应急指挥车的电磁兼容性分析与设计

2018-02-01 神汽专用车

1 引言
5.12汶川大地震后,人们充分认识到了应急指挥在危机时刻的重要性,各地人防、公安等政府部门未雨绸缪,开始采购应急指挥车。应急指挥车集成了通信系统、信息采集系统、指挥调度系统以及生活保障系统等,是一种高度集成化的系统。车体内电子设备的布置极其密集,这使应急指挥车的电磁兼容环境异常复杂。在这种复杂的电磁环境中,如何有效地减少相互间的电磁影响,使各种设备正常运转,需要在整体系统设计开始时就考虑电磁兼容性的问题。如果在系统综合集成后,发现电磁兼容问题再重新调整系统结构,必然会带来更多的困难,造成研发时间和成本的双重浪费。

本文具体分析了应急指挥车的电磁干扰源(EMI)、电磁干扰的传输途径以及易响应敏感设备,并给出了某省人防应急指挥车实施中所采取的一些抗电磁干扰的措施,经测试,该应急指挥车电磁兼容性良好,取得了预期的效果。

2 应急指挥车的电磁干扰三要素分析
汽车电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,简称EMC) 是指是车辆或零部件或独立技术单元在其电磁环境中能令人满意的工作,又不对该环境中任何事物造成不应有的电磁干扰的能力。要解决电磁兼容性问题,必须首先研究电磁干扰,针对响应的电磁干扰来找到响应的解决办法。电磁干扰的发生必须具备三个条件即干扰源、传输途径和敏感设备。


2.1 电磁干扰源
应急指挥车的电磁干扰源主要由以下几个部分构成:
(1) 车载电子设备
应急指挥车上的电子设备是真接的骚扰源,该场强的大小与电子设备间的距离成反比关系。在应急指挥车上,要格外关注工作在高频段的设备,具体包括: 车载VSAT天线,卫星调制解调器,全频段超短波电台,无线图传系统等设备。
(2) 通信天线的分布
通信天线引起的电磁兼容问题最为严重。天线间的相互干扰可降低接收机的灵敏度,使得收发机的工作步调不一致。反映这种干扰的主要指标是天线间的耦合度"。因此天线间的耦合度的预估是一个重要的问题。降低天线间的耦合度可有效的提高有用信号的传输效率。耦合度的计算公式为:C= 10 lg( Pout/Rm)dB
其中,Pn为发射天线的净输入功率,Pou 为接收天线的净输出功率。
(3) 汽车自生骚扰
汽车内部的自生骚扰发射干扰源有很多,如发电机、燃油泵、火花点火线圈、空调起动器、交流发电机线缆连接的间歇切断,以及某些无线电子设备,如手机和车载电台等产生瞬变电脉冲,这些电脉冲可通过电磁骚扰发射对环境中的其它设备造成干扰。此外,汽车在高速运动时与空气产生摩擦以及车轮与地面的摩擦产生静电放电网,这也会对电子设备造成千扰。


2.2 电磁干扰的传播途径
任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径。应急指挥车中电磁千扰传输有两种方式:
一是传导传输方式; 二是辐射传输方式。
(1) 传导传输要求在在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接,这个传输电路可包括导线、供电电源、公共阻抗、接地平板等。干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感设备,发生干扰现象。在应急指挥车上尤其要注意电源线的影响,因为干扰信号可通过电源线传导至所有的敏感设备。
(2) 辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合有三种: 1)A 天线接收到B 天线发射的电磁波,称为天线对天线耦合; 2) 空间电磁场经导线感应耦合,称为场对线的耦合; 3)两根平行天线之间的高频信号感应,称为线对线的感应耦合”。应急指挥车顶部布置了VAST天线,单兵音、视频天线等,在布置天线位置时要充分考虑天线间位置,以减若相互影响。

实际上,传导与辐射也会相互转换,辐射干扰经过导线可转换成传导干扰,而传导干扰也可通过导线形成辐射干扰。汽车的自生骚扰既可通过传导,也可通过辐射影响车载电子设备。

2.3 敏感设备的预测
电磁理论中的敏感设备是指被干扰对象。对敏感设备受干扰信号影响大小的预测模型为:
s(0/)=S(4f0 )25S;[l(4Dof )]
其中,S(40)表示通频带40的选择接受性,S;表示失谐频带4的选择接受性。
由(2)式知,当干扰源信号频率与通频带40一起进入设备工作时,对设备的影响最大。当干扰源信号与通频带相去甚远时,对设备的影响就比较小了。因此在预测敏感设备时,要重点考虑工作频率与千扰源信号频率接近的设备。

电源直接与所有的电子设备通路,最易受千扰信号的影响。此外,天线的通频带比较宽,也易受干扰源的影响。经试验,若不加防范措施,汽车的自生骚扰就可在天线上产生50dBu V/m 的电场。


3 应急指挥车抗电磁干扰的措施
3.1 天线布局
天线间传输的电磁能量会形成辐射干扰,这种干扰的存在使天线达不到最佳的设计效果。反应干扰强弱的指标是耦合度,耦合度越小,辐射干扰越小。增大天线间的距离可有效的降低耦合度,但车体顶部空间有限,不可能把耦合度降低到许可的范围之内,因此必须选择一个合适的耦合度,使耦合度降低到最小。对于有多对天线的应急指挥车,不能仅保证某对天线的耦合度最小,而要使所有的天线对耦合度整体趋势保持最低"。实际实施中,天线安装位置固定后,通过调整调整方向角,这样可以进一步降低耦合度。


3.2 接地
工程实施中,将接地线铆接在内蒙皮上的铜带作为信号和电源接地,此铜带通过外接线板上接地钉进
入大地。整车接地设计采取等电位平面,即所有的设备的外壳和机箱必须用最短最真的连线搭接到等电位平面上。此等电位平面就是方舱或设备舱的蒙皮。这种方法有以下好处: (1) 为信号系统提供低阻抗的等电位参考平面。(2) 整个方舱(车厢) 及设备搭接成一等电位平面,在设备漏电时,舱内任意两点之间保持等电位,有利于人员安全。(3) 雷电或电磁脉冲袭击时,舱内(车厢内) 各设备保持等电位,有利于人员和设备安全。(4) 等电位平面安装更有利于屏蔽效能的发挥。

避雷接地也是有体接地的一项重要内容。避常接地系统由安装于车顶天线的避雷器、各设备自带的避雷装置以及配电系统的无源避雷器组合而成。各设备的避雷装置通过专用的接地线与机柜的避雷接地相连,机柜的避雷接地与车体系统的避雷接地相连,车体系统的避雷接地通过专用的避雷桩与大地相连,这样整个避雷系统可同时防止雷击由车顶天线和线缆窜入对系统造成破坏。


3.3 电磁屏蔽
电磁屏敝是是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能量传输的一种技术。应急指挥车的电磁屏蔽主要的措施有箱体屏蔽、设备屏蔽、门窗缝隙的屏黻以及通风口的屏蔽等。

对于箱体屏蔽采用箱体铝板进行屏蔽。方舱内外蒙板选用防锈铝合金板,并经阳极氧化后喷涂三防底漆; 金属结构件之间合理搭接,避免电磁波的泄漏,金属的电化学腐蚀: 选用的各种金属材料耐腐蚀钢并经镀锌钝化处理。禁止使用不锈钢和其它金属及非金属材料。

车顶安装带防护罩摄像机、无线图传发射接收天线等大功率设备。对于车顶天线及电气设备,除进行合理布置,合理选配避免相互千扰外,还应采取分部屏蔽的措施,对其相应的出线及接口作如下处理: 车顶及侧各信号线、电源线及插接口等,分别由集中的出线口和车内设备相通并经过电磁屏蔽处理,采用导电橡胶、铜丝网或螺旋管电磁密封衬垫等电磁屏蔽衬垫材料进行屏蔽,同时对各种接头插口等进行相应滤波处理,加装专用的滤器、穿心电容、馈通滤波器或使用带滤波器的专用接头,截断电磁骚扰信号。

对于门、窗、孔、口及拉箱缝隙,在其周边均采用导电橡胶密封条、铜丝网压条等专用电磁屏蔽材料。能防电磁泄漏、避雨、防尘。舱体两侧设置有五扇采光窗户,出入门各设有一扇; 采光玻璃为双层,两层之间贴透明导电膜,导电膜与车厢金属部分可靠接触,形成闭环系统,起到电磁屏蔽作用。


3.4 设备走线
设备走线是应急指挥车一项非常重要的工作,走线时要注意以下几点: 采用静电屏蔽层,同时静电屏蔽层要接地; 减小干扰源和敏感电路的环路面积,最好采用双绞线和屏蔽线,使得信号线与接地线及载流回线之间的距离为最近,从而减小环路面积; 增大干扰源走线与敏感线路走线间的距离,可能的话,使千扰源走线与敏感线路走线尽可能呈直角相交地布线,使千扰源与敏感线路间的互感尽可能地小; 增大千扰源走线与敏感线路走线间的距离,使得两线间的静电容耦合为最小。

4 结束语
经过多年的发展,应急指挥车正朝着系统化、集成化、综合化的方向发展,内部系统之间电磁能力相互干扰以及外部电磁环境的影响都大大恶化了指挥车的电磁环境,严重时将使应急指挥车不能正常工作,因此电磁干扰对应应急指挥车的工作有及其重要的影响,若对其不加防范,将产生及其严重的后果。这就要求在设计阶段就要考虑电磁兼容性问题,并在实践中根据碰到的具体问题不断加以修正,从而可达到电磁兼容设计的最终目的。


(陶照清 李绍甫 窦新华)