2.2 装甲车辆面临的无意干扰源

2.2.1 自然干扰源

雷电或雷电电磁脉冲（LEMP）被认为是不受控制的自然干扰源，它们可能具有两种机理。第一种机理是由云-云或云-地放电产生电磁场，电磁场强度随距离而定，表现为双对数脉冲，对平台造成阻尼正弦电流/电压耦合，对外露电缆造成更加临界的耦合，频率与外露电缆长度有关。第二种机理是云-地放电直接附着到平台或电缆上。对于第二种机理，其直接传递的能量非常大。

雷电产生的雷击上升和下降时间通常为几十纳秒，比核电磁脉冲（NEMP）长，但是场强即使在距雷击中心很近的距离也会快速下降。该威胁由强电磁场感应的高电流和高电压造成，峰值高于20 kA的电流在击中点是另外的威胁，结果是由过电压或热过载带来毁灭性损坏。

2.2.2 车载电源系统产生的无意干扰

任何电子系统都需要电源，车载电源系统承担整个车辆的配电和控制功能，其由于功能特性，会产生各种无意干扰，主要类型如下。

1．纹波和谐波

纹波是一种自然效应，表现为叠加在相关车辆交流电源上的低频信号，以及在车辆直流系统稳态工作过程中叠加在额定直流电压上的低频信号（规则的或不规则的）。

纹波和谐波的产生源是直流发电机、交流发电机、整流器、逆变器和电动机。根据GJB 298要求发电机和蓄电池并联的无故障条件，系统的稳态电压为25～30 V，如图2-1所示。

纹波电压的上峰值和下峰值均应小于2 V，纹波频率应当在50～200 kHz范围以内。

2．浪涌

浪涌是指持续时间超过5 ms的偏离受控稳态电平的任何瞬变。浪涌的恢复时间是从电压偏离稳态极限到返回并归于极限之内的时间段（图2-2）。浪涌通常是发电系统自行调节以及调节器校正作用的结果，始于所需电源的变化，或再生系统的电源反馈。浪涌是有电机应用系统的固有规律，可采用调整装置加以解决，对应用的电源进行调整或者加入来自再生系统的电源反馈。

当共用电源接通和断开相当大的负载电流时，就会产生浪涌。产生强烈浪涌的主要用电负载是风扇、空调、火炮或炮塔控制装置、起动电动机。浪涌通常具有比瞬变干扰更高的能量水平。由于起动电动机齿轮与发动机齿圈啮合，在起动发动机的过程中引起的电压偏离稳态电压期间的欠压变化使浪涌波动较大，同时含有丰富的瞬态尖峰干扰，持续时间较长，从实际测试结果（图2-2）可以看出，电压峰-峰值变化量达到30 V，持续时间为700 ms。当使用普通电源供电时，相关大负载电流的接通或关断产生浪涌现象。

3．起动干扰

起动干扰是指电压不足，偏离通常的稳态水平。它由发动机起动机接合和发动机起动造成。如图2-3所示，电压曲线说明了理想化的初始接合浪涌和起动级电压。对于适当的起动模式，初始接合浪涌持续时间从电压降到相应稳态下限以下开始，到起动级电压保持在规定最小值以上结束。起动从接合浪涌结束开始，直至起动机分离。

4．瞬变干扰

瞬变是指持续时间小于5 ms的偏离浪涌或稳态极限的高频振荡，通常由电抗性（无功）负载开关引起。该操作经常会产生一列瞬变，每一瞬变在不到1 μs的时间内达到高振幅。单个瞬变持续时间一般小于50 μs，但是该瞬变可能需要几毫秒才能衰减回到浪涌或稳态极限。衰变通常由电抗性负载开关引起，例如继电器。

下面是车辆低压电气电子系统中常见的几种典型瞬变干扰波形的解读说明。

1）尖峰脉冲

整车系统中存在大量开关电源和PWM控制的负载，当开关进行切换操作时，在电源网络上由高频电流波引起尖峰脉冲。车上切换频率高的负载开关操作经常会产生一连串瞬变，此类瞬变会耦合至其他设备的电源线上形成传导干扰。典型尖峰脉冲波形如图2-4所示。

系统内的电源线和地线中存在尖峰干扰信号，主要是电磁继电器、可控硅元件、电磁阀等开关器件开关转换和数字电路状态翻转时产生的。无论对模拟电路还是数字电路，其都有极强的干扰作用，例如经常出现的计算机数据丢失和误码率大量增加。器件的尖峰干扰信号可以从器件手册中查询或根据试验数据获得，根据开关器件和电路的电特性，如灵敏度、选择性曲线、额定工作电压和电流等，或根据试验数据确定被分析对象的尖峰干扰敏感度、选择性曲线、额定工作电压和电流等。尖峰干扰模型可由下式确定：

Ir（f）＝Ie（f）-F（f, B）（dB）

式中：Ir（f）——接收尖峰干扰；

Ie（f）——发射尖峰干扰；

F（f, B）——滤波器对尖蜂干扰的衰减（也包括尖蜂信号传输电路的等效作用）。

滤波器对尖峰干扰的衰减取决于干扰频率和带宽。尖峰干扰频谱很宽，如1 μs脉宽信号的频谱宽度约为1 MHz，脉宽越窄，前沿越陡，频谱越宽，这可能需要多级滤波器。另外，尖峰信号是时间域干扰，滤波器尚未反应，干扰信号大部分能量已通过，因此对尖峰干扰信号的抑制决不能仅依赖滤波器。

2）点火开关断开时的瞬态波形

由于线束电感的原因，与DUT并联的装置内电流突然中断会引起瞬态现象。图2-5所示是直流电机充当发电机，点火开关断开时的瞬态现象及典型脉冲波形参数。

3）高功率负载引起的瞬态波形特征

由于装甲车辆武器功能性能的要求，装甲车辆安装了大量感性和容性负载，如驱动电机、大功率充/放电装置等。这类设备工作时对电网的冲击非常大，严重影响供电质量。如某大型驱动电机负载工作时，电网的纹波电压高达上百伏，持续时间达到毫秒级，而且负载连续工作，电网周期性波动，造成部分电子部件损坏，同样对其他微电子设备也构成严重威胁。图2-6所示是典型设备工作时的电网波动曲线。

4）起动电机起动过程中的电网暂降特征

电网暂降是指起动电机起动过程中，在起动控制电路通电时产生的电源电压的降低，其不包括起动时的峰值电压。电网暂降典型脉冲波形及参数如图2-7所示。这时容易出现发电机起动后马上熄火现象。

5）抛负载瞬态干扰波形特征

图2-8所示波形是模拟抛负载瞬态现象，即模拟在断开电池（亏电状态）的同时，交流发电机正在产生充电电流，而发电机电路上仍有其他负载时产生的瞬态。抛负载的幅度取决于断开电池连接时，发电机的转速和发电机励磁场强的大小。抛负载脉冲宽度主要取决于励磁电路的时间常数和脉冲幅度。大多数新型交流发电机内部，抛负载幅度由于增加限幅二极管而受到抑制（箝位）。抛负载可能产生的原因为电缆腐蚀、接触不良或发动机正在运转时，有意断开与电池的连接。具有集中抛负载抑制的交流发电机，其干扰幅值较大，作用时间长，容易干扰低压控制器类设备，特别会对控制器电源模块及TVS管造成永久损伤。

6）感性负载瞬变干扰特征

车辆各控制系统内存在大量的感性负载，如各种电动机和电磁阀等，其线圈在开路瞬间都会成为一种宽频谱、大能量的瞬变干扰源。

如图2-9所示，当继电器触点J打开时，原负载RL上的电流被突然中断，在电感两端产生反向瞬变电压UL＝-L（diL/dt），其峰值可达稳态直流电压UDC的几十倍，并向线路的分布电容CP充电，形成R-L-CP串联振荡电路。显然，这种瞬变脉冲不但具有浪涌性质，而且具有丰富的谐波，可能引起电子控制系统的逻辑错误。

7）各种触点放电干扰源

装甲车辆各控制系统内分布有各种触点，如开关触点、继电器触点、整流子电机的电刷与整流子间触点等。这些触点都是用来通断电流的，但在其要开未开或要闭未闭的瞬间，其放电的能量密度通常可达到造成危害的程度。图2-10所示为串激式直流电动机的触点测试电压波形。

图2-11所示为串激式直流电动机的触点干扰源等效电路及瞬变脉冲波形，其中触点K指的是电刷与整流子间触点。电动机旋转时，触点K不断地接通和断开，电机绕组中的电流断续变化，从而产生瞬变电流和电压Ust。此瞬变电压Ust反作用于电源支路，在电源引线电感LP和电容CP上形成陡峭的高频振荡冲击电流ILP和电压UCP。此脉冲电压峰值可高达上千伏，衰减振荡，振荡频率为0.1～500 MHz，初始脉冲的前沿只有几纳秒。这种火花放电和高频振荡不但产生辐射干扰，同时可通过电源线或信号线对其他电路产生传导干扰。

8）静电放电干扰

作为设备的外壳端口，任何暴露部分都可能发生静电放电（ESD）。常见的情况是在键盘、控制部件、外界电缆等部位或在直接接触的金属构件表面发生静电放电。静电向附近导体（可以是设备本身上的非接地金属板）的放电产生很大的局部瞬态电流，这个电流通过电感或公共阻抗耦合到设备中产生感应电流。

静电放电产生几十安培的纳秒级瞬态电流，通过复杂的路径经过设备流到大地，它流过数字设备时，很可能使数字电路发生误动作。放电路径在很大程度上是由杂散电容、机壳搭接和导线电感决定的。这些路径一般是PCB地线的某些局部、寄生电容、外部设备或暴露的电路等，感应的瞬态对地电位之差会导致电路的误操作。静电放电效应会导致逻辑门中半导体器件、微处理器、场效应管的毁损，电台数据接收错误，计算机瘫痪以及虚警。

2.2.3 装甲车辆机动性产生的无意干扰

装甲车辆由于其机动性产生的无意干扰，通常用“履带摩擦静电效应”“机动电磁干扰（Mobile Electro Magnetic Incompatibility, MEMIC）”“生锈螺栓效应”表示。这三种干扰机理将干扰车载（机动）通信装备。它们是静电效应、电动力学效应和半导体效应产生的结果。

1．履带摩擦静电效应

静电充电机理可使车辆在行驶中产生高电压。车辆与大地之间的电势差通过电荷累积而增大，直至足以激发出放电通路。当充电速度快、放电通路足够短时，会发生连续快速脉冲放电，导致在高频/甚高频无线电通信波段发生干扰辐射和/或感应。值得关注的两种充电机理是：

（1）摩擦静电效应通过不同材料间的摩擦产生电荷。其可发生在车体与行驶装置之间，对于地面车辆，也可发生在轮胎或履带板与地面之间。

（2）范德格拉夫效应通过提供有效的电荷累积方法可以大大增强摩擦充电，尤其在干燥天气条件下的履带式车辆上。范德格拉夫效应是装甲车辆履带摩擦静电现象的主要原因。

注释：通过保证履带的电连续性和履带板的充分导电来避免电荷累积，可泄放“履带静电”。可通过良好的履带设计或常用导电化合物（例如石墨脂）实现。

履带摩擦静电效应会导致逻辑门、微处理器、场效应晶体管、无线电接收机半导体的损坏，也会导致计算机数据错误或瘫痪，并启动假报警。

2．机动电磁干扰

在强电磁场环境中，搭接不良的金属结构的振动会导致电动力学效应，使车辆产生电磁不兼容性。车辆振动不断改变结构的连通性，使电流连续发生变化，连通性的每次变化都会突然改变电磁场感应的循环电流。射频循环电流的连续突变会引起宽带干扰，经常在结构电接触点处由于振动产生火花。

通过发射天线附近的电磁场，车辆金属车体结构中会产生循环射频电流，这些射频电流在车载发射天线附近最强。因此，车辆结构连通性的变化会导致上述电磁不兼容性。

以坦克为例，当金属结构搭接不良时，例如发动机舱盖、防火箭弹装甲板、炮塔安装的金属装载吊篮、备用履带节和牵引钢索，车辆连通性最有可能发生突变，使结构的电连续性破坏。

连通性变化可能是偶发性的，由隔离行为（例如打开舱盖或改变外部装载）引起，或是连续性的，由车载设备运转或车辆在崎岖地形行驶引起。

连通性的每次突变会导致瞬时突发的宽带射频干扰辐射。孤立突发干扰可能没有破坏性，但是连通性的连续变化会产生持续高电平射频干扰，从而严重削弱邻近无线电接收机的效果。

机动电磁干扰只能通过消除由振动引起的连通性变化来避免。外部金属部件在振动时会接触和/或分开，这就要求它们或者搭接起来，从而不会分离，或者彼此隔离，从而不会接触。

3．生锈螺栓效应（半导体效应）

结构中不同金属之间的电蚀有时会形成一个非线性阻抗区，表现出不良二极管整流特性，导致在这样的结构上产生宽频带乱真信号。

如果具有这种不良二极管整流特性的结构处于邻近位置或车载发射机电磁场时，会感生射频电流，射频电流会流经该结构，并在辐射波的谐波频率下产生电流。这些谐波电流辐射会产生乱真离散信号。如果不止一个传输信号辐射结构，那么将会产生每个辐射传输信号的谐波以及很多互调制分量。这些有害信号可能存在于宽频带上。该现象称为“生锈螺栓效应”。

当很多地方发生腐蚀时，生锈螺栓效应可能是最麻烦的，例如在腐蚀环境中使用的装有大功率发射机和灵敏接收机的复杂的栓接/铆接结构。需要注意，当发射机/接收机总成邻近这种结构时，那么也可能存在生锈螺栓效应。

通过定期检查和维护来防止腐蚀，从而可以避免生锈螺栓效应。但当发射机/接收机总成靠近复杂的栓接/铆接结构时，例如金属结构的舱室，必须小心。两栖车辆需要特别关注这种现象。

2.2.4 混合动力系统产生的无意干扰

随着装甲车辆机动性、续航能力和战斗力提升的需求，混合动力车辆成为重要的发展方向之一。混合动力车辆是指动力系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率可由多个动力源共同提供。

2.2.4.1 混合动力系统干扰源

混合动力系统干扰源主要包括：电网的负载突变（供电干扰）；功率转换电路的高频开关器件快速通断形成大脉冲电流而引起的电磁干扰；系统内部的强电元件，如电动机等感性负载造成的强电干扰；由连续波等干扰源造成的空间辐射干扰。变频器数字电路受电路结构、内部连接线及工作过程特点等的影响，也会产生许多高频干扰。例如，一定宽度和极性的PWM控制信号是具有陡变沿的脉冲信号，会产生很强的电磁干扰，输出电流将以线束发射的方式辐射能量。

1．电网负载对混合动力系统的干扰

电源系统对变频器的干扰主要表现为过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲、射频干扰等。例如，在大功率用电设备上电或关断的暂态过程中，车内电网电压有可能出现很高的峰值，其结果可能是使变频器的整流二极管因承受过高的反向电压而击穿。

2．混合动力系统的共模干扰

由共地阻抗或电磁场引起的共模干扰通过变频器的控制信号线能形成环路干扰，这也会干扰变频器的正常工作。图2-12所示为电驱动系统共模电磁干扰分解示意，其中：

（1）环路1中电流为ICM,Cable，其面积最小，它是经过线缆内部寄生电容的共模电流，从电机连接线缆和屏蔽线返回变频器的输出端；

（2）环路2中电流为IShield，包含了电机中的绝大部分共模电流，经由电机绕组电容流经变频器和电机定子间的屏蔽线缆返回变频器接地机壳；

（3）环路3中电流为ICM,C，它也是电机共模电流的一部分，经过变频器和电机间的共同地连接（而不是电机屏蔽线）返回变频器，其中电机及变频器与保护地（PE）的电阻分别为ZPE,M和ZPE,C；

（4）环路4中电流为ICM,Cin，它是最大的共模电流环路。其他的电机共模电流都经过电网阻抗ZPE,G流到电网中。

高频的共模电压作用在电机上，由于电机内部存在高频寄生电容耦合作用，在电机转轴上会耦合出轴电压，如果电机没有接地或接地不良，就会发生电击事故。另外，当轴承座圈和滚珠接触时，干扰产生电容放电性电流——轴承电流会击穿油膜，产生较大的放电电流，使轴承座圈局部温度迅速升高，导致轴承座圈上产生熔化性凹点，最终产生凹槽，增大了轴承的机械磨损，缩短了机械寿命。

3．混合动力系统的谐波干扰

在交流输入侧，变频器的整流电路对电网来说是非线性负载，能产生功率较大的高次谐波，使输入的电压波形和电流波形发生畸变。对于采用SPWM技术的电压型变频器，其输入电压主波形为正弦波，但电流波形为非正弦波。如不采取措施，变频器将把产生的高次谐波通过配电网络传导给系统中的其他设备。由于其功率较大，对同一系统的其他电气、电子设备干扰性较强，严重时将引起电力公害。

在变频器的输出交流电缆上测试时，电机转动侧的干扰量值全频段抬高，形成严重的宽带干扰，监测的时域波形如图2-13所示。可以看出，在PWM调制的波形中明显存在上升沿微秒级尖峰电压。

在输出侧，变频器的输出电压和输出电流均有高次谐波，对电压及电流波形进行傅里叶分解可获得各次谐波的含量。对于采用SPWM技术的电压型变频器，其输出线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，有电压尖刺，电压梯度很大，包含多种高次谐波，其等效后的线电压是连续的矩形波，但三相的相电压是阶梯波。

4．变频器产生的高频干扰分析

变频器数字电路受电路结构、内部连接线及工作过程特点等的影响，也会产生许多高频干扰。例如，一定宽度和极性的PWM控制信号是具有陡变沿的脉冲信号，会产生很强的电磁干扰，尤其是输出电流，它们将以各种方式把自己的能量传播出去。高次谐波电流不但对负载产生直接干扰，而且通过电缆产生空间电磁辐射，干扰邻近的电气、电子设备。变频器输出电压波形的开关翼部通过存在于电机电缆和电机内部的寄生电容对地产生一个高频脉冲噪声电流，该噪声电流所造成的电压降将影响同一电网的其他电气设备。另外，混合动力系统、高压供配电系统中接触器、电抗器等的大电感线圈及其引线的开合将产生较高的过电压。

2.2.4.2 多路径干扰耦合

混合动力系统具有多路径干扰耦合的特点，形成的干扰分为辐射干扰和传导干扰。车内有多个电机控制器及电机，其机壳均采用金属制成，从而削弱了辐射干扰。传导噪声通过连接控制器信号线及连接负载的电源线进行传导发射，因此混合动力系统中变频控制器连接的线束是产生传导发射的主要因素。

耦合是指电路与电路之间电或磁的联系，即一个电路的电压或电流通过耦合，使另一个电路产生相应的电压或电流。耦合起着将电磁能量从一个电路传输到另一个电路的作用。一般电磁干扰的耦合途径有传导耦合（直接耦合和共阻抗耦合）、感应耦合和辐射耦合。

1．传导耦合

在混合动力系统中，电磁干扰除了通过与其相连的导线（如电源线、信号线和接地线）进行直接耦合之外，还可以通过共阻抗耦合干扰其他电路。

2．感应耦合

在干扰源的频率较低时，其电磁波辐射能力有限。此时，干扰源的电磁干扰能量可以使不与干扰源直接相连的邻近的导线或导体中产生感应电压或电流，形成感应耦合。在混合动力系统中，感应耦合主要表现为邻近导体间的电感耦合或电容耦合或兼而有之，这与干扰源的频率以及相邻导体间的距离等因素有关。

3．辐射耦合

干扰源的电磁辐射能力取决于干扰源的频率、电流强度以及装置的等效辐射阻抗。耦合辐射以电磁波方式向空中辐射，这是高次谐波分量的主要传播方式。

在混合动力系统中，当采用PWM技术的逆变桥根据给定频率和幅值指令产生预期和重复的开关动作时，输出电压和电流的功率谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波。因此，高载波频率和场控开关器件的高速切换将引起严重的辐射干扰。混合动力系统中电磁干扰的耦合途径如图2-14所示。

2.2.4.3 系统的敏感特征

在混合动力系统中，各个电子部件、元器件都可能成为被干扰的敏感单元。但只有当干扰源的信号超过了电子部件容许的范围并且干扰源的信号频率可以被电子部件响应时干扰才能发生。干扰源产生的共模电压激励系统中存在的杂散电容和寄生耦合电容，形成共模电流。共模电流通过定子绕组和接地机壳间的耦合形成漏电流，该漏电流会引起保护接地继电器的误动作。漏电流通过地流回电网从而产生足够大的共模电磁干扰。由于高次谐波电流干扰功率较强，产生的谐波干扰通过电缆会对同一系统中的其他电气、电子设备产生较强影响，引起附近敏感设备的误动作。