消防通信指挥车卫星天线系统电磁屏蔽技术研究

2017-10-13幸雪初

网络安全技术与应用 2017年3期

◆幸雪初任巍

◆幸雪初1任巍2

（1.湖南省公安消防总队湖南 410600；2.湖南省长沙市公安消防支队湖南 410003）

卫星通信指挥车在设计实施过程中无线通信设备都具有一定的电磁干扰性，对于无线收发设备来说，采用非连续频谱可部分实现电磁兼容性能，但是在工程上很多情况表明电磁兼容并不总是能够做到，尤其是无线通信系统具有高频干扰的情况。本文以湖南省公安消防总队卫星通信指挥车动中通天线系统出现的电磁干扰问题为研究对象，提出了解决的方法。

电磁干扰；电磁屏蔽；卫星通信；天线；消防

0 引言

卫星通信具有通信距离远、不受任何复杂地理条件和自然灾害、人为的限制、传输线路稳定可靠、保密性强等优点。近几年来卫星通信系统在全国消防部队得到了广泛应用，已经成为消防部队的主要应急通信保障手段之一，在部队灭火抢险救援中发挥了重要作用。

在消防部队，卫星通信系统主要以通信指挥车为载体进行安装，车载卫星天线分为在高速移动中自动对星工作的“动中通”天线和在驻停时对星工作的“静中通”天线两种类型。通信指挥车除了安装卫星通信系统外，还安装了350MHz无线通信、微波通信、短波通信、移动公网通信等多种无线通信手段，在部队参与灭火抢险救援时，现场的环境往往是多种应急通信保障手段同时并存，不同频率、不同制式的无线通信同时进行，现场电磁环境势必非常复杂，无形中在无线通信中相互受到电磁干扰（Electromagnetic Interference 简称EMI），严重时会影响现场应急通信保障工作。

湖南省消防总队在2010年就配备了2辆“动中通”卫星通信指挥车、14辆“静中通”卫星通信指挥车，在参与消防应急通信保障工作时，在多种无线通信手段并行工作的时候，卫星通信系统天线系统的稳定性有所下降，特别是通信指挥车上的350MHz无线通信系统车载台开启后“动中通”卫星天线更为明显。为确实解决这一问题，本文作者与卫星天线厂家共同对这一问题进行了研究，并提出了解决的方法。

1 电磁干扰（EMI）分析

1.1 干扰源的分析

一般EMI有两条途径对系统造成干扰：辐射和传导。信号辐射是通过外壳的缝、槽、开孔或其他缺口泄漏出去。而信号传导则通过耦合到电源、信号和控制线上离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰，反之亦然，则为被干扰。

从干扰源的情况分析，本系统的干扰属于辐射干扰。从干扰受体分析，本系统应该同时存在信号辐射和信号传导干扰。辐射干扰是好理解的，信号传导干扰主要是因为本系统的电路系统复杂、分散、走线长，各个部分又都通过导线连接在一起，因此电路系统任何一部分感应出干扰后，会通过信号传导相互影响。

但从本系统的干扰来看，应该首先考虑350兆无线通信开启的情况下，对“动中通”卫星天线系统中速率陀螺仪的电磁辐射干扰的电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，简称EMC）问题。

1.2 干扰源和被干扰关键部件的定位

为了确定系统的干扰源以及被干扰的主要部件，我们通过实验进行验证。实验的方法是：在动中通天线正常工作的情况下，开启350MHz无线通信系统，同时在高、中、低三个发射功率下，测量动中通天线系统中速率陀螺仪的输出的信号，采用定性观察和定量分析信号相结合的手段来确定干扰源和被干扰关键部件。实验中发现，在350MHz无线通信系统开启的情况下，动中通天线系统中速率陀螺仪的输出的信号的质量明显下降。

为了定量分析信号的质量，采取50ms间隔对陀螺输出信号进行采样，取10s样本长度，然后按照式（1）计算样本数据的方差。

方差描述随机变量对于数学期望的偏离程度，方差越小，数据越稳定。因此可以根据方差的大小判断速率陀螺仪的输出的信号的质量。

实验结果如表1。

表1 干扰源分析结果

通过以上分析和初步实验，确定卫星应急指挥车动中通天线系统出现的电磁干扰问题的干扰源为350MHz无线通信系统。被干扰的关键部件是动中通天线系统中使用的速率陀螺仪。

2 EMI抑制的方法

2.1 抑制策略

考虑350MHz无线通信系统辐射干扰，那么无疑应该采取电磁屏蔽罩来解决问题。理论分析时，一般考虑一次及二次谐波的干扰，即本系统考虑干扰的最大频率为700MHz。它属于高频干扰的抑制问题。常规的方法是采用导电率好的薄层金属作为外壳或内衬材料，达到良好的屏蔽效果。但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙（形成一个法拉第笼）。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便连线。这是设计屏蔽罩的困难所在。但尽管这不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽或孔长度与尺寸作仔细考虑是很可以解决这个问题的。

因此，本系统的电磁屏蔽罩的设计需要解决的关键问题是：

（1）采用什么材料来制造；

（2）如何开孔和连接，开孔尺寸多大，连接缝隙怎么处理；

（3）过孔导线怎么解决传导干扰。

2.2 分析计算

分析干扰的抑制频率为700MHz。

当缝隙长度为波长（截止频率）的一半时，RF波开始以20dB/10倍频（1/10截止频率）或6dB/8倍频（1/2截止频率）的速率衰减，通常RF发射频率越高衰减越严重。

理论上，本系统214.5mm的缝隙就将开始产生衰减，若需要衰减20dB，则缝隙应小于21mm（214.5mm的1/10），需要衰减26dB时，缝隙应小于10.5mm（21mm的1/2以上），需要衰减32dB时，缝隙应小于5.25mm（10.5mm的1/2以上）。

2.3 工程实施

设备一般都需要进行屏蔽，这是因为结构本身存在一些槽和缝隙所需屏蔽可通过一些基本原则确定，但是理论与现实之间还是有差别的，例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度，如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形，表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽，以实现EMC性能的关键因素。本系统在解决该问题时，在具体实施上考虑了以下问题。

（1）采用材料铜设计一个电磁屏蔽罩，屏蔽罩考虑速率陀螺和垂直陀螺仪可以共用，材料厚度考虑1.5mm；

（2）电磁屏蔽罩只考虑一个出线孔，孔的直径设计为3mm。同时在开孔的位置考虑增加材料厚度开孔，使长度直径比达到3，保证能够衰减100db；

（3）接缝和接点采用铜焊进行永久性固定，接合部位金属表面必须清理干净，以使接合处能完全用导电的金属填满，不建议用螺钉或铆钉进行固定；

（4）箱体和底版采用凹凸对接方式，增加接触面的面积；

（5）采用屏蔽电缆进出机箱，电缆与壳体360度可靠接地，必要时考虑加入磁珠。

最终设计完成的电磁屏蔽罩实物如图1所示。

2.4 屏蔽效果验证

2.4.1 屏蔽后陀螺仪信号质量稳定性测试结果

电磁屏蔽罩设计加工完成后，采用2.2相同的实验方法进行对比性验证，实验结果如表2所示。

表2 屏蔽效果分析结果

测试结果表明，在350MHz无线通信系统工作的情况下，加装电磁屏蔽罩后的卫星天线的陀螺仪输出信号质量明显提高。

2.4.2 屏蔽后的动中通天线跟踪精度

电磁屏蔽罩设计加工完成后，在湖南省消防总队“动中通”卫星通信指挥车上进行应用。该车使用的是等效口径0.9米抛物面的卫星天线。天线的波束宽度为1.8°，设计跟踪精度指标为不大于2/10波束宽度，即0.36 °。

2.4.2.1 实验设计

在350MHz无线通信系统正常工作的状态下，我们对“动中通”卫星天线的跟踪精度进行了测试，验证安装电磁屏蔽罩后卫星天线系统的使用效果。跟踪精度的测试采用电平跌落法，测试连接如图2所示。

具体测试步骤是：

（1）天线控制系统将天线对准卫星，并锁定最大强度位置后，进入跟踪状态。

（2）按照《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）公路等级划分要求，我们在高速公路（一级公路）、二级公路、三级公路路况下正常行驶，每间隔50ms采样一次电平跌落信号并记录。

（3）分别对三组数据进行统计处理，按照电平跌落值折算跟踪精度，折算的方法是：

①将电平跌落值归一化

其中：

②按照下列公式计算各点的跟踪精度折算值，并绘制曲线

③每种路况下，随机取样本长度10000个（约8.3分钟），分别计算三种路况下跟踪精度的平均值分别为、、

2.4.2.2 测试结果

表3 不同等级公路测试结果

3 应用情况

在企业厂家的配合下，湖南省消防总队配备的2辆“动中通”卫星通信指挥车所使用的动中通天线系统均加装了本论文设计的电磁屏蔽罩。加装后的卫星天线系统稳定性明显提高，在多次执行任务的过程中，多种无线通信手段并行工作的时候，卫星通信系统天线系统的稳定性没有受到任何影响。论文的研究成果在卫星天线生产厂家在产品中得到使用，有效地提高了产品的质量。