ノイズを最小限に抑えながら信号完全性を最適化する

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ノイズを最小限に抑えながら信号完全性を最適化する

民間航空機で飛行操作のために処理されるデータはますます増えていますが、機内エレクトロニクスは乗客に高度な接続性も提供しなければなりません。- Michael Coon、航空宇宙工学分野の業界スペシャリスト

飛行機の乗客がいつどのように携帯用電子機器 (PED) を使えるかということに新たな関心が寄せられており、EMI 制御の新たな見地が求められています。 客室娯楽システムは、映画を見るためだけのものではありません - 飛行機の旅では、空の上でもオフィスと同じように仕事ができる必要があります。PED の使用は重要な操縦電子機器にとって、EMI 輻射と伝導の両面で脅威となります。客室娯楽用の配線は、操縦室を通してアンテナを敷設するようなものと考えることができます。アンテナと同様に、配線はエミッションを放出する側にも受ける側にもなります。IFE システムおよび PED の周波数は、操縦電子機器の「不感帯」(ボーイング ノッチと呼ばれる) である 2.4 GHz ~ 5 GHz の周波数範囲に収めなければなりません。通常の無線 LAN は、操縦電子機器の周波数に干渉することなく安全に使用できます。 

操縦電子機器 周波数範囲 (MHz)
VHF 全方向性 (VOR)  108 - 118  
計器着陸システム定位器 (ILS LOC)  108 - 112  
計器着陸システム グライド スロープ (ILS GS)  329 - 335  
距離測定装置 (DME)
航空機衝突防止警報装置 (TCAS) 
960 - 1215  
GPS L2  1227.5  
GPS L2  1575.42  
PED                                                                       周波数範囲 (MHz)
携帯電話  824 - 849  
パーソナル通信システム (PCS)  1850 - 1910 
900 MHz ISM  902 - 928 
2.4 GHz ISM  2400 - 2485 
GPS L2  1227.5  
GPS L2  1575.42  

上の表は操縦電子機器と PED の代表的な周波数範囲を示します。ラップトップやタブレットは通常、周波数帯がアビオニクスと異なるため問題ではありません。唯一重複するのは GPS です。衛星 GPS 追尾装置付き携帯機器や GPS 追尾機能付きスマート フォンは、操縦室装備の GPS 追尾装置と同じ周波数帯を使用するため、混乱を引き起こす可能性があります。IFE の構成は、5 GHz を超える RF 周波数を使用してはなりません (GPS の周波数領域に入ります)。その結果、携帯型 GPS 装置を飛行中に使用することは許可されません。

 

ツイストペアケーブルと差動対伝送方式を採用することが、信号完全性を維持してノイズを制御するための最初の一歩です。 ツイストペアケーブルはコモンモード ノイズに対して効果的です。コモンモード ノイズは両方の導線に同時に現れ、その結果両導線の電位がアースに対して変化します。そのため、各導線のノイズ位相が 180 度ずれていることから、ノイズが効果的に打ち消されることを意味します。次のステップは、ケーブルが放射されたノイズを拾わない (または伝送しない) ようにすることです。シールドは放射された EMI を制御する主な手段です。シールド ケーブルは、ケーブル自体から発生する EMI を封じ込めるとともに、外部発生の放射ノイズからケーブルを守ります。ケーブルのシールドには、金属箔、金属編組、またはそれらの組み合わせを使用します。良好なシールド効果を得るための秘訣は、シールドとアース間の接続抵抗値を低くすることです。コネクタ バックシェルとハウジングがこの目的を成し遂げます。TE Connectivity (TE) は、ケーブルのシールドを接続してアースするためのバックシェルを幅広く取り揃えています。

客室娯楽システムには、軽量接続ソリューションが必要です。
客室娯楽システムには、狭いスペースで帯域幅を効率的に使用できるように設計された、軽量接続ソリューションが必要です。
良好なシールド効果を得るための秘訣は、シールドとアース間の接続抵抗値を低くすることです。コネクタ バックシェルとハウジングがこの目的を成し遂げます。

IFE システムによって連結または発生したノイズが、航空機の航行システムに影響を与えないように、IFE システムをフィルタリングする必要があります。 フィルタリングは差動対モード ノイズに対して効果的です。コモンモード ノイズと異なり、差動対モード ノイズはそれぞれの導体に異なる形で影響し、このノイズは完全に信号伝送路に残ります。ツイストペアケーブルは、差動対ノイズの制御にはほとんど効果がありません。IFE の AC および DC 電源をフィルタ処理して、2.4 GHz 未満または 5 GHz を超える調和ノイズが電力バス構成に乗らないようにする必要があります。不適切なフィルタリングは、航空機の通信システムにノイズが乗る要因となります。電源供給装置は通常、内部でフィルタ処理されます。電源供給システムを健全に保つため、乗客用の電源コンセントもフィルタ処理することができます。また、信号ラインも信号完全性を維持するためにフィルタ処理することができます。ただし、フィルタリングは通常、IFE システムの性能または他のシステムとの接続が芳しくないときの最終手段です。フィルタ コネクタには L、C、LC タイプがあり、Pi 構成は回路の入出力インピーダンス整合製品です。周波数帯や減衰値が異なるローパス、ノッチ、およびハイパス フィルタを製作するために、静電容量と電磁誘導値を変更することができます。お客様のご要望に応じて、許容値は 5%、10%、20% のいずれかにすることができます。

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Pi フィルタ構成には 2 つの平面アレイが必要です。

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ご要望に応じて、許容値は 5%、10%、20% のいずれかにすることができます。

フィルタリングは、システム制御ユニットまたは航空機内配線の接続箇所で実施できます。 当初のフィルタ コネクタには管状の部品が組み込まれていましたが、平面アレイ フィルタ コネクタは、性能、製造の容易さ、耐久性、コストの面で管状部品タイプよりも優れています。TE は既に、管状部品コネクタ製品を平面アレイ バージョンに置き換えています。アレイは各ピンに必要なキャパシタンスを備えており、インダクタンスは、アレイのどちらかの側に適切に配置されたフェライト ビーズによって提供されます。Pi フィルタ構成には 2 つの平面アレイが必要です。各コンデンサのアース経路は平面アレイを通じ、接地スプリングによってコネクタのシェルに接続されます。制限範囲内で、各フィルタ機能付きコンタクトは、隣接コンタクトと異なるキャパシタンス値を持つことになります。代替選択の 1 つであるコネクタ内の表面実装部品は、コストが低く、キャパシタンス フットプリントの変化への適応力は高いものの、特に高周波数を減衰させるときには性能が劣ります。この技術は、地上通信用途や、要求される条件がそれほど厳しくない大量生産の産業用途に特に適しています。

TE の EN4165 コネクタ。
乗客への接続用によく使われている TE のコネクタには、フィルタ機能製品もあります。

最適なフィルタリングを選択するには、まず EMI を走査して発生ノイズの周波数と強度を突き止めます。 一般に、TE のエンジニアがフィルタを設計する際は、その特定のノイズ環境の走査データを使用します。ほとんどの業界規格の航空宇宙用コネクタにフィルタリング オプション付きのものが用意されています。フィルタ機能を装備するには、リセプタクル コネクタが一般的で効果的です。シールドされたリセプタクルは、最適な性能を得るために必要とされる低抵抗値でアースに接続します。フィルタ リセプタクルは、連続するアース プレーンが内部にあるため、シャーシ内の RF 枠を最小化することができます。また、フィルタをアダプタとして使用することで、動作に問題があるシステムを手早く改良することもできます。アダプタは一方側がプラグで他方側がリセプタクルになっているので、フィルタを組み込むのは簡単です。ケーブルを抜いて、アダプタをリセプタクルに差し込み、ケーブルを再接続します。

光ファイバの絶縁体本質が意味するところは、EMI の放出と受信がないことです。 信号伝送の媒体として、光ファイバは EMI の問題を考慮する必要がありません。設計者は、コストの問題、現場での修理性、極端な温度下での性能といった理由で、光ファイバの使用に慎重になる傾向にあります。特に銅線接続のシールドやフィルタにかかる追加費用を考えた場合、光ファイバの経済性は有利に働きます。客室娯楽および乗客ネットワークの高速なバックボーンとして、光ファイバは高速データ伝送と長距離伝送の魅力的な組み合わせを提供します。

結論

今対応するか、後で修理するか。長い目で見ると、最初から電磁干渉を考慮して設計しておけば、後の悩みや予期せぬ出費を防げます。今日 1 ペニー (銅貨) 節約したがために、明日数ペニーの費用がかかるようなことはしないでおきましょう。航空機の設計と飛行効率において、依然としてサイズや重量が重要課題ですが、コネクタやケーブルなどの製品は小型・軽量化が進んでおり、フィルタやシールドによって加わる重量との間でバランスが取れています。

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