消防通信指揮車衛星天線系統電磁屏蔽技術研究

◆幸雪初 任 巍

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消防通信指揮車衛星天線系統電磁屏蔽技術研究

◆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）

衛星通信指揮車在設計實施過程中無線通信設備都具有一定的電磁干擾性，對于無線收發設備來說，采用非連續頻譜可部分實現電磁兼容性能，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具有高頻干擾的情況。本文以湖南省公安消防總隊衛星通信指揮車動中通天線系統出現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；衛星通信；天線；消防

0 引言

衛星通信具有通信距離遠、不受任何復雜地理條件和自然災害、人為的限制、傳輸線路穩定可靠、保密性強等優點。近幾年來衛星通信系統在全國消防部隊得到了廣泛應用，已經成為消防部隊的主要應急通信保障手段之一，在部隊滅火搶險救援中發揮了重要作用。

在消防部隊，衛星通信系統主要以通信指揮車為載體進行安裝，車載衛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星通信系統外，還安裝了350MHz無線通信、微波通信、短波通信、移動公網通信等多種無線通信手段，在部隊參與滅火搶險救援時，現場的環境往往是多種應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，現場電磁環境勢必非常復雜，無形中在無線通信中相互受到電磁干擾（Electromagnetic Interference 簡稱EMI），嚴重時會影響現場應急通信保障工作。

湖南省消防總隊在2010年就配備了2輛“動中通”衛星通信指揮車、14輛“靜中通”衛星通信指揮車，在參與消防應急通信保障工作時，在多種無線通信手段并行工作的時候，衛星通信系統天線系統的穩定性有所下降，特別是通信指揮車上的350MHz無線通信系統車載臺開啟后“動中通”衛星天線更為明顯。為確實解決這一問題，本文作者與衛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，從而產生干擾，反之亦然，則為被干擾。

從干擾源的情況分析，本系統的干擾屬于輻射干擾。從干擾受體分析，本系統應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的電路系統復雜、分散、走線長，各個部分又都通過導線連接在一起，因此電路系統任何一部分感應出干擾后，會通過信號傳導相互影響。

但從本系統的干擾來看，應該首先考慮350兆無線通信開啟的情況下，對“動中通”衛星天線系統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 干擾源和被干擾關鍵部件的定位

為了確定系統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，同時在高、中、低三個發射功率下，測量動中通天線系統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合的手段來確定干擾源和被干擾關鍵部件。實驗中發現，在350MHz無線通信系統開啟的情況下，動中通天線系統中速率陀螺儀的輸出的信號的質量明顯下降。

為了定量分析信號的質量，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）計算樣本數據的方差。

方差描述隨機變量對于數學期望的偏離程度，方差越小，數據越穩定。因此可以根據方差的大小判斷速率陀螺儀的輸出的信號的質量。

實驗結果如表1。

表1 干擾源分析結果

通過以上分析和初步實驗，確定衛星應急指揮車動中通天線系統出現的電磁干擾問題的干擾源為350MHz無線通信系統。被干擾的關鍵部件是動中通天線系統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無線通信系統輻射干擾，那么無疑應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。常規的方法是采用導電率好的薄層金屬作為外殼或內襯材料，達到良好的屏蔽效果。但條件是屏蔽必須連續，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。這是設計屏蔽罩的困難所在。但盡管這不可避免，但在屏蔽設計中對與電路工作頻率波長有關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，本系統的電磁屏蔽罩的設計需要解決的關鍵問題是：

（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發射頻率越高衰減越嚴重。

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

2.3 工程實施

設備一般都需要進行屏蔽，這是因為結構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，如同在一個設備中使用了多個處理器時的情形，表面處理及墊片設計是保持長期屏蔽，以實現EMC性能的關鍵因素。本系統在解決該問題時，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量穩定性測試結果

電磁屏蔽罩設計加工完成后，采用2.2相同的實驗方法進行對比性驗證，實驗結果如表2所示。

表2 屏蔽效果分析結果

測試結果表明，在350MHz無線通信系統工作的情況下，加裝電磁屏蔽罩后的衛星天線的陀螺儀輸出信號質量明顯提高。

2.4.2 屏蔽后的動中通天線跟蹤精度

電磁屏蔽罩設計加工完成后，在湖南省消防總隊“動中通”衛星通信指揮車上進行應用。該車使用的是等效口徑0.9米拋物面的衛星天線。天線的波束寬度為1.8°，設計跟蹤精度指標為不大于2/10波束寬度，即0.36 °。

2.4.2.1 實驗設計

在350MHz無線通信系統正常工作的狀態下，我們對“動中通”衛星天線的跟蹤精度進行了測試，驗證安裝電磁屏蔽罩后衛星天線系統的使用效果。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）天線控制系統將天線對準衛星，并鎖定最大強度位置后，進入跟蹤狀態。

（2）按照《公路工程技術標準》（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）分別對三組數據進行統計處理，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 測試結果

表3 不同等級公路測試結果

3 應用情況

在企業廠家的配合下，湖南省消防總隊配備的2輛“動中通”衛星通信指揮車所使用的動中通天線系統均加裝了本論文設計的電磁屏蔽罩。加裝后的衛星天線系統穩定性明顯提高，在多次執行任務的過程中，多種無線通信手段并行工作的時候，衛星通信系統天線系統的穩定性沒有受到任何影響。論文的研究成果在衛星天線生產廠家在產品中得到使用，有效地提高了產品的質量。

4 結束語

本文分析了我總隊衛星應急指揮車動中通天線系統出現的電磁干擾問題，對出現的干擾問題進行了很深入的分析，設計了定性和定量相結合的實驗方法，對干擾源和被干擾的主要部件進行了準確定位。在理論分析的基礎上，“動中通”衛星天線電磁屏蔽罩很好的解決了350MHz無線通信系統的的電磁干擾問題。

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