◆幸雪初 任 巍

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消防通信指揮車衛(wèi)星天線系統(tǒng)電磁屏蔽技術(shù)研究

◆幸雪初1任 巍2

（1.湖南省公安消防總隊(duì) 湖南 410600；2.湖南省長沙市公安消防支隊(duì) 湖南 410003）

衛(wèi)星通信指揮車在設(shè)計(jì)實(shí)施過程中無線通信設(shè)備都具有一定的電磁干擾性，對于無線收發(fā)設(shè)備來說，采用非連續(xù)頻譜可部分實(shí)現(xiàn)電磁兼容性能，但是在工程上很多情況表明電磁兼容并不總是能夠做到，尤其是無線通信系統(tǒng)具有高頻干擾的情況。本文以湖南省公安消防總隊(duì)衛(wèi)星通信指揮車動(dòng)中通天線系統(tǒng)出現(xiàn)的電磁干擾問題為研究對象，提出了解決的方法。

電磁干擾；電磁屏蔽；衛(wèi)星通信；天線；消防

0 引言

衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、不受任何復(fù)雜地理?xiàng)l件和自然災(zāi)害、人為的限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近幾年來衛(wèi)星通信系統(tǒng)在全國消防部隊(duì)得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為消防部隊(duì)的主要應(yīng)急通信保障手段之一，在部隊(duì)滅火搶險(xiǎn)救援中發(fā)揮了重要作用。

在消防部隊(duì)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要以通信指揮車為載體進(jìn)行安裝，車載衛(wèi)星天線分為在高速移動(dòng)中自動(dòng)對星工作的“動(dòng)中通”天線和在駐停時(shí)對星工作的“靜中通”天線兩種類型。通信指揮車除了安裝衛(wèi)星通信系統(tǒng)外，還安裝了350MHz無線通信、微波通信、短波通信、移動(dòng)公網(wǎng)通信等多種無線通信手段，在部隊(duì)參與滅火搶險(xiǎn)救援時(shí)，現(xiàn)場的環(huán)境往往是多種應(yīng)急通信保障手段同時(shí)并存，不同頻率、不同制式的無線通信同時(shí)進(jìn)行，現(xiàn)場電磁環(huán)境勢必非常復(fù)雜，無形中在無線通信中相互受到電磁干擾（Electromagnetic Interference 簡稱EMI），嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響現(xiàn)場應(yīng)急通信保障工作。

湖南省消防總隊(duì)在2010年就配備了2輛“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信指揮車、14輛“靜中通”衛(wèi)星通信指揮車，在參與消防應(yīng)急通信保障工作時(shí)，在多種無線通信手段并行工作的時(shí)候，衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，特別是通信指揮車上的350MHz無線通信系統(tǒng)車載臺(tái)開啟后“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線更為明顯。為確實(shí)解決這一問題，本文作者與衛(wèi)星天線廠家共同對這一問題進(jìn)行了研究，并提出了解決的方法。

1 電磁干擾（EMI）分析

1.1 干擾源的分析

一般EMI有兩條途徑對系統(tǒng)造成干擾：輻射和傳導(dǎo)。信號(hào)輻射是通過外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去。而信號(hào)傳導(dǎo)則通過耦合到電源、信號(hào)和控制線上離開外殼，在開放的空間中自由輻射，從而產(chǎn)生干擾，反之亦然，則為被干擾。

從干擾源的情況分析，本系統(tǒng)的干擾屬于輻射干擾。從干擾受體分析，本系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)存在信號(hào)輻射和信號(hào)傳導(dǎo)干擾。輻射干擾是好理解的，信號(hào)傳導(dǎo)干擾主要是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的電路系統(tǒng)復(fù)雜、分散、走線長，各個(gè)部分又都通過導(dǎo)線連接在一起，因此電路系統(tǒng)任何一部分感應(yīng)出干擾后，會(huì)通過信號(hào)傳導(dǎo)相互影響。

但從本系統(tǒng)的干擾來看，應(yīng)該首先考慮350兆無線通信開啟的情況下，對“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線系統(tǒng)中速率陀螺儀的電磁輻射干擾的電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，簡稱EMC）問題。

1.2 干擾源和被干擾關(guān)鍵部件的定位

為了確定系統(tǒng)的干擾源以及被干擾的主要部件，我們通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的方法是：在動(dòng)中通天線正常工作的情況下，開啟350MHz無線通信系統(tǒng)，同時(shí)在高、中、低三個(gè)發(fā)射功率下，測量動(dòng)中通天線系統(tǒng)中速率陀螺儀的輸出的信號(hào)，采用定性觀察和定量分析信號(hào)相結(jié)合的手段來確定干擾源和被干擾關(guān)鍵部件。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在350MHz無線通信系統(tǒng)開啟的情況下，動(dòng)中通天線系統(tǒng)中速率陀螺儀的輸出的信號(hào)的質(zhì)量明顯下降。

為了定量分析信號(hào)的質(zhì)量，采取50ms間隔對陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，取10s樣本長度，然后按照式（1）計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的方差。

方差描述隨機(jī)變量對于數(shù)學(xué)期望的偏離程度，方差越小，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。因此可以根據(jù)方差的大小判斷速率陀螺儀的輸出的信號(hào)的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 干擾源分析結(jié)果

通過以上分析和初步實(shí)驗(yàn)，確定衛(wèi)星應(yīng)急指揮車動(dòng)中通天線系統(tǒng)出現(xiàn)的電磁干擾問題的干擾源為350MHz無線通信系統(tǒng)。被干擾的關(guān)鍵部件是動(dòng)中通天線系統(tǒng)中使用的速率陀螺儀。

2 EMI抑制的方法

2.1 抑制策略

考慮350MHz無線通信系統(tǒng)輻射干擾，那么無疑應(yīng)該采取電磁屏蔽罩來解決問題。理論分析時(shí)，一般考慮一次及二次諧波的干擾，即本系統(tǒng)考慮干擾的最大頻率為700MHz。它屬于高頻干擾的抑制問題。常規(guī)的方法是采用導(dǎo)電率好的薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料，達(dá)到良好的屏蔽效果。但條件是屏蔽必須連續(xù)，并將敏感部分完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙（形成一個(gè)法拉第籠）。然而在實(shí)際中要制造一個(gè)無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個(gè)部分進(jìn)行制作，因此就會(huì)有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便連線。這是設(shè)計(jì)屏蔽罩的困難所在。但盡管這不可避免，但在屏蔽設(shè)計(jì)中對與電路工作頻率波長有關(guān)的溝槽或孔長度與尺寸作仔細(xì)考慮是很可以解決這個(gè)問題的。

因此，本系統(tǒng)的電磁屏蔽罩的設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題是：

（1）采用什么材料來制造；

（2）如何開孔和連接，開孔尺寸多大，連接縫隙怎么處理；

（3）過孔導(dǎo)線怎么解決傳導(dǎo)干擾。

2.2 分析計(jì)算

分析干擾的抑制頻率為700MHz。

當(dāng)縫隙長度為波長（截止頻率）的一半時(shí)，RF波開始以20dB/10倍頻（1/10截止頻率）或6dB/8倍頻（1/2截止頻率）的速率衰減，通常RF發(fā)射頻率越高衰減越嚴(yán)重。

理論上，本系統(tǒng)214.5mm的縫隙就將開始產(chǎn)生衰減，若需要衰減20dB，則縫隙應(yīng)小于21mm（214.5mm的1/10），需要衰減26dB時(shí)，縫隙應(yīng)小于10.5mm（21mm的1/2以上），需要衰減32dB時(shí)，縫隙應(yīng)小于5.25mm（10.5mm的1/2以上）。

2.3 工程實(shí)施

設(shè)備一般都需要進(jìn)行屏蔽，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身存在一些槽和縫隙所需屏蔽可通過一些基本原則確定，但是理論與現(xiàn)實(shí)之間還是有差別的，例如在計(jì)算某個(gè)頻率下襯墊的大小和間距時(shí)還必須考慮信號(hào)的強(qiáng)度，如同在一個(gè)設(shè)備中使用了多個(gè)處理器時(shí)的情形，表面處理及墊片設(shè)計(jì)是保持長期屏蔽，以實(shí)現(xiàn)EMC性能的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)在解決該問題時(shí)，在具體實(shí)施上考慮了以下問題。

（1）采用材料銅設(shè)計(jì)一個(gè)電磁屏蔽罩，屏蔽罩考慮速率陀螺和垂直陀螺儀可以共用，材料厚度考慮1.5mm；

（2）電磁屏蔽罩只考慮一個(gè)出線孔，孔的直徑設(shè)計(jì)為3mm。同時(shí)在開孔的位置考慮增加材料厚度開孔，使長度直徑比達(dá)到3，保證能夠衰減100db；

（3）接縫和接點(diǎn)采用銅焊進(jìn)行永久性固定，接合部位金屬表面必須清理干凈，以使接合處能完全用導(dǎo)電的金屬填滿，不建議用螺釘或鉚釘進(jìn)行固定；

（4）箱體和底版采用凹凸對接方式，增加接觸面的面積；

（5）采用屏蔽電纜進(jìn)出機(jī)箱，電纜與殼體360度可靠接地，必要時(shí)考慮加入磁珠。

最終設(shè)計(jì)完成的電磁屏蔽罩實(shí)物如圖1所示。

2.4 屏蔽效果驗(yàn)證

2.4.1 屏蔽后陀螺儀信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定性測試結(jié)果

電磁屏蔽罩設(shè)計(jì)加工完成后，采用2.2相同的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對比性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 屏蔽效果分析結(jié)果

測試結(jié)果表明，在350MHz無線通信系統(tǒng)工作的情況下，加裝電磁屏蔽罩后的衛(wèi)星天線的陀螺儀輸出信號(hào)質(zhì)量明顯提高。

2.4.2 屏蔽后的動(dòng)中通天線跟蹤精度

電磁屏蔽罩設(shè)計(jì)加工完成后，在湖南省消防總隊(duì)“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信指揮車上進(jìn)行應(yīng)用。該車使用的是等效口徑0.9米拋物面的衛(wèi)星天線。天線的波束寬度為1.8°，設(shè)計(jì)跟蹤精度指標(biāo)為不大于2/10波束寬度，即0.36 °。

2.4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在350MHz無線通信系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，我們對“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線的跟蹤精度進(jìn)行了測試，驗(yàn)證安裝電磁屏蔽罩后衛(wèi)星天線系統(tǒng)的使用效果。跟蹤精度的測試采用電平跌落法，測試連接如圖2所示。

具體測試步驟是：

（1）天線控制系統(tǒng)將天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，并鎖定最大強(qiáng)度位置后，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。

（2）按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）公路等級(jí)劃分要求，我們在高速公路（一級(jí)公路）、二級(jí)公路、三級(jí)公路路況下正常行駛，每間隔50ms采樣一次電平跌落信號(hào)并記錄。

（3）分別對三組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，按照電平跌落值折算跟蹤精度，折算的方法是：

①將電平跌落值歸一化

其中：

②按照下列公式計(jì)算各點(diǎn)的跟蹤精度折算值，并繪制曲線

③每種路況下，隨機(jī)取樣本長度10000個(gè)（約8.3分鐘），分別計(jì)算三種路況下跟蹤精度的平均值分別為、、

2.4.2.2 測試結(jié)果

表3 不同等級(jí)公路測試結(jié)果

3 應(yīng)用情況

在企業(yè)廠家的配合下，湖南省消防總隊(duì)配備的2輛“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信指揮車所使用的動(dòng)中通天線系統(tǒng)均加裝了本論文設(shè)計(jì)的電磁屏蔽罩。加裝后的衛(wèi)星天線系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提高，在多次執(zhí)行任務(wù)的過程中，多種無線通信手段并行工作的時(shí)候，衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有受到任何影響。論文的研究成果在衛(wèi)星天線生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品中得到使用，有效地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文分析了我總隊(duì)衛(wèi)星應(yīng)急指揮車動(dòng)中通天線系統(tǒng)出現(xiàn)的電磁干擾問題，對出現(xiàn)的干擾問題進(jìn)行了很深入的分析，設(shè)計(jì)了定性和定量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，對干擾源和被干擾的主要部件進(jìn)行了準(zhǔn)確定位。在理論分析的基礎(chǔ)上，“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線電磁屏蔽罩很好的解決了350MHz無線通信系統(tǒng)的的電磁干擾問題。

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