CN106458334A - 用于飞机天线航空电子装置的防雷保护 - Google Patents
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Abstract
公开了在提供与飞机天线相关联的航空电子部件的防雷保护中有用的组件、设备、装置和方法。本公开的方面可在飞机上使用，所述飞机包括由具有相对较低的导电性的复合材料制成的结构元件。所公开的示例性组件包括：天线，其固定到所述飞机的结构元件并且被配置来在所述飞机外部接收无线信号和/或发射无线信号；通信单元，其可操作地连接到所述天线以用于所述天线与所述通信单元之间的信号传输；以及隔离变压器，其电气地设置在所述天线与所述通信单元之间，其中所述天线与所述通信单元之间的信号传输通过所述隔离变压器进行。
Description
相关申请的交叉引用
本国际PCT专利申请要求2014年3月28日提交的美国临时专利申请序列号61/971,847的优先权，所述美国临时专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及飞机航空电子装置的防雷保护，并且更具体地涉及与飞机天线相关联的航空电子部件的防雷保护。
背景技术
飞机可具有安装在它们的机身上的一些天线。对于具有金属机身的飞机，机身结构通常具有低电阻，因此可由雷击感应的电流可通过机身机构传播。然而，复合材料在机身构造中的广泛使用导致了关于导电性和防雷保护的特定考虑，因为复合材料通常不比金属导电。例如，具有固定到由复合材料制成的机身结构的金属且导电底座的天线可用作用于雷电扫描式雷击的潜在再附着点。因此，连接到此类天线的电缆可潜在地成为用于雷电感应电流贯穿飞机的路径。
因此期望改进。
概述
本公开描述了在提供与飞机天线相关联的航空电子部件的防雷保护中有用的组件、设备、装置和方法。
在一方面，本公开描述了一种在飞机上使用的组件。所述组件包括：
天线，其固定到飞机的结构元件并且被配置成在飞机外部接收无线信号和发射无线信号中的至少一者；
飞机的通信单元，其可操作地连接到天线，以用于天线与通信单元之间的信号传输；以及
隔离变压器，其电气地设置在天线与通信单元之间，其中天线与通信单元之间的信号传输通过所述隔离变压器进行。
隔离变压器可物理地设置成离天线比离通信单元更近。
隔离变压器可直接连接到天线的连接器。
飞机结构元件可包括飞机机身的至少一部分。
隔离变压器可被配置来允许传输频率在约800MHz至约1.3GHz之间的信号。
通信单元可不包括意图保护通信单元不受由雷击感应的电流影响的其他装置。
通信单元可通过开路可操作地连接到天线。
隔离变压器可设置在天线与同轴电缆之间。
隔离变压器可包括：第一绕组，其连接在天线的两个端子之间；以及第二绕组，其连接在同轴电缆的芯导体与同轴电缆的连接到通信单元的屏蔽体之间。
隔离变压器可包括：第一绕组，其连接在天线的线路端子与同轴电缆的芯导体之间；以及第二绕组，其连接在天线的接地端子与同轴电缆的屏蔽体之间。
飞机结构元件可包括复合材料。
通信单元可包括处于足以在具有金属结构元件的飞机内使用的水平的防雷保护能力。
在另一个方面，本公开描述了一种用于为飞机的通过同轴电缆连接到飞机的天线的通信单元提供防雷保护的设备。所述设备包括隔离变压器，其包括感应地耦合到第二绕组的第一绕组，所述第一绕组连接在飞机天线的两个端子之间并且第二绕组连接在同轴电缆的芯导体与同轴电缆的屏蔽体之间。
另一方面，本公开描述了一种用于为飞机的通过同轴电缆连接到飞机的天线的通信单元提供防雷保护的设备。所述设备包括隔离变压器，其包括感应地耦合到第二绕组的第一绕组，所述第一绕组连接在飞机天线的线路端子与同轴电缆的芯导体之间并且第二绕组连接在飞机天线的接地端子与同轴电缆的屏蔽体之间。
另一方面，本公开描述了一种用于飞机的天线与飞机的通信单元之间的信号传输并且用于为通信单元提供防雷保护的方法。所述方法包括：
以下操作中的至少一个：
在飞机天线处生成表示在所述天线处接收到的无线信号的信号；以及
在通信单元处生成表示有待由所述天线发射的无线信号的信号；以及
在飞机天线与通信单元之间感应地传递所述信号。
所述感应传递可在离天线比离通信单元更近的位置处执行。
所述信号可包括在约800MHz至约1.3GHz之间的频率。
所述方法可包括基本上防止天线与通信单元之间的直流传输。
在另一个方面，本公开描述了一种用于飞机的天线与飞机的通信单元之间的信号传输并且用于为通信单元提供防雷保护的方法。所述方法包括：
以下操作的至少一个：
在飞机天线处生成表示在所述天线处接收到的无线信号的差模信号；以及
在通信单元处生成表示有待由所述天线发射的无线信号的差模信号；
允许所述差模信号在飞机天线与通信单元之间的传递；以及
在飞机天线与通信单元之间衰减共模信号。
所述差模信号可包括在约800MHz至约1.3GHz之间的频率。
所述共模信号可包括直流。
另一方面，本公开描述了包括本文所公开的组件和/或设备的飞机。
在各种实施方案中，隔离变压器可物理地设置成离天线比离通信单元更近。例如，隔离变压器可直接连接到天线的连接器。在一些实施方案中，隔离变压器可设置在天线和同轴电缆之间。
在各种实施方案中，天线可固定到其上的飞机结构元件可包括飞机机身的至少一部分。在一些实施方案中，飞机结构元件可包括具有相对较低导电性的复合材料。
在各种实施方案中，隔离变压器可被配置来允许传输频率在约800MHz至约1.3GHz之间的信号。
在各种实施方案中，通信单元可不包括意图保护通信单元不受由雷击感应的电流影响的其他装置。例如，通信单元可包括处于足以在具有金属结构元件的飞机内使用的水平的防雷保护能力。
在各种实施方案中，通信单元可通过开路可操作地连接到天线。
本申请的主题的这些和其他方面的进一步细节将从以下包括的详述和附图显而易见。
附图描述
现在参考附图，其中：
图1示出示例性飞机天线组件和包括所述天线组件的对应示例性飞机；
图2是图1的组件的天线沿着图1中的线2-2截取的截面图；
图3是不具有隔离变压器的天线组件的电路的示意性表示；
图4是具有隔离变压器的天线组件的电路的示意性表示；
图5是连接到图1的天线组件的天线的连接器的示例性隔离变压器的图像；
图6是图1的天线组件包括具有分流配置的隔离变压器的示意性表示；
图7是示出用于飞机的天线与飞机的通信单元之间的信号传输并且用于使用图6的隔离变压器为通信单元提供防雷保护的示例性方法的流程图；
图8是图1的天线组件包括具有共模扼流圈配置的隔离变压器的示意性表示；
图9是等效于具有图8的隔离变压器的图1的天线组件的Kirchhoff电路的示意性表示；
图10A是图8的隔离变压器具有通过隔离变压器传输的差模信号的示意性表示；
图10B是图8的隔离变压器具有由隔离变压器衰减的共模信号的示意性表示；
图11是示出用于飞机的天线与飞机的通信单元之间的信号传输并且用于使用图8的隔离变压器为通信单元提供防雷保护的示例性方法的流程图；
图12是示出在示例性操作测试期间在频率范围内的天线信号完整性的图；
图13示出从雷电环境导出的示例性“分量A”电流测试波形的图；
图14是比较不具有隔离变压器的使用和具有隔离变压器的使用的解决方案的传递函数的图；
图15A和15B分别示出当飞机结构经受分量A测试雷电流时，具有和不具有隔离变压器的使用的航空电子系统负载电平处的感应电压；并且
图16A和16B分别示出当飞机结构经受分量H测试雷电流时，具有和不具有隔离变压器的使用的航空电子系统负载电平处的感应电压。
详述
通过参考附图描述各种实施方案的方面。本公开总体上涉及飞机航空电子装置的防雷保护。在各种方面中，本公开描述了在提供与飞机天线相关联的航空电子部件的防雷保护中有用的组件、设备、装置和方法。在一些实施方案中，本文公开的组件、设备、装置和方法可在飞机上使用，所述飞机包括由具有相对较低的导电性的复合材料制成的结构元件。虽然本公开主要涉及飞机天线组件，但是本文公开的组件、设备、装置和方法可在其他类型的移动平台(例如，车辆)上并且还在可能需要与天线相关联的防雷保护的固定应用中使用。
图1示出示例性飞机10和可以是飞机10的部分的天线组件12的部分示意性表示。飞机10可包括企业、私人、商业或任何其他类型的飞机。例如，飞机10可以是固定翼飞机或旋转翼飞机。在一些实施方案中，飞机10可以是窄体的双发动机喷气式班机。飞机10可包括机身14、一个或多个机翼16以及用于推进飞机10的一个或多个发动机18。在各种实施方案中，飞机10可包括一个或多个结构部件，其包括一种或多种复合材料。例如，机翼16中的一个或多个和机身14可包括复合材料，诸如合适的碳纤维复合材料和/或其他合适的复合材料。在一些实施方案中，此类复合材料可具有相对较低的导电性(例如，电绝缘)并且导电体可嵌入此类材料中以便提供抗雷击的一定程度的保护。然而，通过金属底座附接到包括此类复合材料的飞机结构的天线可潜在地用作雷电再附着点。因此，用于连接到此类天线的航空电子部件的另外防雷保护可以是期望的。
天线组件12可包括天线20，其可通过底座22固定到机身14。在各种实施方案中，天线20可固定到飞机10的任何合适的部分，包括机翼16或飞机10的其他结构元件。底座22可包括至少部分由导电(例如，金属)材料制成的板。天线20可被配置来在飞机10外部接收无线信号和/或发射无线信号。例如，天线20可被配置来向飞机10外部的接收器发射和/或从飞机10外部的来源接收无线信号。例如，天线20可用于与地面站通信。在一些实施方案中，天线20可适用于高频(HF)、特高频(VHF)和/或其他类型的通信。可替代地或另外，天线20可用于导航目的。在各种实施方案中，天线20可以是适用于空中交通管制(ATC)、测距装备(DME)、交通防撞系统(TCAS)和关于民用航空的其他应用中的一个或多个的类型。天线20可以是全方向的。在一些实施方案中，天线20可以是合适的L频段天线。在一些实施方案中，天线20可被配置来以在数百MHz至若干GHz范围内的一个或多个频率操作。
组件12还可包括一个或多个通信单元24(此后被称为“通信单元24”)，其可操作地连接到天线20以用于天线20与通信单元24之间的信号传输。通信单元24可包括任何合适的航空电子部件，其可用于与天线20对接。例如，通信单元24可包括(例如，无线电)接收器，其用于接收表示一个或多个无线信号的一个或多个信号，诸如在天线20处接收的电磁(例如，无线电)波。可替代地或另外，通信单元24可包括(例如，无线电)发射器，其用于生成表示有待由天线20发射(例如，辐射)的一个或多个无线信号的一个或多个信号。通信单元24可设置在机身14内侧。
天线20可通过电缆26连接到通信单元24。电缆26可包括同轴电缆，其包括芯导体26A和围绕芯导体26A的屏蔽体26B。组件12可包括一个或多个隔离变压器28(此后被称为“隔离变压器28”)，其电气地设置在天线20与通信单元24之间，其中天线20与通信单元24之间的信号传输可以通过隔离变压器28进行。在一些实施方案中，隔离变压器28可为通信单元24提供免受雷电30的一定程度的保护。在各种实施方案中并且取决于组件12的特定配置，隔离变压器28可为通信单元24提供免受与飞机10被雷电30击中相关联的不同现象的一定保护。
图2是图1的组件的天线沿着图1中的线2-2截取的截面图。天线20可通过一个或多个安装板32A、32B以及底座22区域中的螺母34固定到机身14。一个安装板32A可设置在机身14的外部侧上并且另一个相对的安装板32B可设置在机身14的内部侧上。机身14可包括外蒙皮(例如，层)14A和内蒙皮(例如，层)14B。在机身14的一些部分中，外蒙皮14A与内蒙皮14B之间的中间部分14C可包括合适的蜂窝状或其他类型的结构元件。在天线20的区域中，中间部分14C可具有减少的厚度或整个省略。
对于一些天线安装，天线底座可以是金属的并且将此类天线互连到机身内侧的航空电子和/或导航系统的同轴电缆可使它们在天线侧上的连接器粘结到那些底座。在金属飞机上，机身机构可具有比任何天线底座及其连接器更低的电阻。然而，对于包括由复合材料制成的机身14的飞机10，相反的情况是可能的。因此，设置在复合机身上的任何天线底座可以是潜在雷电再附着点，其可以潜在地用作相对较低阻抗的路径，所述路径促进雷电感应电流通过同轴电缆和在飞机内侧的传播。此类电流首先可通过电缆屏蔽体传播并且随后通过屏蔽体与同轴电缆的芯体之间的互感耦合到芯导体。在此类事件期间，相关联航空电子和导航系统可变得易受感应电压(例如，电磁噪声)影响。
相对于扫描式雷击，(天线中和航空电子或导航系统中的)两个末端处以其特性阻抗Zo端接的同轴电缆的芯体上的感应电流i(t)可通过以下等式(1)近似表示：
其中Ro是电缆屏蔽体对直流的电阻，l是电缆屏蔽体的长度，τ是屏蔽体电流延迟时间常数并且τs是屏蔽体扩散时间。τs的值可以小于或等于τ的值。
在对包括复合机身的飞机雷击后，可发生的另一个现象是相对较强的磁场可在复合机身内侧产生相对较短的时间。由于此类飞机结构上的天线以及飞机内侧的航空电子装置可接地，使得它们处于相同电势，因此天线与相关联航空电子装置之间的互连同轴电缆可产生闭合回路，其可允许这个磁场在包括天线、同轴电缆以及航空电子或导航电子系统的电路中生成磁通量。此类变化的磁通量可使得相关联航空电子装置易受共模电压影响。
图3是不具有隔离变压器28的天线组件的电路的示意性表示。如以上所解释，可在表示为电压源20A和阻抗20B的天线20、同轴电缆26A、26B与航空电子或导航电子系统(例如，通信单元24)之间形成闭合回路。共模电压可表示为地线38之间的电压源36。
图4是图1的天线组件12包括隔离变压器28的电路的示意性表示。在一些实施方案中，隔离变压器28可关于扫描式雷击提供一定保护，所述保护可支持强电流传播和机身14上的再附着，天线20可安装在机身14上。可替代地或另外，在一些实施方案中，隔离变压器28可关于相对较强的磁场提供保护，所述磁场可由于来自通过机身14传播的雷电30的电流在飞机10内侧产生相对较短的时间。隔离变压器28可电连接在天线20与通信单元24之间。隔离变压器28可物理地设置在天线20与通信单元24之间的任何合适的位置处。例如，隔离变压器28可物理地设置成离天线20比离通信单元24更近。在一些实施方案中，隔离变压器28可设置在天线20与同轴电缆26之间。
图5是示出直接连接到天线组件12的天线20的连接器40的隔离变压器28的图像。
图6是图1的天线组件12包括具有分流配置的隔离变压器42、28的示意性表示。隔离变压器42、28可包括第一绕组44和第二绕组46。第一绕组44和第二绕组46可感应地耦合到彼此。第一绕组44可连接在天线20的两个端子48与50之间。端子48可以是天线20的线路端子并且端子50可以是天线20的接地端子。第二绕组46可连接在同轴电缆26的芯导体26A与同轴电缆26的可连接到通信单元24的屏蔽体26B之间。
隔离变压器42、28可实质上作用为在天线20、同轴电缆26、通信单元24与地线38之间形成的回路并且基本上防止直流(DC)流动通过同轴电缆26。因此，通信单元24可实质上通过开路连接到天线20。由于可在同轴电缆26中由于雷击感应的电流的至少一些在性质上可以是DC或具有相对较低的频率，因此隔离变压器42、28可防止一些此类电流在同轴电缆26中流动。并且，由于可在天线20与通信单元24之间传输的有用信号可以是交流(AC)，因此隔离变压器42、28可仍然允许此类信号的传递。隔离变压器42、28可根据已知或其他方法设计或选择以便允许所需频率范围内的信号传输，同时基本上防止低于此频率范围的信号传输。在各种实施方案中，隔离变压器42、28可被配置来允许传输具有在约800MHz至约1.3GHz之间的频率的信号。在一些实施方案中，隔离变压器42、28可充当高通滤波器。在各种实施方案中，绕组44和46可具有1:1匝数比。
图7是示出用于飞机10的天线20与飞机10的通信单元24之间的信号传输并且用于为通信单元24提供防雷保护的示例性方法700的流程图。方法700可使用图6的隔离变压器42、28进行。方法700可包括：以下至少一项：在天线20处生成表示在天线20处接收到的无线信号的信号(参见方框702)：以及在通信单元24处生成表示有待由天线20发射的无线信号的信号(参见方框704)。方法700还可包括在天线20与通信单元24之间感应地传递信号(参见方框706)。
如图6中所示，隔离变压器42、28可物理地设置成离天线20比离通信单元24更近，因此感应信号传递可在离天线20比离通信单元24更近的位置处执行。感应地传递的有用信号可以是交流。在一些实施方案中，所述信号可包括约800MHz与约1.3GHz之间的频率。并且，由于隔离变压器42、28可致使天线20与通信单元24之间的连接是开路，方法700还可包括基本上防止天线20与通信单元24之间的直流传输。
图8是图1的天线组件包括被配置为共模扼流圈的隔离变压器52、28的示意性表示。隔离变压器52、28的此类配置还可已知为“抵消交流声”配置。隔离变压器52、28可包括第一绕组54和第二绕组56。第一绕组54和第二绕组56可感应地耦合到彼此。第一绕组54可连接到天线20的线路端子48和同轴电缆26的芯导体26A。第二绕组56可连接在天线20的接地端子50与同轴电缆26的屏蔽体26B之间。换言之，绕组54和56中的每一个可与由同轴电缆26提供的信号电路串联连接。因此，隔离变压器52、28可用为作具有合适阻抗的传输线路。隔离变压器52、28的这个配置可至少部分防止(例如，衰减)由于雷击由共模电压感应的一些电流流动通过同轴电缆26。同时，隔离变压器52、28可允许在天线20或通信单元24处生成的有用差分信号的传递。隔离变压器52、28可允许直流的传递。
图9是等效于包括隔离变压器52、28的天线组件12的Kirchhoff电路的示意性表示。图9还示出在天线20处生成并且通过绕组54和同轴电缆26的芯导体26A传递到通信单元24并且通过绕组56和同轴电缆26的屏蔽体26B返回到天线20的信号IDIFF。因此，在图9中所示的电路的背景下，信号IDIFF可以被认为是差模信号。当天线20或飞机10的另一个部分可由雷电30击中时，信号ICOM＝ISH(其中ISH是由于雷电在屏蔽体26B中产生的电流)可以是可在图9的电路中感应的共模信号。如以下所解释，隔离变压器52、28可允许信号IDIFF的传递，同时衰减ICOM或基本上防止ICOM传递通过绕组54和56。
由隔离变压器52、28提供的共模信号ICOM的衰减水平可取决于芯导体26A的电感LC和电缆屏蔽体26B的电感LSH以及绕组54与56之间的互感M。在一些实施方案中，电感LC和LSH可各自具有大致等效于互感M的大小，使得LC≈LSH≈M。芯导体26A可连接到通信单元24并且表征为具有电阻RC。屏蔽体26B可表征为具有对直流RSH电阻。在一些实施方案中，RSH可显著地低于RC，使得RSH＜＜RC。VCOM可表示由于雷击在接地回路中由磁场生成的共模电压。VCOM可感应信号(即，电流)ICOM。VDIFF可表示在天线20处生成的差模电压并且可感应信号(即，电流)IDIFF。尽管图9示出从天线20发射到通信单元24的信号IDIFF，但是根据本公开应理解的是，信号IDIFF可替代地包括为了通过天线20发射无线信号的目的从通信单元24传输到天线20的差模信号。在各种实施方案中，绕组54和56可具有1:1匝数比。
图10A是具有通过隔离变压器52、28传输的差模信号IDIFF的隔离变压器52、28的示意性表示。图10B是具有由隔离变压器52、28衰减的共模信号ICOM的隔离变压器52、28的示意性表示。
参考图10A，由于差模信号(即，电流)IDIFF在绕组54和56中在相反方向上流动，因此相等且相反的磁场可以生成并且可以相互抵消。这可导致隔离变压器52、28对通过隔离变压器52、28传输的差模信号IDIFF呈现较小阻抗或没有阻抗。因此，取决于隔离变压器52、28的特定参数，差模信号IDIFF可通过隔离变压器52、28基本上不衰减地传输。
参考图10B，由于共模信号(即，电流)ICOM在绕组54和56中在相同方向上流动，因此可以生成相等且同相的磁场，所述磁场可以相加在一起。这可导致对共模信号ICOM呈现高阻抗，所述共模信号ICOM可重度衰减地通过隔离变压器52、28。由隔离变压器52、28向共模信号ICOM呈现的实际阻抗可取决于隔离变压器52、28的阻抗以及连接到隔离变压器52、28的一个或多个负载的阻抗的大小。
图9的电路的分析示出了信号IDIFF可由以下等式(2)表示：
以上等式示出了隔离变压器52、28的存在可不显著地影响信号IDIFF的完整性。因此，当不存在雷电威胁时，所需(即，有用)信号IDIFF可在天线20与通信单元24之间传输而不没有显著的失真。
共模信号ICOM可导致在同轴电缆26的屏蔽体26B中流动的电流ISH以及在同轴电缆26的芯导体26A中流动的电流IC。ISH与IC之间的关系可由以下等式(3)表示：
因此，由雷击感应的共模电压VCOM可受制于在电缆26的屏蔽体26B中传播的电流ISH以及随后由特征在于电感LC的芯导体26A中的互感感应的电流IC。电流IC通过通信单元24的传播可生成电磁噪声电压VN，如由以下等式(4)表示：
VN＝ICRC (4)
VN可影响通信单元24的抗扰性，因此隔离变压器52、28的使用可帮助减少或消除在天线20的功能频率下的那个噪声电压VN。
以下的等式(5)至(9)示出了对于由等式(6)限定的截止频率ωc，对于任何天线频率，诸如ω＞＞ωc，由雷电引起的噪声电压VN将消失并且将不显著地影响天线20的所需信号完整性。
对于
ISH对于ωc＜＜ω (8)
假设LSH被选择，诸如
其中ω受制于雷电频率
图11是示出用于飞机10的天线20与飞机10的通信单元24之间的信号传输并且用于使用隔离变压器52、28为通信单元24提供防雷保护的示例性方法1100的流程图。方法1100可包括：以下至少一项：在天线20处生成表示在天线20处接收到的无线信号的差模信号IDIFF(参见方框1102)；以及在通信单元24处生成表示有待由天线20发射的无线信号的差模信号IDIFF(参见方框1104)。方法1100还可包括允许差模信号IDIFF在飞机天线20与通信单元24之间的传递(参见方框1106)；并且衰减飞机天线20与通信单元24之间的共模信号ICOM(参见方框1108)。
在一些实施方案中，差模信号IDIFF可包括在约800MHz至约1.3GHz之间的频率并且共模信号ICOM可包括直流。
对于一些应用，本文公开的一个或多个隔离变压器42、52、28的使用可为通信单元24提供适当的防雷保护并且通信单元24可以不需要防雷保护的其他设备或装置。因此，在一些应用中，通信单元24可以是与常规金属飞机中使用的那些相同的类型并且一个或多个隔离变压器42、52、28的使用可允许此类通信单元在包括复合材料的飞机10上的使用。换言之，当通信单元24结合一个或多个隔离变压器42、52、28使用时，由隔离变压器42、52、28提供的雷电保护水平可以是充分的，并且当通信单元24在包括大量复合材料的飞机10中使用时，通信单元24可不包括意图保护通信单元24不受由雷击感应的电流影响的其他专用装置(例如，防雷保护单元)。
实施例1-隔离变压器对所需天线信号的作用
以下实验(实施例1-3)已经在如本文所示的天线组件上进行，所述天线组件包括L频段飞机天线和功能上等效于如本文所公开的具有共模扼流圈配置的隔离变压器的商用滤波器。商用滤波器是在商品名POLYPHASER下销售并且被配置成在从700MHz至2.7GHz频率段内操作的射频(RF)滤波器模型DSXL。L频段天线安装在模拟复合机身的复合圆筒上。操作测试首先在以20dBm从800MHz至1.3GHz的雷击考虑之前进行以便确保L频段天线信号通过整个频率带宽(962-1220MHz)传播而不由滤波器显著地失真。
图12是示出在所进行的示例性操作测试期间在频率范围中的天线信号完整性的图。
实施例2-隔离变压器对电路传递功能的作用
使用如以上实施例1中提及的相同商用滤波器，进行实验以便在雷击的影响下评估隔离传递的功能。两个主要雷电流分量已经被选择来模拟雷击：分量A和分量H，两者被推荐用于通过SAE航空推荐实践(ARP)号5412(此后被称为“SAE ARP 5412”)，标题为“飞机雷电环境和相关测试波形”进行的间接效应测试并且以其全部内容并入本文。
图13示出分量A的图形表示的图并且表示可在飞机机身上观察到的最常见波形。分量A表示第一回程并且结合负第一回程和正第一回程两者的严重参数。分量H指多个脉冲群波形组。多个脉冲群由具有分量H波形的20个脉冲的3个脉冲群组成。其表示振幅和持续时间远小于回程的高上升率电流脉冲。所测试的最高振幅对于分量A是约7.5KA并且对于分量H是约3KA。
在雷击后，飞机结构上的雷电流可在飞机内侧的同轴天线电缆上生成感应电流。所述感应电流将在航空电子盒(例如，通信单元24)负载电平下由通过屏蔽体与芯电缆之间的互感的耦合感应电压。同轴电缆上的所述感应电压与电流之间的比率表征传递函数。
图14是比较不具有滤波器的使用(参见曲线1402)和具有滤波器的使用(参见曲线1404)的解决方案的传递函数的图。分量A的注入电流的不同水平用于获得曲线1404。如由曲线1404所表示的具有滤波器的解决方案被发现在雷击期间向复合飞机中的航空电子系统(例如，通信单元24)提供最低感应电压和最高保护(即，高达20dB)。
实施例3-隔离变压器对雷电环境中的航空电子系统抗扰性的作用
图15A和15B分别示出当飞机结构经受分量A测试雷电流时，具有和不具有滤波器的使用的航空电子系统(例如，通信单元24)在负载电平处的感应电压。参考图15A，在不具有滤波器的情况下完成的测试示出在飞机结构上使用具有7.46KA(参见曲线1502A)的峰值电流的测试雷电流，在同轴电缆上测量出大约27.4A的电流(参见曲线1504A)，并且在相关联航空电子系统负载电平处的表示不想要的电磁噪声的雷电感应电压被发现为5.12V(参见曲线1506A)。然而，参考图15B，在具有滤波器的情况下完成的测试示出在飞机结构上使用具有7.46KA(参见曲线1502B)的峰值电流的相同测试雷电流，在同轴电缆上再次测量出大约27.4A的相同电流(参见曲线1504B)，并且在相关联航空电子系统负载电平处(即，在同轴电缆的芯导体上)的雷电感应电压被发现为188mV(见曲线1506A)。图15A和15B示出在特定情况下，滤波器响应于分量A测试雷电流提供28dB的衰减。
使用围绕整个同轴电缆放置的电流探头获取电流测量值，因此所测量的电流值是屏蔽体上和芯导体上的那些。因此，当使用滤波器但是存在通过屏蔽体与芯导体之间的互感传输到同轴电缆的芯导体的显著更少电磁噪声时，仍然测量出在屏蔽体上流动的27.4A的电流。然而，使用具有分流配置的隔离变压器而不是在这个实验中使用的滤波器，在同轴电缆的屏蔽体上由雷电引起的感应电流可由于由此类隔离变压器提供的开路布置基本上消除。
图16A和16B分别示出当飞机结构经受分量H测试雷电流时，具有和不具有滤波器的使用的航空电子系统(例如，通信单元24)在负载电平处的感应电压。参考图16A，在不具有滤波器的情况下完成的测试示出在飞机结构(机身)上使用具有3.15KA(参见曲线1602A)的峰值电流的测试雷电流，在同轴电缆上测量出大约8.52A的电流(参见曲线1604A)，并且在相关联航空电子系统负载电平处的表示不想要的调制电磁噪声的雷电感应电压被发现为5.48V(参见曲线1606A)。然而，参考图16B，在具有滤波器的情况下完成的测试示出在飞机结构上使用具有3.15KA(参见曲线1602B)的峰值电流的相同测试雷电流，在同轴电缆(的屏蔽体)上测量出大约7.28A的相同电流(参见曲线1604B)，并且在相关联航空电子系统负载电平处(即，在同轴电缆的芯导体上)的雷电感应电压被发现为60mV(见曲线1606B)。图16A和16B示出在特定情况下，滤波器响应于分量H测试雷电流提供39dB的衰减。
以上实施例示出隔离变压器在飞机或包括复合材料的其他移动平台的天线组件上的使用可为可操作地连接到天线的通信单元提供免受雷电感应电流影响的一定程度的保护。
以上描述仅意味着是示例性的，并且相关领域的技术人员将认识到的是可以在不背离所公开发明的范围的情况下对所述实施方案做出改变。例如，本文所述流程图和图中的方框和/或操作仅为了示例的目的。在不背离本公开的教义的情况下可以存在对这些方框和/或操作的许多变化。例如，可以按不同顺序执行所述方框，或可以增添、删除或修改方框。可在不背离权利要求书的主题的情况下以其他特定形式来实施本公开。并且，相关领域的技术人员将理解的是虽然本文所公开和示出的系统、组件和装置可包括特定数量的元件/部件，但是所述系统、组件和装置可修改以包括另外的或更少的此类元件/部件。本公开还意图覆盖和包括技术上的所有合适的变化。根据本公开的回顾，落入本发明范围内的修改将对本领域技术人员显而易见，并且此类修改意图落入随附权利要求书内。
Claims (23)
1.一种供在飞机上使用的组件，所述组件包括：
天线，其固定到所述飞机的结构元件并且被配置成在所述飞机外部接收无线信号和发射无线信号中的至少一者；
所述飞机的通信单元，其可操作地连接到所述天线，以用于所述天线与所述通信单元之间的信号传输；以及
隔离变压器，其电气地设置在所述天线与所述通信单元之间，其中所述天线与所述通信单元之间的信号传输通过所述隔离变压器进行。
2.如权利要求1所述的组件，其中所述隔离变压器物理地设置成离所述天线比离所述通信单元更近。
3.如权利要求1和2中任一项所述的组件，其中所述隔离变压器直接连接到所述天线的连接器。
4.如权利要求1至3中任一项所述的组件，其中所述飞机结构元件包括所述飞机机身的至少一部分。
5.如权利要求1至4中任一项所述的组件，其中所述隔离变压器被配置来允许传输频率在约800MHz至约1.3GHz之间的信号。
6.如权利要求1至5中任一项所述的组件，其中所述通信单元不包括意图保护所述通信单元免受由雷击感应的电流影响的其他装置。
7.如权利要求1至6中任一项所述的组件，其中所述通信单元通过开路可操作地连接到所述天线。
8.如权利要求1至7中任一项所述的组件，其中所述隔离变压器设置在所述天线与同轴电缆之间。
9.如权利要求1至7中任一项所述的组件，其中所述隔离变压器包括：
第一绕组，其连接在所述天线的两个端子之间；以及
第二绕组，其连接在同轴电缆的芯导体与所述同轴电缆的连接到所述通信单元的屏蔽体之间。
10.如权利要求1至6中任一项所述的组件，其中所述隔离变压器包括：
第一绕组，其连接在所述天线的线路端子与同轴电缆的芯导体之间；以及
第二绕组，其连接在所述天线的接地端子与所述同轴电缆的屏蔽体之间。
11.如权利要求1至10中任一项所述的组件，其中所述飞机结构元件包括复合材料。
12.如权利要求11所述的组件，其中所述通信单元包括处于足以在具有金属结构元件的飞机内使用的水平的防雷保护能力。
13.一种包括如权利要求1至12中任一项所述的组件的飞机。
14.一种用于为飞机的通过同轴电缆连接到所述飞机的天线的通信单元提供防雷保护的设备，所述设备包括：
隔离变压器，其包括感应地耦合到第二绕组的第一绕组，所述第一绕组连接在所述飞机天线的两个端子之间并且所述第二绕组连接在所述同轴电缆的芯导体与所述同轴电缆的屏蔽体之间。
15.一种用于为飞机的通过同轴电缆连接到所述飞机的天线的通信单元提供防雷保护的设备，所述设备包括：
隔离变压器，其包括感应地耦合到第二绕组的第一绕组，所述第一绕组连接在所述飞机天线的线路端子与同轴电缆的芯导体之间并且所述第二绕组连接在所述飞机天线的接地端子与所述同轴电缆的屏蔽体之间。
16.一种包括如权利要求14和15中任一项所述的设备的飞机。
17.一种用于飞机的天线与所述飞机的通信单元之间的信号传输并且用于为所述通信单元提供防雷保护的方法，所述方法包括：
以下操作中的至少一个：
在所述飞机天线处生成表示在所述天线处接收到的无线信号的信号；以及
在所述通信单元处生成表示有待由所述天线发射的无线信号的信号；以及
在所述飞机天线与所述通信单元之间感应地传递所述信号。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述感应传递在离所述天线比离所述通信单元更近的位置处执行。
19.如权利要求17和18中任一项所述的方法，其中所述信号包括在约800MHz至约1.3GHz之间的频率。
20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其包括基本上防止所述天线与所述通信单元之间的直流传输。
21.一种用于飞机的天线与所述飞机的通信单元之间的信号传输并且用于为所述通信单元提供防雷保护的方法，所述方法包括：
以下操作中的至少一个：
在所述飞机天线处生成表示在所述天线处接收到的无线信号的差模信号；以及
在所述通信单元处生成表示有待由所述天线发射的无线信号的差模信号；
允许所述差模信号在所述飞机天线与所述通信单元之间的传递；以及
在所述飞机天线与所述通信单元之间衰减共模信号。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述差模信号包括在约800MHz至约1.3GHz之间的频率。
23.如权利要求21和22中任一项所述的方法，其中所述共模信号包括直流。
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