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 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 湖南 410600；2.湖南省長沙市公安消防支隊 湖南 410003）

衛(wèi)星通信指揮車在設(shè)計實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衛(wèi)星通信指揮車動中通天線系統(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、不受任何復雜地理條件和自然災(zāi)害、人為的限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠、保密性強等優(yōu)點。近幾年來衛(wèi)星通信系統(tǒng)在全國消防部隊得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為消防部隊的主要應(yīng)急通信保障手段之一，在部隊滅火搶險救援中發(fā)揮了重要作用。

在消防部隊，衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要以通信指揮車為載體進行安裝，車載衛(wèi)星天線分為在高速移動中自動對星工作的“動中通”天線和在駐停時對星工作的“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、移動公網(wǎng)通信等多種無線通信手段，在部隊參與滅火搶險救援時，現(xiàn)場的環(huán)境往往是多種應(yīng)急通信保障手段同時并存，不同頻率、不同制式的無線通信同時進行，現(xiàn)場電磁環(huán)境勢必非常復雜，無形中在無線通信中相互受到電磁干擾（Electromagnetic Interference 簡稱EMI），嚴重時會影響現(xiàn)場應(yīng)急通信保障工作。

湖南省消防總隊在2010年就配備了2輛“動中通”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，在多種無線通信手段并行工作的時候，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)車載臺開啟后“動中通”衛(wèi)星天線更為明顯。為確實解決這一問題，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。信號輻射是通過外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去。而信號傳導則通過耦合到電源、信號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)該同時存在信號輻射和信號傳導干擾。輻射干擾是好理解的，信號傳導干擾主要是因為本系統(tǒng)的電路系統(tǒng)復雜、分散、走線長，各個部分又都通過導線連接在一起，因此電路系統(tǒng)任何一部分感應(yīng)出干擾后，會通過信號傳導相互影響。

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，我們通過實驗進行驗證。實驗的方法是：在動中通天線正常工作的情況下，開啟350MHz無線通信系統(tǒng)，同時在高、中、低三個發(fā)射功率下，測量動中通天線系統(tǒng)中速率陀螺儀的輸出的信號，采用定性觀察和定量分析信號相結(jié)合的手段來確定干擾源和被干擾關(guān)鍵部件。實驗中發(fā)現(xiàn)，在350MHz無線通信系統(tǒng)開啟的情況下，動中通天線系統(tǒng)中速率陀螺儀的輸出的信號的質(zhì)量明顯下降。

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

方差描述隨機變量對于數(shù)學期望的偏離程度，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的質(zhì)量。

實驗結(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驗，確定衛(wèi)星應(yīng)急指揮車動中通天線系統(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，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)的方法是采用導電率好的薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料，達到良好的屏蔽效果。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（形成一個法拉第籠）。然而在實際中要制造一個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部分進行制作，因此就會有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便連線。這是設(shè)計屏蔽罩的困難所在。但盡管這不可避免，但在屏蔽設(shè)計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考慮是很可以解決這個問題的。

因此，本系統(tǒng)的電磁屏蔽罩的設(shè)計需要解決的關(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）過孔導線怎么解決傳導干擾。

2.2 分析計算

分析干擾的抑制頻率為700MHz。

當縫隙長度為波長（截止頻率）的一半時，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，縫隙應(yīng)小于10.5mm（21mm的1/2以上），需要衰減32dB時，縫隙應(yīng)小于5.25mm（10.5mm的1/2以上）。

2.3 工程實施

設(shè)備一般都需要進行屏蔽，這是因為結(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)實之間還是有差別的，例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮信號的強度，如同在一個設(shè)備中使用了多個處理器時的情形，表面處理及墊片設(shè)計是保持長期屏蔽，以實現(xiàn)EMC性能的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)在解決該問題時，在具體實施上考慮了以下問題。

（1）采用材料銅設(shè)計一個電磁屏蔽罩，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出線孔，孔的直徑設(shè)計為3mm。同時在開孔的位置考慮增加材料厚度開孔，使長度直徑比達到3，保證能夠衰減100db；

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

（4）箱體和底版采用凹凸對接方式，增加接觸面的面積；

（5）采用屏蔽電纜進出機箱，電纜與殼體360度可靠接地，必要時考慮加入磁珠。

最終設(shè)計完成的電磁屏蔽罩實物如圖1所示。

2.4 屏蔽效果驗證

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

電磁屏蔽罩設(shè)計加工完成后，采用2.2相同的實驗方法進行對比性驗證，實驗結(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質(zhì)量明顯提高。

2.4.2 屏蔽后的動中通天線跟蹤精度

電磁屏蔽罩設(shè)計加工完成后，在湖南省消防總隊“動中通”衛(wèi)星通信指揮車上進行應(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)計跟蹤精度指標為不大于2/10波束寬度，即0.36 °。

2.4.2.1 實驗設(shè)計

在350MHz無線通信系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，我們對“動中通”衛(wèi)星天線的跟蹤精度進行了測試，驗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)將天線對準衛(wèi)星，并鎖定最大強度位置后，進入跟蹤狀態(tài)。

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

（3）分別對三組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，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按照下列公式計算各點的跟蹤精度折算值，并繪制曲線

③每種路況下，隨機取樣本長度10000個（約8.3分鐘），分別計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，湖南省消防總隊配備的2輛“動中通”衛(wèi)星通信指揮車所使用的動中通天線系統(tǒng)均加裝了本論文設(shè)計的電磁屏蔽罩。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

本文分析了我總隊衛(wèi)星應(yīng)急指揮車動中通天線系統(tǒng)出現(xiàn)的電磁干擾問題，對出現(xiàn)的干擾問題進行了很深入的分析，設(shè)計了定性和定量相結(jié)合的實驗方法，對干擾源和被干擾的主要部件進行了準確定位。在理論分析的基礎(chǔ)上，“動中通”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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