通信車電磁兼容性設(shè)計方案

楊 洋，戈建偉，徐傳旭，郭 人，蔡 娜

（北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100039）

新型多信道通信車作為新一代通信車載單元，為進(jìn)一步完善通聯(lián)體系和提高多樣化通聯(lián)任務(wù)的保障能力、適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展演變趨勢，實現(xiàn)在靈活機動條件下的信息通聯(lián)及保障任務(wù)，上裝有各類通信設(shè)備，以建立多種通信鏈路實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。在如此有限的車內(nèi)空間中集成有如此多種不同頻帶及功能的通信電子設(shè)備造成了車載系統(tǒng)內(nèi)極大的電磁功率密度，且各種通信電子設(shè)備經(jīng)由車輛的供電系統(tǒng)、互聯(lián)系統(tǒng)、接地系統(tǒng)和輻射等引起的電磁干擾耦合，給新型多信道通信車系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計帶來了前所未有的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，如何對車載通信系統(tǒng)的電磁兼容性進(jìn)行合理設(shè)計，以保證車載通信系統(tǒng)中各類電子設(shè)備正常工作，防止因電磁干擾造成的電臺通信距離縮短、通信噪聲增大、話音質(zhì)量降低、誤碼率升高等問題，使通信車輛在完成各項通聯(lián)任務(wù)的同時，又能保證穩(wěn)定可靠的通信質(zhì)量，成為了本文研究的主要問題。

1 電磁干擾分析

下面分別從無線設(shè)備干擾分析、開關(guān)電源干擾分析和計算機等數(shù)字電路干擾分析這三個方面對新型多信道通信車系統(tǒng)內(nèi)的電磁干擾要素進(jìn)行分析。

1.1 無線設(shè)備干擾分析

衛(wèi)星、電臺發(fā)射產(chǎn)生的高頻信號以及各電臺的主振和本振信號，均可通過天線、電纜接頭、殼體、散熱窗向外輻射，也可通過電源線、控制線等傳導(dǎo)到車載設(shè)備內(nèi)。車內(nèi)無線信道設(shè)備自身的接收機是受干擾最敏感的部分。接收機的靈敏度在微伏級，頻段內(nèi)任何微小的干擾，都會串入接收機，特別是當(dāng)車內(nèi)頻譜密度較高時，各組合干擾會造成接收機靈敏度下降。尤其是落在接收機各級中頻附近的干擾，極易造成中頻阻塞。發(fā)射機的低電平調(diào)制部分也極易受到電磁干擾，造成輸出頻譜不純，寄生調(diào)制加大等問題。較強的干擾串入，還會造成車載設(shè)備內(nèi)的頻率合成器失鎖，導(dǎo)致衛(wèi)星、電臺等設(shè)備不能正常工作，嚴(yán)重影響到車輛系統(tǒng)的通信功能。

1.2 開關(guān)電源干擾分析

新型多信道通信車的綜合電源采用了多路開關(guān)電源，電源中的各種功率器件在工作時處在開關(guān)狀態(tài)，頻率在幾十到幾百千赫茲之間。因分布參數(shù)，電源開關(guān)的波形前后沿存在過沖，過沖的存在導(dǎo)致高頻的衰減振蕩，其功率譜處于幾千到幾十千赫茲之間，因此，會產(chǎn)生極強的寬帶電磁發(fā)射源，其輸出的功率越大，相應(yīng)的電磁發(fā)射也就越嚴(yán)重。

此外，開關(guān)電源帶有過流過壓保護電路，為使保護電路反應(yīng)速度快，保護電路的取樣時間常數(shù)較小，當(dāng)發(fā)射機處于大功率發(fā)射狀態(tài)時，在保護電路上會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這一電流會產(chǎn)生誤保護動作，影響電源工作。

1.3 計算機等數(shù)字電路干擾分析

新型多信道通信車內(nèi)各設(shè)備均有微機控制器和自己的總線和時鐘，一般脈沖寬度從幾十毫秒到幾納秒，且系統(tǒng)控制計算機并通過控制線互相連接，電磁干擾頻帶寬、變化快、分布廣，其幅度均為晶體管-晶體管邏輯（Transistor Transistor Logic, TTL）電平，極難控制。各類干擾均可造成計算機數(shù)據(jù)丟失，誤傳和控制電路誤動作，特別是計算機在對硬盤進(jìn)行操作期間受到的干擾，可能造成計算機不能正常工作而導(dǎo)致整個車載系統(tǒng)的癱瘓。

2 通信車的電磁兼容性設(shè)計

在新型多信道通信車內(nèi)集成有多種通信設(shè)備，為保證車輛各通信設(shè)備相互工作正常，通聯(lián)系統(tǒng)暢通，分別從天線布局設(shè)計、設(shè)備布局設(shè)計、布線設(shè)計、濾波設(shè)計、接地設(shè)計和屏蔽設(shè)計這六個方面來進(jìn)行新型多信道通信車輛系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計。

2.1 天線布局設(shè)計

新型多信道通信車頂部安裝有 1套衛(wèi)星動中通天線、1根超短波電臺天線、1根高速數(shù)據(jù)電臺天線、1根寬帶移動天線、1根4G天線和1個北斗天線。在如此有限的車頂空間內(nèi)安裝多種天線，如果不對天線的布局進(jìn)行合理設(shè)計，將會造成電臺間的諧波干擾，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航等通信電子設(shè)備和電臺輸入線路的損壞。

通信車的天線布局設(shè)計以減小耦合度為目標(biāo)，采用分散的布局設(shè)計。各天線之間的距離應(yīng)符合電磁兼容性相關(guān)規(guī)范的要求（一般不小于一米五）。此新型多信道通信車的天線布局為在車頂右后側(cè)安裝 1根超短波電臺天線，右中側(cè)安裝 1根高速數(shù)據(jù)電臺天線，右前側(cè)安裝1根4G天線，在車頂中部安裝 1套衛(wèi)星動中通天線，在車頂左后側(cè)安裝 1根寬帶移動天線、左前側(cè)安裝一根北斗天線。由于寬帶移動天線和北斗天線工作頻段較為相近，所以將兩者的天線間隔設(shè)計為三米，其余天線間保證間隔距離大于一米五。

2.2 設(shè)備布局設(shè)計

在保證載荷分布合理的情況下，對新型多信道通信車設(shè)備布局進(jìn)行如下設(shè)計：

1）對車載設(shè)備分類進(jìn)行布局，保證干擾源（如綜合電源等強電設(shè)備）與敏感設(shè)備（如計算機等弱電設(shè)備）盡量遠(yuǎn)離，在車內(nèi)空間允許的情況下，一般應(yīng)保證間隔距離大于一米；

2）將敏感設(shè)備（如計算機等弱電設(shè)備）布局在盡量遠(yuǎn)離通信車車門和車窗的位置；

3）將功能連接的設(shè)備盡量布置在一起，以減小互聯(lián)線的長度，從而減小傳導(dǎo)干擾；

4）保證電臺與其對應(yīng)的主機之間的高頻饋線的走線距離最短，且走線之間相互不進(jìn)行交叉。對于集群設(shè)備以及接力機設(shè)備，安裝位置應(yīng)方便設(shè)備進(jìn)行接地；

5）保證在車載系統(tǒng)使用時，通過極化隔離、合理規(guī)劃頻率，避免諧波干擾和同頻帶干擾。

2.3 布線設(shè)計

2.3.1 減小源回路和敏感回路

1）使載流線或信號線盡量靠近其回線，以減小電路環(huán)路面積。

2）采用雙線制，將載流線或是信號線和其相應(yīng)的回線扭絞交織在一起。

3）禁止用結(jié)構(gòu)件作為回線，以防止增大感應(yīng)回路或激勵回路的面積。

2.3.2 進(jìn)行空間隔離

在車載系統(tǒng)中，除了天線耦合，另外一種重要的耦合路徑就是線間耦合。線間的電磁耦合常產(chǎn)生于同一線束的電纜之間，為了避免干擾源和感應(yīng)回路之間產(chǎn)生的電磁耦合，應(yīng)在空間允許的情況下，盡可能增大兩線的間距，以進(jìn)行空間隔離。

依據(jù)新型多信道通信車工作的特點，可將車載線路分為四種，即主電源線路、二次電源線路（直流線路、照明線路）、射頻線路（各電臺的高頻饋線）以及控制線路。對于不同線路，采用與其相對應(yīng)的布線方式：

1）針對主電源線路，線路間應(yīng)保證≥150 mm的間距，考慮車載發(fā)電機組的供電線纜載有強電流，因此，應(yīng)保證供電線纜與其他線路間有≥300 mm的間距；

2）針對射頻線路（各電臺的高頻饋線），應(yīng)對其進(jìn)行單獨的布設(shè)，射頻線路相互之間、射頻線路與其他線路之間，應(yīng)保證≥75 mm的間距，達(dá)到一種正交布設(shè)或者接近正交的布設(shè)；

3）針對其他種類線路，依據(jù)實際工作情況和設(shè)備空間布局，線纜間應(yīng)保證≥75 mm的間距，且需對線纜走向進(jìn)行合理選擇，以保證最短布線距離；

4）機柜內(nèi)的電纜布設(shè)沿機柜左右兩側(cè)走線板、走線鋼帶布設(shè)電纜。電纜沿走線板外側(cè)豎直走線，要求綁扎間距為100～150 mm；電纜沿走線鋼帶內(nèi)側(cè)平行走線，要求電纜平整不交錯，綁扎間距為50～70 mm，如圖1所示；

圖1 走線鋼帶、走線桿線束綁扎示意圖

5）針對一般種類線纜選擇采用屏蔽線，針對電源和射頻線纜，選擇采用雙重屏蔽線，屏蔽線纜的特性參數(shù)如表1所示。 敏感電纜的屏蔽層之間應(yīng)相互隔離，屏蔽線纜應(yīng)保證電連接器的外殼導(dǎo)電，并保證在電連接器與線纜間的結(jié)合位置處屏蔽不中斷；

表1 屏蔽線纜特性參數(shù)

6）針對車輛天線引入處的高頻饋線，應(yīng)保證通過穿墻式的屏蔽插座進(jìn)行轉(zhuǎn)接，其屏蔽層需連續(xù)，以防止發(fā)射機的高頻強功率信號在車體內(nèi)部產(chǎn)生泄漏；

7）通信車的機柜下方線纜采用暗線設(shè)計，在通信車地板的下限槽進(jìn)行走線，連接到通信車車壁和車頂?shù)木€纜采用明線的設(shè)計，射頻和電源線纜分走不同線槽以減小干擾。

2.4 濾波設(shè)計

為消除新型多信道通信車內(nèi)干擾源的各類干擾信號在公共線路上的相互串?dāng)_，同時防止通信車發(fā)射天線的射頻能量由車載設(shè)備的電纜所接收并沿著電纜傳輸?shù)捷^為靈敏的車載電子設(shè)備中，應(yīng)采取以下濾波措施：

1）在車輛的電源引入口電源壁盒內(nèi)加裝電源濾波器，消除能量耦合在輸入線路上的干擾，電源壁盒內(nèi)濾波模塊的連接如圖2所示；

圖2 電源壁盒濾波模塊連接圖

2）在綜合電源交流輸入端、油機輸入端、24 V直流輸出端、220 V交流輸出端等均加裝電源濾波器；

3）從綜合電源供給通信設(shè)備的直流24 V加裝濾波器分線盒，濾波器殼體與分線盒可靠大面積導(dǎo)電連接；

4）將濾波線路的輸入線和輸出線進(jìn)行相互隔離，以避免由于高頻耦合降低其濾波效果。

2.5 接地設(shè)計

為避免出現(xiàn)接地回路，減少接地阻抗，系統(tǒng)單點接地，具體如下：

1）依據(jù)設(shè)備布局在各機架上布設(shè)接地匯流排；

2）設(shè)備金屬外殼保護地、直流電源地、防雷地等就近與接地匯流排或車體銅帶相連，與車體銅帶相連的連接導(dǎo)線為不小于 35 mm 多股編織線；設(shè)備金屬外殼保護地與接地匯流排相連的連接導(dǎo)線為不小于6 mm多股編織線；

3）接地匯流排采用絕緣材料與車體進(jìn)行隔離，匯流排采用尺寸為20 mm×2 mm的紫銅排；

4）接地匯流排僅在車壁銅帶處與車體單點可靠相連，并由車體銅帶匯集于電源壁盒接地柱一點接地。

2.6 屏蔽設(shè)計

2.6.1 車廂屏蔽

通信車車廂采用不銹鋼鋼板和通信車車身焊接的整體式結(jié)構(gòu)，為金屬材料的密封連接，以保證其屏蔽作用。為保證金屬材料間電連接的可靠，對金屬板內(nèi)外蒙皮間進(jìn)行電連接處理，且在通信車車廂內(nèi)、外包角處，對蒙板與包角的接觸面進(jìn)行電連接處理，以保證無電磁泄漏縫隙。

2.6.2 車門屏蔽

通信車的車門采用鋁型材，在鋁型材的槽口處嵌入屏蔽橡膠條，該屏蔽橡膠條為整體成型的雙層金屬絲網(wǎng)，當(dāng)通信車的車門關(guān)閉后，在壓緊力的作用下該屏蔽橡膠條與通信車的門框壓緊在一起，以保證通信車車門良好的屏蔽功能。

2.6.3 減小源回路和敏感回路

通信車車窗采用鋁型材窗框和雙層玻璃的結(jié)構(gòu)，雙層玻璃的內(nèi)、外層分別為鋼化玻璃和屏蔽玻璃，雙層玻璃和其鋁型材窗框之間安裝導(dǎo)電襯墊，以保證通信車車窗良好的屏蔽功能。

3 電磁兼容性試驗驗證

依據(jù)《系統(tǒng)電磁兼容性要求》中的各項內(nèi)容，對采用上述電磁兼容設(shè)計方案的通信車輛進(jìn)行了整車電磁兼容性試驗，試驗項目和試驗結(jié)果如表2所示。

表2 電磁兼容試驗項目及結(jié)果

通過上述六項試驗驗證及試驗結(jié)果表明，經(jīng)過對通信車的電磁兼容性進(jìn)行合理設(shè)計，通信車的電磁兼容性滿足《系統(tǒng)電磁兼容性要求》中的各項指標(biāo)內(nèi)容，保證了通信車內(nèi)各上裝設(shè)備的正常工作，提高了通信車的通信質(zhì)量，并確保了通信車內(nèi)電磁環(huán)境的安全性。

4 結(jié)論

新型多信道通信車作為機動通信系統(tǒng)中的重要成員，為保證車載通信單元的通信暢通，車輛的電磁兼容性問題成了車輛設(shè)計中的技術(shù)難點。本文通過對通信車輛系統(tǒng)的電磁干擾要素進(jìn)行了充分的分析，對通信車輛進(jìn)行了天線布局設(shè)計、設(shè)備布局設(shè)計、布線設(shè)計、濾波設(shè)計、接地設(shè)計和屏蔽設(shè)計這六個方面的電磁兼容性設(shè)計，有效地減小了新型多信道通信車的電磁干擾，保障了通信車的通信質(zhì)量，該設(shè)計方案也可為其他同類型通信車輛的電磁兼容性設(shè)計提供一種新的思路和可參考借鑒的方法。