车辆电磁兼容EMC方案设计

车辆电磁兼容EMC方案设计1电磁兼容设计本车集中了N个无线信道，电磁兼容是系统实现的关键。为了确保系统电磁兼容性满足“车上任一电台满功率发射时，整车系统应能正常工作；车上所有电台满功率发射时，其他设备应能正常工作；车上电源系统工作时，车上所有通信设备应能正常工作”的要求，应重点从以下几方面进行了论证和设计：1） 底盘电系统电磁兼容性设计2） 车顶天线集合电磁兼容性设计3） 车厢电磁屏蔽设计4） 车内通信设备电磁兼容性设计5） 车内接地系统电磁兼容性设计6） 车内电源系统电磁兼容性设计7） 防雷设计下面就这七方面的设计分别进行阐述。1.1底盘电系统电磁兼容性设计汽车电磁干扰源主要有辐射干扰、传导干扰。辐射干扰有发电机或电动机电刷、开关触点产生的电弧和电火花；电感性装置产生的感应电动势等。电弧和电火花是产生高频电磁波的干扰源；感应电动势与原电路电流同向叠加，产生电磁脉冲干扰。传导干扰有开关触点、感性器件通断产生的浪涌；汽车电气配线、电路网络及搭铁阻抗产生的互耦电压等。由于汽车线缆间经常存在电压和电流梯度、多点搭铁产生电位差，致使导线间产生电感或电容式耦合，瞬变电压高达200V。这两种干扰源还可能相互作用，所有这些干扰都可能会对通信系统中的某一设备产生危害。针对上述各种干扰，越野汽车底盘设计了下述方案以对抗电磁干扰：电气系统为24V体制，采用柴油发动机，取消了汽油发动机所需的点火系统，从而避免了发动机高压线圈产生的强烈电磁干扰。采用内部模块的电子开关取代了继电器，实现了整车无触点化，模块内采用自修复过载保护，取代了传统的保险丝；模块外设有故障指示灯，便于操作员检修和维护。整车无触点化，开关电流降为毫安级，大大降低了开关对敏感设备的电磁干扰。•控制信号采用屏蔽双绞线，具有较强的抗电磁干扰能力。•采用符合电磁兼容标准的电气设备，合理布线，增加了必要的滤波装置，提高了系统的电磁兼容性。1.2车顶天线集合电磁兼容性设计1.2.1天线集合的基本概念保证整车系统电磁兼容性必不可少的措施是天线集合的EMC设计，这里采用“天线集合”的提法是因为这些天线之间并没有直接的电气上的联系，它们只是物理位置上集中在一个较狭窄的空间内。天线布置不当会带来下述问题：•天线方向性图严重畸变，使天线在某些角度的增益明显下降；•收一发天线间的阻塞干扰，使接收机处于非线性区工作，产生交调、互调、减敏等效应，这样就必须使收发频率间隔加大，从而增加了频谱使用上的困难；•发一发天线间的功率倒灌，使发射天线驻波比恶化，调匹配困难，并可能产生互调；•射频辐射危害，包括：敏感设备输入电路毁损、电引爆武器的误引爆或误动作、燃油的射频引燃、对人员构成辐射危害等。1.2.2天线集合的电磁兼容性设计天线的目的是辐射或接收，因此天线与天线间必须会产生耦合干扰，控制其耦合干扰的最简单办法是利用空间隔离，加大水平与垂直间距或使极化不匹配。本车车顶需布置七副天线，由于工作在不同的频段，因此其空间隔离度的要求也不尽相同。各电台天线的工作频段如下：HF电台天线：1.6〜30MHz；VHF电台天线：30〜87.975MHz：宽带电台天线：225〜512MHz。由上可见，三部VHF电台因工作在同频段而成为天线布局设计的重点，根据计算，三部VHF电台的天线间隔如果大于1.5m，其空间隔离度可达10dB以上，基本满足使用要求。HF电台虽然发射功率大，但因其工作频段与其他电台不重合，仅是其谐波分量有可能对其他电台的中频部分产生干扰，也应尽可能远离其他天线。基于上述原则，我们对车顶天线布置进行了设计，详见图8-1所示。7.27.2米天线升降机图1-1车顶天线布置图由图8-1可见：三副VHF电台天线相距达相互之间最小间隔为1.78m，大于1.5m的要求；与宽带电台天线的间距也达1.5m以上；HF电台天线与各天线的间距相对适中，天线根部间距也均超过了lm。此外，分频工作也是解决天线耦合干扰的有效办法之一，对于三部VHF电台，在使用时应有一定的频率间隔。车顶天线布局往往是同车多机共同工作性能的主要影响因素之一，VHF电台与高速数据电台频段相差较远，实际使用过程中主要考虑谐波干扰，同时为了考虑121天线与135天线的隔离，建议将下面121天线靠近宽带天线挪动，尽量避免对称布置。1.3车厢电磁屏蔽设计发射天线的射频能量直接渗透到设备机壳内，引起灵敏的电子元件性能下降或工作失常，而车厢是抑制外部电磁波进入车内的最重要环节之一，其屏蔽效能好坏直接影响到车内各通信设备能否正常工作，因此应该着重在厢体结构、门、窗、孔口、连接电缆等方面进行了处理。1.3.1厢体结构设计大板方舱已是成熟技术，大板方舱完全可满足车厢体“在3〜512MHz频率范围内40dB”的指标要求。厢体结构设计的具体措施如下：•厢体采用大板拼装结构，每块板片内外均蒙整张金属板，具有良好的电磁屏蔽作用；•在合拢厢体时，为了确保各片之间电连接可靠，对各板片的内蒙板间和外蒙板间分别进行电连接处理，使内、外成为一个等位面；•在安装厢体内、外包角时，对蒙板与包角的接触面进行电连接处理，确保无电磁泄漏缝隙。1.3.2屏蔽门的设计车厢屏蔽门采用铝型材结构，型材槽口内嵌装有整体成形的双层金属丝网屏蔽橡胶条。在门关闭时，通过门锁的压紧力作用，使得屏蔽条与门及门框紧密接触在一起，确保舱门具有良好的电磁屏蔽效能。1.3.3屏蔽窗的设计车厢前、后各设有一扇固定窗，左、右壁各设一扇外推式活动窗，均采用铝型材窗框、安装双层玻璃，外层为钢化玻璃，内层为屏蔽玻璃，通过导电衬垫安装在铝型材窗框上，保证与车厢体有良好地电连接。1.3.4信号输出板、电源接口板屏蔽•电源引入装置、信号引入装置、天线引入装置均采用金属装置板，并在车厢内加金属内罩；•电源进出线加装滤波器，滤波器通过金属内罩良好接地，可有效滤除电源线上传导干扰；•空调出风口、车厢通风口加装60dB以上的屏蔽蜂窝板，可起到良好的屏蔽作用。1.4车内设备及布线电磁兼容性设计1.4.1车内电磁干扰源分析车内电磁干扰源为：各类设备、开关电源、计算机等数字电路。1）各类电台车内有各种各样的电台，工作频率包含了HF、VHF和UHF频段，除了电台发射产生的高频信号外，还有各种电台的主振和本振信号，均可由天线、电缆接头、壳体、散热窗向外幅射，也可通过电源线，控制线等传导到其它机器内。同时，电台自身的接收机是受干扰最敏感的部分。接收机的灵敏度一般在微伏级，在频段内任何微小的干扰，均会串入接收机，特别是当车内频谱密度较高时，各组合干扰会造成灵敏度指标下降。尤其要注意的是，落在接收机各级中频附近的干扰，可能会造成中频阻塞。发射机在低电平调制部分也易受到电磁干扰的污染，造成输出频谱不纯，寄生调制加大。较强的干扰串入电台还会造成电台内的频率合成器失锁，使得电台不能工作，影响通信。2） 开关电源本车的综合电源为了节省功率和体积，采用了多路开关电源。它带来的电磁兼容性问题，必须引起充分重视。开关电源的功率器件工作在开关状态，开关频率一般在几十赫兹到几百千赫兹。由于分布参数的存在，开关波形的前后沿都存在过冲。这些过冲的展开，是一个高频衰减振荡，功率谱集中在几千赫兹到几十千赫兹，是一个很强的宽带电磁发射源，输出功率越大电磁发射越严重。此外，一般开关电源均带有过流过压保护电路，为了使得保护电路反应速度快，通常保护电路的取样时间常数均不大，当发射机处于大功率发射状态时，在保护电路上会产生感应电流，这一电流会产生误保护动作，影响电源工作。3） 计算机等数字电路车内各设备一般均有微机控制器和自己的总线和时钟，一般脉冲宽度从几十毫秒到几纳秒，加上系统控制计算机，并通过控制线互相连接，电磁干扰频带宽、变化快、分布广，其幅度均为TTL电平，很难控制。各类干扰均可能造成计算机数据丢失，误传和控制电路误动作，特别是计算机在对硬盘进行操作期间受到的干扰，可能造成计算机不能正常工作而使得系统瘫痪。1.4.2通信设备电磁兼容性要求上车的通信设备，其电磁发射和敏感度必须符合GJB151A中的有关规定。1.4.3车内电源系统电磁兼容性设计车内电源系统的电磁兼容性设计主要包括电源线路的电磁兼容性设计和车载综合电源的电磁兼容性设计两方面。电源线路的电磁兼容性设计主要是合理走线，并在线路上采取滤波措施；而车载综合电源的电磁兼容性设计重点在于开关电源，主要采取以下措施：采用零电压控制开关和软启动电路，减少电流冲击和继电器触点火花，在开关管设置吸收元件；•采用零电压开关模式的开关电源，减少上升沿振荡干扰，在整流管上加上磁性元件吸收干扰，并在交流电源输入端加功率因数校正电路，减少谐波干扰；•对所有开关电源采用独立屏蔽的模块结构，输入输出部分加上共轭滤波和刀型滤波；•对各取样检测电路合理选择时间常数，如微机可采用数字滤波采解决外来干扰；•将控制电路，检测电路以及开关电源电路合理放置，互相之间的通信链路可采用带驱动器的隔离驱动，以防止互相干扰。1.4.4布局设计遵循强信号源与敏感设备之间空间隔离的原则，电台、计算机、传真机、综合电源等设备采用分散布局的方式，距离尽量远，高频馈线的走线尽量短且相互不交叉，电台安装位置应便于接地。1.4.5布线设计解决车内电磁兼容性问题的重点在于合理的布线设计，一般从以下几方面考虑：1） 滤波发射天线的射频能量能够被设备电缆接收，并沿着电缆传导到灵敏的电子设备中去形成干扰，而车内干扰源的各类干扰信号也会在公共线路上相互串扰，为了消除这些线路的干扰，必须采取相应的滤波措施：•在本车的电源引入口、信号引入口均应加装线路滤波器，消除发射天线的射频能量耦合在输入线路上的高频干扰；•在各干扰源的供电线路上分别加装滤波器，消除公共用电线路上的相互串扰；•信号控制器内部线路应采取必要的滤波设计，消除公共信号线路上的相互串扰；•所有滤波线路的输入线和输出线应相互隔离，防止因高频耦合而降低滤波效果。2） 减小源回路和敏感回路•为减小电路环路面积，应使载流线或信号线尽量靠近其回线；•如无特殊要求，应采用双线制，把载流线或信号线与其回线扭绞在一起；•不采用结构件作回线，这样会使感应回路或激励回路面积增大。3） 空间隔离按干扰发生概率，线间耦合在系统中是仅次于天线耦合的一种重要耦合路径。大多数线间电磁耦合现象发生在同一线束的电线或电缆之间，而减小干扰源与感应回路间电磁耦合最有效的方法是尽量增大两线间距，提高空间隔离。根据本车的工作特点，所有线路概括起来可分为以下四类：•主电源线路；•二次电源线路，包括直流与照明线路；•控制线路；•射频线路，主要指各类电台的高频馈线。措施针对这四类线路，应采取不同的布线方式。•主电源线路应与其他各类线路保持150mm的间距，而油机供电电缆由于载有很强的电流，离开其他各类线路至少要300mm；•高频馈线单独布设，相互间及与其他各类线路间至少要保持75mm的间距，馈线走线尽量短且紧贴车体壁走线，绝对避免出现较长的平行布线，最好做到正交布设或接近正交布设；•其他各类线路应分类布设，相互间应保持75mm的间距；•合理选择线缆的走向，使布线尽可能短；•布设的线缆尽量采用屏蔽线，射频电缆可采用双重屏蔽线；•所有线缆的屏蔽层应良好接地，敏感电缆的屏蔽层间要相互隔离；•所有屏蔽线缆的电连接器，其外壳必须导电，并保证连接器与线缆结合处的360°端接；•天线引入装置处的高频馈线均应通过穿墙式屏蔽插座转接，确保屏蔽层连续，避免发射机输出的高频强功率信号在车厢内部泄漏。其他为避免连接器中的空插针在高频中的天线效应，最好应接到地电位。1.5接地系统的设计接地是指对大地进行电气连接的过程，对本车来说实际是借助埋入地下的金属接地棒实现车厢和设备对大地的电气接触，以达到下述目的：•为车厢、设备壳体和其他各种屏蔽体、滤波器件提供释放电荷的通道;•减小信号电路内由杂散电流引起的电磁噪声；•保护人身安全，防止电源故障时发生电击；•建立电压参考点；•对雷击放电提供一系列到大地的通路，以保护人员和设备安全。1.5.1接地形式本车采用单点接地形式，车内接地线根据不同的功能分为大信号地、小信号地、电源地、保护地、避雷地等，汇接到电源壁盒处的接地点单点接入大地。1） 大信号地本车的大信号地主要指HF电台、VHF电台、UHF电台和宽带电台的接地线，采用紫铜带铺设，相互隔离，以最短的距离汇至接地点后接入大地。2） 小信号地小信号地是指除电台外的所有通信设备的信号接地线，采用紫铜带作为公共母线，各设备的信号接地点通过接地导线分别就近接入；整车信号输入口的信号滤波器地也可接入小信号地。3） 电源地电源地也采用紫铜带作为公共母线，所有用电设备的电源地、电源滤波器地、电源插座地和综合电源自身的地均就近接入。4） 保护地车厢内外蒙皮、设备壳体均通过保护地接入大地，以起到屏蔽的作用。所有线缆的屏蔽层也通过保护地接入大地，并遵循下列接地原则：•低频信号线的屏蔽层在负载端单点接地；高频电缆长度小于0.15入时，屏蔽层采用单点接地；长度大于0.15入时，以0.15入为间距进行多点接地或至少两点接地；•电源线的屏蔽层采用两点接地；短波发射天线附近的屏蔽电缆，屏蔽层必须采用多点接地，接地间距应小于1.5m。5） 避雷地防雷模块安装在电源引入口附近，可直接用接地线将防雷模块与整车接地点连接。1.5.2接地电阻车内任一设备接地点至大地的接地电阻主要由五部分组成：•设备接地点至公共母线的接地导线电阻R1；•公共母线自身的电阻R2'•整车接地导线的电阻R3；•接地棒的对地电阻R4；•各连接点的接触电阻R5。1）设备接地点至公共母线的接地导线电阻R1；车内设备接地点至公共母线的接地导线一般采用截面积不小于2.5mm2的导线，长度一般不大于lm,计算得其电阻值R1=0.08Q。2） 公共母线自身的电阻R2车内公共母线一般采用0.8X40mm的紫铜带，最长为10m，截面积为20mm2,计算可得R2=0.01Q。3） 整车接地导线的电阻R3整车接地导线长5米，选用10mm2镀银铜编织带，其电阻R3=0.01Q。4） 接地棒的对地电阻R4在均一土质的大地中，垂直入地的接地棒可近似看作一