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Luftfahrt, EMI-Kontrolle und der vernetzte passagier

Neben dem gesteigerten Datenumfang, der in Verkehrsflugzeugen anfällt, muss auch die Bordelektronik ein größeres Maß an Verbindungen für Passagiere bereitstellen. Von: Michael Coon, Field Application Engineer, Aerospace

Angesichts des wieder auflebenden Interesses an der Frage, wie und wann Flugreisende ihre persönlichen Elektronikgeräte verwenden können, muss die EMI-Kontrolle neu in Betracht gezogen werden. Bordunterhaltungssysteme sind mehr als nur Filme – bei Flugreisen hat man heutzutage sein Büro dabei. Die Verwendung persönlicher Elektronikgeräte ist ein Risiko für die Flugelektronik, sowohl durch elektromagnetische Strahlung als auch durch leitungsgebundene elektromagnetische Störungen. Die Verkabelung der Bordunterhaltung gleicht einer Antenne, die durch das Cockpit verläuft. Wie jede Antenne kann auch die Verkabelung als Quelle und als Empfänger von Störstrahlung fungieren. Bordunterhaltungssysteme und persönliche Elektronikgeräte fallen in das Frequenzspektrum von 2,4 GHz bis 5 GHz. Dabei handelt es sich um eine „tote Zone“ – auch als „Boeing Notch“ bezeichnet – für die Flugelektronik. Normales WLAN kann sicher ohne Interferenz bei diesen Frequenzen betrieben werden.  

FlugelektronikFrequenzbereich (MHz)
Omnidirektionaler VHF-Bereich (VOR) 108 - 118  
Landekurssender des Instrumentenlandesystems (ILS LOC) 108 - 112  
Gleitpfad des Instrumentenlandesystems (ILS GS) 329 - 335  
Entfernungsanzeige (DME)
Verkehrs- und Kollisionswarnsystem (TCAS) 
960 - 1215  
GPS L2 1227.5  
GPS L2 1575.42  
Persönliche Elektronikgeräte                                                                      Frequenzbereich (MHz)
Mobiltelefon  824 - 849  
Persönliches Kommunikationssystem (PCS) 1850 - 1910 
900 MHz ISM 902 - 928 
2,4 GHz ISM 2400 - 2485 
GPS L2 1227.5  
GPS L2 1575.42  

Die Tabelle weiter oben enthält die typischen Frequenzbereiche für Flugelektronik und persönliche Elektronikgeräte. Laptops und Tablets müssen generell nicht berücksichtigt werden, da sich deren Frequenzbänder mit der Flugelektronik nicht überschneiden. Die einzige Überschneidung findet bei GPS statt. Tragbare GPS-Satellitennavigationsgeräte und Smartphones mit interner GPS-Navigation verwenden das gleiche Frequenzband wie die GPS-Bordnavigation des Flugzeugs und können mit den Cockpitsystemen interferieren. Die Bordunterhaltungsarchitektur darf keine HF-Frequenzen über 5 GHz (ab dort beginnt der GPS-Bereich) übertragen oder verstärken. Aus diesem Grund sind tragbare GPS-Geräte während des Flugs nicht zugelassen. 

 

Eine Verkabelung mit verdrilltem Paar und eine differenzielle Übertragung sind die ersten Schritte, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten und Störungen zu kontrollieren. Verdrillte Paare funktionieren gut gegen Gleichtaktstörungen. Gleichtaktstörungen treten an beiden Leitern gleichzeitig auf, sodass sich das Potenzial auf beiden Seiten relativ zur Masse ändert. Daher wird die Störung aufgrund der Tatsache, dass sie an jedem Leiter um 180 Grad phasenverschoben ist, effektiv ausgelöscht. Im nächsten Schritt muss verhindert werden, dass das Kabel abgestrahlte Störungen einfängt (oder aussendet). Abschirmung ist die primäre Methode zum Kontrollieren von elektromagnetischen Strahlungen. Das abgeschirmte Kabel dämmt die vom Kabel generierten elektromagnetischen Störungen ein und schützt gleichzeitig vor den abgestrahlten Störaussendungen externer Quellen. Bei Kabelabschirmungen handelt es sich um Folie, Geflecht oder eine Kombination aus beidem. Um eine wirksame Abschirmung zu erzielen, muss ein niederohmiger Pfad zur Masse hergestellt werden. Dieses Ziel wird mit dem Steckerendgehäuse und Gehäuse des Steckverbinders erreicht. TE Connectivity (TE) bietet eine Reihe von Steckerendgehäusen zum Abschließen und Erden der Kabelabschirmung an.

Bordunterhaltungssysteme erfordern Verbindungslösungen mit geringem Gewicht.
Bordunterhaltungssysteme erfordern Konnektivitätslösungen mit geringem Gewicht, die die gewünschte Bandbreite effizient auf engem Raum bereitstellen können.
Um eine wirksame Abschirmung zu erzielen, muss ein niederohmiger Pfad zur Masse hergestellt werden. Dieses Ziel wird mit dem Steckerendgehäuse und Gehäuse des Steckverbinders erreicht.

Das Bordunterhaltungssystem sollte gefiltert werden, um sicherzustellen, dass die von diesem System übertragenen oder generierten Störungen nicht auf die Stromsysteme der Fluganwendungen übertragen werden. Die Filterung ist wirksam gegen Gegentaktstörungen. Im Gegensatz zu Gleichtaktstörungen wirken sich Gegentaktstörungen auf jeden Leiter unterschiedlich aus – die Störung befindet sich vollständig im Signalübertragungspfad. Verdrillte Paare sind bei der Kontrolle von Gegentaktstörungen nur minimal wirksam. Die AC- und DC-Versorgungsebenen für die Bordunterhaltung müssen gefiltert werden, um zu verhindern, dass harmonisches Rauschen unterhalb von 2,4 GHz oder oberhalb von 5 GHz auf die Leistungsbusarchitektur übertragen wird. Bei schwacher Filterung kann das Rauschen auf das Kommunikationssystem des Flugzeugs übertragen werden. Netzgeräte werden normalerweise intern gefiltert. Auch die Netzanschlussdosen für Passagiere können gefiltert werden, um das Energieverteilungssystem sauber zu halten. Signalleitungen können ebenfalls gefiltert werden, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten. Eine Filterung wird jedoch normalerweise nur als letzter Ausweg vorgenommen, wenn das Bordunterhaltungssystem eine schwache Leistung aufweist oder mit anderen Systemen interferiert. Filtersteckverbinder sind für die Konfigurationen L, C, LC und pi verfügbar, um die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des Stromkreises miteinander abzugleichen. Kapazitive und induktive Werte können angepasst werden, um einen Tiefpass-, Notch- oder Hochpassfilter mit unterschiedlichen Frequenzbändern und Dämpfungswerten zu erhalten. Je nach Anforderungen können Sie Toleranzwerte von 5, 10 oder 20 Prozent erzielen.

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Pi-Filterkonfigurationen erfordern zwei flache Arrays.

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Je nach Bedarf sind Toleranzwerte von 5 %, 10 % und 20 % möglich.

Die Filterung kann in einer Systemsteuerungseinheit oder in Knotenpunkten von Zusammenschaltungen erfolgen, die über das Flugzeug verteilt sind. Während in die ersten Filtersteckverbinder röhrenförmige Bauteile eingebaut wurden, überbieten Filtersteckverbinder mit flachen Arrays die röhrenförmigen Typen in Bezug auf Leistung, Herstellbarkeit, Strapazierfähigkeit und Kosten. TE hat seine Palette an röhrenförmigen Steckverbindern durch flache Versionen ersetzt. Das flache Array bietet die erforderliche Kapazität für jeden durchleitenden Stift, und die Induktivität wird durch Ferritperlen erzielt, die an beiden Seiten des Arrays entsprechend positioniert werden. Pi-Filterkonfigurationen erfordern zwei flache Arrays. Der Massepfad für die einzelnen Kondensatoren wird über das flache Array bereitgestellt. Über eine Erdungsfeder wird der Kontakt zum Außengehäuse des Steckverbinders hergestellt. Innerhalb der Grenzen kann jeder gefilterte Kontakt einen anderen Kapazitätswert als der Nachbar aufweisen. Eine Alternative – oberflächenmontierte Bauteile innerhalb des Steckverbinders – bietet geringere Kosten, lässt sich leichter an Änderungen des Kapazitätsprofils anpassen und weist eine geringer Leistung auf, besonders bei der Dämpfung hoher Frequenzen. Diese Technologie ist besonders für Anwendungen wie bodengestützte Kommunikation und Industrieanwendungen mit hohen Volumen geeignet, bei denen weniger anspruchsvolle Bedingungen zu erwarten sind.

EN4165-Steckverbinder von TE.
Die Steckverbinder von TE, die für die Konnektivität von Passagieren häufig eingesetzt werden, stehen gefiltert zur Verfügung.

Die Auswahl der besten Filteroptionen beginnt mit einer EMI-Prüfung. Dabei können die Frequenz und Intensität der erzeugten Störungen ermittelt werden. Normalerweise verwenden TE-Ingenieure die Prüfdaten, um einen speziellen Filter für die jeweilige Störungsumgebung zu entwerfen. Die meisten Steckverbinder für die Luft- und Raumfahrt nach Industriestandard sind mit Filteroptionen erhältlich. Der Buchsensteckverbinder ist die am häufigsten verwendete und effektivste Position für die Filterung. Eine abgeschirmte Buchse bietet den erforderlichen niederohmigen Pfad zur Masse für eine optimale Leistung. Gefilterte Buchsen helfen auch bei der Minimierung von HF-Fenstern im Chassis aufgrund der durchgängigen Grundplatte im Inneren. Außerdem sind Filter auch als Adapter verfügbar, um eine schnelle Nachrüstung für Systeme mit schwacher Leistung zu ermöglichen. Beim Adapter handelt es sich einfach um eine gefilterte Baugruppe, die einen Stecker an einem Ende und eine Buchse am anderen aufweist. Das Kabel wird getrennt, der Adapter wird in die Buchse gesteckt, und das Kabel wird wieder angeschlossen.

Dank der dielektrischen Eigenschaft von Glasfaser werden elektrische Störungen weder abgestrahlt noch empfangen. Bei ihrer Verwendung für die Signalübertragung können elektrische Störungen als Problem ausgeschlossen werden. Entwickler sind bei der Verwendung von Glasfaser aufgrund der Einschränkungen bezüglich Kosten, Reparaturfähigkeit vor Ort und Leistung bei extremen Temperaturen eher zögerlich. Besonders unter Berücksichtigung der Zusatzkosten für Abschirmung und Filterung bei Kupferverbindungen fällt die Wirtschaftlichkeit von Glasfaser günstiger aus. Als Hochgeschwindigkeits-Hauptleitung für die Bordunterhaltung und das Passagiernetzwerk bietet Glasfaser eine attraktive Kombination aus hohen Datenraten und langen Übertragungswegen.

Zusammenfassung

Was nicht gleich erledigt wird, muss später erledigt werden. Auf lange Sicht können Sie sich Kopfzerbrechen und unerwartete Kosten sparen, wenn Sie die elektromagnetische Verträglichkeit von Beginn an einplanen. Wenn Sie an der falschen Stelle sparen, müssen Sie am Ende vielleicht noch draufzahlen. Größe und Gewicht bleiben wichtige Faktoren bei der Entwicklung und Effizienz von Flugzeugen. Daher werden Bauteile wie Steckverbinder und Kabel immer kleiner und leichter, sodass das Zusatzgewicht von Filtern oder Abschirmungen ausgeglichen wird.

Über den Autor

Michael Coon ist Field Applications Engineer für gefilterte Steckverbinder mit EMI-/RFI-/Transientenschutz für Nordamerika in der Sparte Global Aerospace, Defense and Marine von TE Connectivity. Er verfügt über mehr als 17 Jahre berufliche Erfahrung im Bereich der Elektronik, darunter 5 Jahre in der Halbleiterverwaltung und 12 Jahre mit gefilterten Verbindungen auf dem Markt für zivile und militärische Luft- und Raumfahrt.