场强归一化为1 V/m，然后测量机载设备安装环境的电场强度与其连接线缆上的传导感应电流，再根据关注的T-PED通信标准的相关参数将测量结果外推，之后将其和被测设备的辐射敏感度和传导敏感度进行对比，来分析是否可能出现干扰。T-PED模拟辐射源天线的EIRP与辐射场强度E之间的关系如公式（1）所示。
（1）
其中，r为距离辐射源天线的距离；EIRP为辐射源天线的有效全向辐射功率；为。
测试外推的放大倍数d可通过公式（2）得到。
（2）
其中，为T-PED模拟辐射源在1 m远的场强；为归一化后T-PED模拟辐射源在1m远的场强，一般为1 V/m。
T-PED后门耦合干扰低电平归一化测量方法同上节介绍的方法最大的不同之处在于降低了T-PED模拟辐射源天线的辐射功率和试验结果的判定方法。
3.1 舱室电场强度测量
将T-PED模拟辐射源天线放置在客舱内部走廊位置，场强接收天线放置在驾驶舱中央操作台上方。T-PED模擬辐射源天线选择在100 MHz～350 MHZ频段内使用双锥天线，350 MHz～500 MHz频段范围内使用偶极子天线，如图3所示。接收天线放置于驾驶舱，如图4所示。 试验前，发射天线的辐射场强在电波暗室中进行了1 m距离校准，校准场强归一化为1 V/m。试验过程中，以连续波调制方式进行辐射发射，信号频率范围为100 MHz～500 MHz，频率间隔为2 MHz，测量结果曲线如图5所示。
3.2 机上电缆感应电流测量
T-PED模拟辐射源天线位置和激励信号不变，选择被测电缆为驾驶舱至客舱后部沿走廊敷设的屏蔽双绞线，电缆两端为模拟负载，屏蔽层接地，电流探头布置在距待测端点约5 cm位置，如图6所示。图7为线缆感应电流测试结果。
4 结语
该文依据T-PED辐射耦合干扰机载设备的机理，介绍了T-PED后门耦合机上测试方法，同时提出了低电平测试方法，即通过测量T-PED辐射场在飞机主要功能舱室内的电场强度和线缆上的感应电流的方法，来评估、分析T-PED对机载设备带来的潜在威胁。
参考文献
[1] Tekla S. Perry， Linda Geppert.Do portable electronics endanger flight？The evidence mounts[J].IEEE Spectrum，1996，33（9）：26-33.
[2] Lin Li，RamahiO.M，Pecht.M，etal.Airborne operation of portable electronic devices[J].Antennas and Propagation Magazine，IEEE， 2002，44（4）：30-39.
[3] Bill Strauss，M.Granger Morgan. Everyday Threats to Aircraft Safety[J].Issues in Science and Technology，2002：8286.
[4] Grahan William Strauss.Portable Electronic Devices Onboard Commercial Aircraft： Assessing the Risks[D].Carnegie Mellon University， 2005.
[5] 孫京陵.民航客机客舱内无线通信设备天线辐射干扰危害研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.
[6] RTCA DO-294，Guidance on Allowing Transmitting Portable Electronic Devices （T-PEDs） on Aircraft.
[7] RTCA DO-307，Aircraft Design and Certification for Portable Electronic Device （PED） Tolerance.
[8] EUROCAE ED-130，Guidance For The Use Of PortablLe Electronic Devices （Peds） on Board Aircraft.
关键词：PED 后门耦合 电场强度 感应电流
中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0007-03
随着互联网和移动通信业务的飞速发展，越来越多的航空公司期望能够在飞机上使用便携式电子设备，如笔记本电脑、平板电脑、手机、MP3/MP4播放器等，以便给乘客带来更高端、更优质的服务，同时带来更多的利润。然而，这些PED辐射发射的电磁能量会对机载设备带来潜在的电磁干扰威胁[1-4]。近些年来，不断有PED干扰机载系统的事件被报道，如有飞行员在飞行记录中称三星SPH-N300型手机影响了机载GPS的正常工作，导致飞机与卫星失去连接；在另一次航班上，飞行员发现当打开一个DVD播放器时，机载导航系统出现了一个30°的偏差，在关闭这个播放器后，系统恢复了正常[5]。为此，美国国家航空航天管理局针对PED对机载设备的干扰问题发布了相关研究报告，表明持续使用手机等存在射频能量发射的便携式电子设备可能对全球定位系统等机载高灵敏度接收机的正常工作产生影响。自20世纪80年代以来，美国航空无线电委员会颁布了一系列关于民用客机PED电磁防护的标准，包括DO-199、DO-233和DO-294[6]，直至2007年颁布的DO-307[7]。
1 后门耦合机理
根据DO-307的分析，PED无意发射耦合干扰机载接收机（前门耦合）与PED有意辐射发射直接耦合进设备或设备连接电缆（后门耦合）需要在飞机设计和验证阶段考虑，所以该文中后门耦合的主要研究内容是PED有意辐射发射对设备或线缆的干扰测试。
对于指定的敏感设备，其敏感度电平也是分为传导敏感性和辐射敏感性，而且其传导敏感性和辐射敏感性的电平是其设备或系统本身的固有属性，当传导电平或辐射电平超过其自身的承受限值时，就会失效，如图1所示。
由于电磁信号本身的特性，所以敏感设备在低频（400 MHz以下）是以传导形式被干扰，而在高频更容易场干扰（100 MHz以上）。当PED作为干扰源，其有意辐射场甚电平如果超出该设备的敏感性电平时，则其功能可能受到影响甚至失效或降级。
2 后门耦合测试方法
由于T-PED（PED with Transmitt
ing Capabilities）的有意辐射，所以在设计初期要求在机上允许使用PED区域附近安装的电子设备具备一定的抗干扰能力，RTCA DO-307推荐了机载设备鉴定试验辐射敏感度电平的最低要求。但是从飞机设计验证角度来讲，仍然需要开展机上试验来检验T-PED的耦合干扰情况。
ED-130中推荐的T-PED后门耦合干扰机上测试方法，是将模拟的T-PED辐射源置于飞机内部，同时定性检查机载设备的工作状态是否出现异常[8]。如图2所示，将T-PED模拟辐射源天线主要放置于飞机内部允许使用T-PED的区域，如客舱前部、中部和后部，以及驾驶舱和货舱等，试验时通过信号发生器提供连续波或脉冲波形信号，经功率放大器将信号放大输出至T-PED模拟辐射源天线，同时检查机载系统/设备的工作情况。在试验前，需要确定T-PED模拟辐射源天线的有效全向辐射功率（EIRP）等，并选择合适的辐射天线。模拟辐射源天线的EIRP主要取决于T-PED的无线信号传输类型和标准，如GSM900型移动电话，其信号调制类型为GMSK，工作上行频率为876～915 MHz，下行频率为921～960 MHz，0.1 m处的辐射场强为77 V/m，即要求模拟辐射源天线的EIRP为2 W。
3 低电平测试方法
上节的试验方法可以全面、直观的检查T-PED对机载电子设备的干扰情况，但也存在许多不足之处。在实际应用中，该方法更适合用于改装飞机或新研飞机的适航验证试验，因为在开展这项试验时，飞机构型已达到取证状态，机载系统能否正常工作是试验的最终判据。如果在飞机研制过程中开展这项试验，会因系统构型的变化而导致试验结果的无效，而且对功率放大器的要求非常高，不适合外场测试，并且高电平的辐射试验具有一定的风险。因此，该论文提出了一种新的T-PED后门耦合试验方法，即低电平归一化试验方法。
根据T-PED后门耦合机理，其辐射发射信号的电场强度是导致机载设备干扰的决定因素。对机载设备来说，是否会被干扰取决于其辐射敏感度和传导敏感度。因此，在试验中可缩小T-PED模拟辐射源天线的EIRP，使其在1 m远距离的辐射场强归一化为1 V/m，然后测量机载设备安装环境的电场强度与其连接线缆上的传导感应电流，再根据关注的T-PED通信标准的相关参数将测量结果外推，之后将其和被测设备的辐射敏感度和传导敏感度进行对比，来分析是否可能出现干扰。T-PED模拟辐射源天线的EIRP与辐射场强度E之间的关系如公式（1）所示。
（1）
其中，r为距离辐射源天线的距离；EIRP为辐射源天线的有效全向辐射功率；为。
测试外推的放大倍数d可通过公式（2）得到。
（2）
其中，为T-PED模拟辐射源在1 m远的场强；为归一化后T-PED模拟辐射源在1m远的场强，一般为1 V/m。
T-PED后门耦合干扰低电平归一化测量方法同上节介绍的方法最大的不同之处在于降低了T-PED模拟辐射源天线的辐射功率和试验结果的判定方法。
3.1 舱室电场强度测量
将T-PED模拟辐射源天线放置在客舱内部走廊位置，场强接收天线放置在驾驶舱中央操作台上方。T-PED模擬辐射源天线选择在100 MHz～350 MHZ频段内使用双锥天线，350 MHz～500 MHz频段范围内使用偶极子天线，如图3所示。接收天线放置于驾驶舱，如图4所示。 试验前，发射天线的辐射场强在电波暗室中进行了1 m距离校准，校准场强归一化为1 V/m。试验过程中，以连续波调制方式进行辐射发射，信号频率范围为100 MHz～500 MHz，频率间隔为2 MHz，测量结果曲线如图5所示。
3.2 机上电缆感应电流测量
T-PED模拟辐射源天线位置和激励信号不变，选择被测电缆为驾驶舱至客舱后部沿走廊敷设的屏蔽双绞线，电缆两端为模拟负载，屏蔽层接地，电流探头布置在距待测端点约5 cm位置，如图6所示。图7为线缆感应电流测试结果。
4 结语
该文依据T-PED辐射耦合干扰机载设备的机理，介绍了T-PED后门耦合机上测试方法，同时提出了低电平测试方法，即通过测量T-PED辐射场在飞机主要功能舱室内的电场强度和线缆上的感应电流的方法，来评估、分析T-PED对机载设备带来的潜在威胁。
参考文献
[1] Tekla S. Perry， Linda Geppert.Do portable electronics endanger flight？The evidence mounts[J].IEEE Spectrum，1996，33（9）：26-33.
[2] Lin Li，RamahiO.M，Pecht.M，etal.Airborne operation of portable electronic devices[J].Antennas and Propagation Magazine，IEEE， 2002，44（4）：30-39.
[3] Bill Strauss，M.Granger Morgan. Everyday Threats to Aircraft Safety[J].Issues in Science and Technology，2002：8286.
[4] Grahan William Strauss.Portable Electronic Devices Onboard Commercial Aircraft： Assessing the Risks[D].Carnegie Mellon University， 2005.
[5] 孫京陵.民航客机客舱内无线通信设备天线辐射干扰危害研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.
[6] RTCA DO-294，Guidance on Allowing Transmitting Portable Electronic Devices （T-PEDs） on Aircraft.
[7] RTCA DO-307，Aircraft Design and Certification for Portable Electronic Device （PED） Tolerance.
[8] EUROCAE ED-130，Guidance For The Use Of PortablLe Electronic Devices （Peds） on Board Aircraft.