2.2 裝甲車輛面臨的無意干擾源

2.2.1 自然干擾源

雷電或雷電電磁脈沖（LEMP）被認為是不受控制的自然干擾源，它們可能具有兩種機理。第一種機理是由云-云或云-地放電產生電磁場，電磁場強度隨距離而定，表現為雙對數脈沖，對平臺造成阻尼正弦電流/電壓耦合，對外露電纜造成更加臨界的耦合，頻率與外露電纜長度有關。第二種機理是云-地放電直接附著到平臺或電纜上。對于第二種機理，其直接傳遞的能量非常大。

雷電產生的雷擊上升和下降時間通常為幾十納秒，比核電磁脈沖（NEMP）長，但是場強即使在距雷擊中心很近的距離也會快速下降。該威脅由強電磁場感應的高電流和高電壓造成，峰值高于20 kA的電流在擊中點是另外的威脅，結果是由過電壓或熱過載帶來毀滅性損壞。

2.2.2 車載電源系統產生的無意干擾

任何電子系統都需要電源，車載電源系統承擔整個車輛的配電和控制功能，其由于功能特性，會產生各種無意干擾，主要類型如下。

1．紋波和諧波

紋波是一種自然效應，表現為疊加在相關車輛交流電源上的低頻信號，以及在車輛直流系統穩態工作過程中疊加在額定直流電壓上的低頻信號（規則的或不規則的）。

紋波和諧波的產生源是直流發電機、交流發電機、整流器、逆變器和電動機。根據GJB 298要求發電機和蓄電池并聯的無故障條件，系統的穩態電壓為25～30 V，如圖2-1所示。

紋波電壓的上峰值和下峰值均應小于2 V，紋波頻率應當在50～200 kHz范圍以內。

2．浪涌

浪涌是指持續時間超過5 ms的偏離受控穩態電平的任何瞬變。浪涌的恢復時間是從電壓偏離穩態極限到返回并歸于極限之內的時間段（圖2-2）。浪涌通常是發電系統自行調節以及調節器校正作用的結果，始于所需電源的變化，或再生系統的電源反饋。浪涌是有電機應用系統的固有規律，可采用調整裝置加以解決，對應用的電源進行調整或者加入來自再生系統的電源反饋。

當共用電源接通和斷開相當大的負載電流時，就會產生浪涌。產生強烈浪涌的主要用電負載是風扇、空調、火炮或炮塔控制裝置、起動電動機。浪涌通常具有比瞬變干擾更高的能量水平。由于起動電動機齒輪與發動機齒圈嚙合，在起動發動機的過程中引起的電壓偏離穩態電壓期間的欠壓變化使浪涌波動較大，同時含有豐富的瞬態尖峰干擾，持續時間較長，從實際測試結果（圖2-2）可以看出，電壓峰-峰值變化量達到30 V，持續時間為700 ms。當使用普通電源供電時，相關大負載電流的接通或關斷產生浪涌現象。

3．起動干擾

起動干擾是指電壓不足，偏離通常的穩態水平。它由發動機起動機接合和發動機起動造成。如圖2-3所示，電壓曲線說明了理想化的初始接合浪涌和起動級電壓。對于適當的起動模式，初始接合浪涌持續時間從電壓降到相應穩態下限以下開始，到起動級電壓保持在規定最小值以上結束。起動從接合浪涌結束開始，直至起動機分離。

4．瞬變干擾

瞬變是指持續時間小于5 ms的偏離浪涌或穩態極限的高頻振蕩，通常由電抗性（無功）負載開關引起。該操作經常會產生一列瞬變，每一瞬變在不到1 μs的時間內達到高振幅。單個瞬變持續時間一般小于50 μs，但是該瞬變可能需要幾毫秒才能衰減回到浪涌或穩態極限。衰變通常由電抗性負載開關引起，例如繼電器。

下面是車輛低壓電氣電子系統中常見的幾種典型瞬變干擾波形的解讀說明。

1）尖峰脈沖

整車系統中存在大量開關電源和PWM控制的負載，當開關進行切換操作時，在電源網絡上由高頻電流波引起尖峰脈沖。車上切換頻率高的負載開關操作經常會產生一連串瞬變，此類瞬變會耦合至其他設備的電源線上形成傳導干擾。典型尖峰脈沖波形如圖2-4所示。

系統內的電源線和地線中存在尖峰干擾信號，主要是電磁繼電器、可控硅元件、電磁閥等開關器件開關轉換和數字電路狀態翻轉時產生的。無論對模擬電路還是數字電路，其都有極強的干擾作用，例如經常出現的計算機數據丟失和誤碼率大量增加。器件的尖峰干擾信號可以從器件手冊中查詢或根據試驗數據獲得，根據開關器件和電路的電特性，如靈敏度、選擇性曲線、額定工作電壓和電流等，或根據試驗數據確定被分析對象的尖峰干擾敏感度、選擇性曲線、額定工作電壓和電流等。尖峰干擾模型可由下式確定：

Ir（f）＝Ie（f）-F（f, B）（dB）

式中：Ir（f）——接收尖峰干擾；

Ie（f）——發射尖峰干擾；

F（f, B）——濾波器對尖蜂干擾的衰減（也包括尖蜂信號傳輸電路的等效作用）。

濾波器對尖峰干擾的衰減取決于干擾頻率和帶寬。尖峰干擾頻譜很寬，如1 μs脈寬信號的頻譜寬度約為1 MHz，脈寬越窄，前沿越陡，頻譜越寬，這可能需要多級濾波器。另外，尖峰信號是時間域干擾，濾波器尚未反應，干擾信號大部分能量已通過，因此對尖峰干擾信號的抑制決不能僅依賴濾波器。

2）點火開關斷開時的瞬態波形

由于線束電感的原因，與DUT并聯的裝置內電流突然中斷會引起瞬態現象。圖2-5所示是直流電機充當發電機，點火開關斷開時的瞬態現象及典型脈沖波形參數。

3）高功率負載引起的瞬態波形特征

由于裝甲車輛武器功能性能的要求，裝甲車輛安裝了大量感性和容性負載，如驅動電機、大功率充/放電裝置等。這類設備工作時對電網的沖擊非常大，嚴重影響供電質量。如某大型驅動電機負載工作時，電網的紋波電壓高達上百伏，持續時間達到毫秒級，而且負載連續工作，電網周期性波動，造成部分電子部件損壞，同樣對其他微電子設備也構成嚴重威脅。圖2-6所示是典型設備工作時的電網波動曲線。

4）起動電機起動過程中的電網暫降特征

電網暫降是指起動電機起動過程中，在起動控制電路通電時產生的電源電壓的降低，其不包括起動時的峰值電壓。電網暫降典型脈沖波形及參數如圖2-7所示。這時容易出現發電機起動后馬上熄火現象。

5）拋負載瞬態干擾波形特征

圖2-8所示波形是模擬拋負載瞬態現象，即模擬在斷開電池（虧電狀態）的同時，交流發電機正在產生充電電流，而發電機電路上仍有其他負載時產生的瞬態。拋負載的幅度取決于斷開電池連接時，發電機的轉速和發電機勵磁場強的大小。拋負載脈沖寬度主要取決于勵磁電路的時間常數和脈沖幅度。大多數新型交流發電機內部，拋負載幅度由于增加限幅二極管而受到抑制（箝位）。拋負載可能產生的原因為電纜腐蝕、接觸不良或發動機正在運轉時，有意斷開與電池的連接。具有集中拋負載抑制的交流發電機，其干擾幅值較大，作用時間長，容易干擾低壓控制器類設備，特別會對控制器電源模塊及TVS管造成永久損傷。

6）感性負載瞬變干擾特征

車輛各控制系統內存在大量的感性負載，如各種電動機和電磁閥等，其線圈在開路瞬間都會成為一種寬頻譜、大能量的瞬變干擾源。

如圖2-9所示，當繼電器觸點J打開時，原負載RL上的電流被突然中斷，在電感兩端產生反向瞬變電壓UL＝-L（diL/dt），其峰值可達穩態直流電壓UDC的幾十倍，并向線路的分布電容CP充電，形成R-L-CP串聯振蕩電路。顯然，這種瞬變脈沖不但具有浪涌性質，而且具有豐富的諧波，可能引起電子控制系統的邏輯錯誤。

7）各種觸點放電干擾源

裝甲車輛各控制系統內分布有各種觸點，如開關觸點、繼電器觸點、整流子電機的電刷與整流子間觸點等。這些觸點都是用來通斷電流的，但在其要開未開或要閉未閉的瞬間，其放電的能量密度通常可達到造成危害的程度。圖2-10所示為串激式直流電動機的觸點測試電壓波形。

圖2-11所示為串激式直流電動機的觸點干擾源等效電路及瞬變脈沖波形，其中觸點K指的是電刷與整流子間觸點。電動機旋轉時，觸點K不斷地接通和斷開，電機繞組中的電流斷續變化，從而產生瞬變電流和電壓Ust。此瞬變電壓Ust反作用于電源支路，在電源引線電感LP和電容CP上形成陡峭的高頻振蕩沖擊電流ILP和電壓UCP。此脈沖電壓峰值可高達上千伏，衰減振蕩，振蕩頻率為0.1～500 MHz，初始脈沖的前沿只有幾納秒。這種火花放電和高頻振蕩不但產生輻射干擾，同時可通過電源線或信號線對其他電路產生傳導干擾。

8）靜電放電干擾

作為設備的外殼端口，任何暴露部分都可能發生靜電放電（ESD）。常見的情況是在鍵盤、控制部件、外界電纜等部位或在直接接觸的金屬構件表面發生靜電放電。靜電向附近導體（可以是設備本身上的非接地金屬板）的放電產生很大的局部瞬態電流，這個電流通過電感或公共阻抗耦合到設備中產生感應電流。

靜電放電產生幾十安培的納秒級瞬態電流，通過復雜的路徑經過設備流到大地，它流過數字設備時，很可能使數字電路發生誤動作。放電路徑在很大程度上是由雜散電容、機殼搭接和導線電感決定的。這些路徑一般是PCB地線的某些局部、寄生電容、外部設備或暴露的電路等，感應的瞬態對地電位之差會導致電路的誤操作。靜電放電效應會導致邏輯門中半導體器件、微處理器、場效應管的毀損，電臺數據接收錯誤，計算機癱瘓以及虛警。

2.2.3 裝甲車輛機動性產生的無意干擾

裝甲車輛由于其機動性產生的無意干擾，通常用“履帶摩擦靜電效應”“機動電磁干擾（Mobile Electro Magnetic Incompatibility, MEMIC）”“生銹螺栓效應”表示。這三種干擾機理將干擾車載（機動）通信裝備。它們是靜電效應、電動力學效應和半導體效應產生的結果。

1．履帶摩擦靜電效應

靜電充電機理可使車輛在行駛中產生高電壓。車輛與大地之間的電勢差通過電荷累積而增大，直至足以激發出放電通路。當充電速度快、放電通路足夠短時，會發生連續快速脈沖放電，導致在高頻/甚高頻無線電通信波段發生干擾輻射和/或感應。值得關注的兩種充電機理是：

（1）摩擦靜電效應通過不同材料間的摩擦產生電荷。其可發生在車體與行駛裝置之間，對于地面車輛，也可發生在輪胎或履帶板與地面之間。

（2）范德格拉夫效應通過提供有效的電荷累積方法可以大大增強摩擦充電，尤其在干燥天氣條件下的履帶式車輛上。范德格拉夫效應是裝甲車輛履帶摩擦靜電現象的主要原因。

注釋：通過保證履帶的電連續性和履帶板的充分導電來避免電荷累積，可泄放“履帶靜電”。可通過良好的履帶設計或常用導電化合物（例如石墨脂）實現。

履帶摩擦靜電效應會導致邏輯門、微處理器、場效應晶體管、無線電接收機半導體的損壞，也會導致計算機數據錯誤或癱瘓，并啟動假報警。

2．機動電磁干擾

在強電磁場環境中，搭接不良的金屬結構的振動會導致電動力學效應，使車輛產生電磁不兼容性。車輛振動不斷改變結構的連通性，使電流連續發生變化，連通性的每次變化都會突然改變電磁場感應的循環電流。射頻循環電流的連續突變會引起寬帶干擾，經常在結構電接觸點處由于振動產生火花。

通過發射天線附近的電磁場，車輛金屬車體結構中會產生循環射頻電流，這些射頻電流在車載發射天線附近最強。因此，車輛結構連通性的變化會導致上述電磁不兼容性。

以坦克為例，當金屬結構搭接不良時，例如發動機艙蓋、防火箭彈裝甲板、炮塔安裝的金屬裝載吊籃、備用履帶節和牽引鋼索，車輛連通性最有可能發生突變，使結構的電連續性破壞。

連通性變化可能是偶發性的，由隔離行為（例如打開艙蓋或改變外部裝載）引起，或是連續性的，由車載設備運轉或車輛在崎嶇地形行駛引起。

連通性的每次突變會導致瞬時突發的寬帶射頻干擾輻射。孤立突發干擾可能沒有破壞性，但是連通性的連續變化會產生持續高電平射頻干擾，從而嚴重削弱鄰近無線電接收機的效果。

機動電磁干擾只能通過消除由振動引起的連通性變化來避免。外部金屬部件在振動時會接觸和/或分開，這就要求它們或者搭接起來，從而不會分離，或者彼此隔離，從而不會接觸。

3．生銹螺栓效應（半導體效應）

結構中不同金屬之間的電蝕有時會形成一個非線性阻抗區，表現出不良二極管整流特性，導致在這樣的結構上產生寬頻帶亂真信號。

如果具有這種不良二極管整流特性的結構處于鄰近位置或車載發射機電磁場時，會感生射頻電流，射頻電流會流經該結構，并在輻射波的諧波頻率下產生電流。這些諧波電流輻射會產生亂真離散信號。如果不止一個傳輸信號輻射結構，那么將會產生每個輻射傳輸信號的諧波以及很多互調制分量。這些有害信號可能存在于寬頻帶上。該現象稱為“生銹螺栓效應”。

當很多地方發生腐蝕時，生銹螺栓效應可能是最麻煩的，例如在腐蝕環境中使用的裝有大功率發射機和靈敏接收機的復雜的栓接/鉚接結構。需要注意，當發射機/接收機總成鄰近這種結構時，那么也可能存在生銹螺栓效應。

通過定期檢查和維護來防止腐蝕，從而可以避免生銹螺栓效應。但當發射機/接收機總成靠近復雜的栓接/鉚接結構時，例如金屬結構的艙室，必須小心。兩棲車輛需要特別關注這種現象。

2.2.4 混合動力系統產生的無意干擾

隨著裝甲車輛機動性、續航能力和戰斗力提升的需求，混合動力車輛成為重要的發展方向之一。混合動力車輛是指動力系統由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系統聯合組成的車輛，車輛的行駛功率可由多個動力源共同提供。

2.2.4.1 混合動力系統干擾源

混合動力系統干擾源主要包括：電網的負載突變（供電干擾）；功率轉換電路的高頻開關器件快速通斷形成大脈沖電流而引起的電磁干擾；系統內部的強電元件，如電動機等感性負載造成的強電干擾；由連續波等干擾源造成的空間輻射干擾。變頻器數字電路受電路結構、內部連接線及工作過程特點等的影響，也會產生許多高頻干擾。例如，一定寬度和極性的PWM控制信號是具有陡變沿的脈沖信號，會產生很強的電磁干擾，輸出電流將以線束發射的方式輻射能量。

1．電網負載對混合動力系統的干擾

電源系統對變頻器的干擾主要表現為過壓、欠壓、瞬時掉電、浪涌、跌落、尖峰電壓脈沖、射頻干擾等。例如，在大功率用電設備上電或關斷的暫態過程中，車內電網電壓有可能出現很高的峰值，其結果可能是使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。

2．混合動力系統的共模干擾

由共地阻抗或電磁場引起的共模干擾通過變頻器的控制信號線能形成環路干擾，這也會干擾變頻器的正常工作。圖2-12所示為電驅動系統共模電磁干擾分解示意，其中：

（1）環路1中電流為ICM,Cable，其面積最小，它是經過線纜內部寄生電容的共模電流，從電機連接線纜和屏蔽線返回變頻器的輸出端；

（2）環路2中電流為IShield，包含了電機中的絕大部分共模電流，經由電機繞組電容流經變頻器和電機定子間的屏蔽線纜返回變頻器接地機殼；

（3）環路3中電流為ICM,C，它也是電機共模電流的一部分，經過變頻器和電機間的共同地連接（而不是電機屏蔽線）返回變頻器，其中電機及變頻器與保護地（PE）的電阻分別為ZPE,M和ZPE,C；

（4）環路4中電流為ICM,Cin，它是最大的共模電流環路。其他的電機共模電流都經過電網阻抗ZPE,G流到電網中。

高頻的共模電壓作用在電機上，由于電機內部存在高頻寄生電容耦合作用，在電機轉軸上會耦合出軸電壓，如果電機沒有接地或接地不良，就會發生電擊事故。另外，當軸承座圈和滾珠接觸時，干擾產生電容放電性電流——軸承電流會擊穿油膜，產生較大的放電電流，使軸承座圈局部溫度迅速升高，導致軸承座圈上產生熔化性凹點，最終產生凹槽，增大了軸承的機械磨損，縮短了機械壽命。

3．混合動力系統的諧波干擾

在交流輸入側，變頻器的整流電路對電網來說是非線性負載，能產生功率較大的高次諧波，使輸入的電壓波形和電流波形發生畸變。對于采用SPWM技術的電壓型變頻器，其輸入電壓主波形為正弦波，但電流波形為非正弦波。如不采取措施，變頻器將把產生的高次諧波通過配電網絡傳導給系統中的其他設備。由于其功率較大，對同一系統的其他電氣、電子設備干擾性較強，嚴重時將引起電力公害。

在變頻器的輸出交流電纜上測試時，電機轉動側的干擾量值全頻段抬高，形成嚴重的寬帶干擾，監測的時域波形如圖2-13所示。可以看出，在PWM調制的波形中明顯存在上升沿微秒級尖峰電壓。

在輸出側，變頻器的輸出電壓和輸出電流均有高次諧波，對電壓及電流波形進行傅里葉分解可獲得各次諧波的含量。對于采用SPWM技術的電壓型變頻器，其輸出線電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，有電壓尖刺，電壓梯度很大，包含多種高次諧波，其等效后的線電壓是連續的矩形波，但三相的相電壓是階梯波。

4．變頻器產生的高頻干擾分析

變頻器數字電路受電路結構、內部連接線及工作過程特點等的影響，也會產生許多高頻干擾。例如，一定寬度和極性的PWM控制信號是具有陡變沿的脈沖信號，會產生很強的電磁干擾，尤其是輸出電流，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去。高次諧波電流不但對負載產生直接干擾，而且通過電纜產生空間電磁輻射，干擾鄰近的電氣、電子設備。變頻器輸出電壓波形的開關翼部通過存在于電機電纜和電機內部的寄生電容對地產生一個高頻脈沖噪聲電流，該噪聲電流所造成的電壓降將影響同一電網的其他電氣設備。另外，混合動力系統、高壓供配電系統中接觸器、電抗器等的大電感線圈及其引線的開合將產生較高的過電壓。

2.2.4.2 多路徑干擾耦合

混合動力系統具有多路徑干擾耦合的特點，形成的干擾分為輻射干擾和傳導干擾。車內有多個電機控制器及電機，其機殼均采用金屬制成，從而削弱了輻射干擾。傳導噪聲通過連接控制器信號線及連接負載的電源線進行傳導發射，因此混合動力系統中變頻控制器連接的線束是產生傳導發射的主要因素。

耦合是指電路與電路之間電或磁的聯系，即一個電路的電壓或電流通過耦合，使另一個電路產生相應的電壓或電流。耦合起著將電磁能量從一個電路傳輸到另一個電路的作用。一般電磁干擾的耦合途徑有傳導耦合（直接耦合和共阻抗耦合）、感應耦合和輻射耦合。

1．傳導耦合

在混合動力系統中，電磁干擾除了通過與其相連的導線（如電源線、信號線和接地線）進行直接耦合之外，還可以通過共阻抗耦合干擾其他電路。

2．感應耦合

在干擾源的頻率較低時，其電磁波輻射能力有限。此時，干擾源的電磁干擾能量可以使不與干擾源直接相連的鄰近的導線或導體中產生感應電壓或電流，形成感應耦合。在混合動力系統中，感應耦合主要表現為鄰近導體間的電感耦合或電容耦合或兼而有之，這與干擾源的頻率以及相鄰導體間的距離等因素有關。

3．輻射耦合

干擾源的電磁輻射能力取決于干擾源的頻率、電流強度以及裝置的等效輻射阻抗。耦合輻射以電磁波方式向空中輻射，這是高次諧波分量的主要傳播方式。

在混合動力系統中，當采用PWM技術的逆變橋根據給定頻率和幅值指令產生預期和重復的開關動作時，輸出電壓和電流的功率譜是離散的，并且帶有與開關頻率相應的高次諧波。因此，高載波頻率和場控開關器件的高速切換將引起嚴重的輻射干擾。混合動力系統中電磁干擾的耦合途徑如圖2-14所示。

2.2.4.3 系統的敏感特征

在混合動力系統中，各個電子部件、元器件都可能成為被干擾的敏感單元。但只有當干擾源的信號超過了電子部件容許的范圍并且干擾源的信號頻率可以被電子部件響應時干擾才能發生。干擾源產生的共模電壓激勵系統中存在的雜散電容和寄生耦合電容，形成共模電流。共模電流通過定子繞組和接地機殼間的耦合形成漏電流，該漏電流會引起保護接地繼電器的誤動作。漏電流通過地流回電網從而產生足夠大的共模電磁干擾。由于高次諧波電流干擾功率較強，產生的諧波干擾通過電纜會對同一系統中的其他電氣、電子設備產生較強影響，引起附近敏感設備的誤動作。