柳曉鵬

（北京鐵路信號(hào)有限公司，北京 102613）

1 概述

近年來(lái)隨著中國(guó)鐵路行業(yè)飛速發(fā)展，高鐵技術(shù)遙遙領(lǐng)先。高鐵作為一種交通工具，運(yùn)送旅客數(shù)量多。然而，隨著新技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容（EMC）問(wèn)題不斷出現(xiàn)，針對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備而言，符合電磁兼容測(cè)試要求是產(chǎn)品市場(chǎng)化的關(guān)鍵因素。20 世紀(jì)80 年代，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備開(kāi)展深入技術(shù)研究，其產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題越來(lái)越受到重視，若設(shè)備的電磁干擾（EMI）通過(guò)空間耦合作用到其他線纜上，進(jìn)而影響其他設(shè)備的工作。

2 問(wèn)題描述

某型號(hào)鐵路信號(hào)設(shè)備產(chǎn)品包括電源端口、通信端口、輸入與輸出端口等，測(cè)試過(guò)程中電源端口、輸入/輸出端口及其外界互聯(lián)，通信端口與輔助設(shè)備進(jìn)行通信，設(shè)備在正常工作狀態(tài)下，將依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《軌道交通 電磁兼容 第4 部分：信號(hào)和通信設(shè)備的發(fā)射與抗擾度》（GB/T 24338.5-2018）的標(biāo)準(zhǔn)限值要求進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該信號(hào)設(shè)備在水平極化方向多個(gè)頻點(diǎn)嚴(yán)重超標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖1 所示，正常工作狀態(tài)下頻段34 ～70 MHz測(cè)試波形表現(xiàn)為帶寬輻射發(fā)射超標(biāo)，最大超限幅值達(dá)到6 dB 左右；同時(shí)，頻率在100 MHz 以上，自120 MHz 開(kāi)始，其每隔40 MHz 均出現(xiàn)輻射發(fā)射尖峰，并通過(guò)單點(diǎn)測(cè)試結(jié)果顯示120 MHz、160 MHz測(cè)試幅值超限，最大超限幅值達(dá)到7 dB 左右。

3 問(wèn)題定位及分析

某型號(hào)鐵路信號(hào)設(shè)備試驗(yàn)環(huán)境如圖2 所示。作為客運(yùn)專線列控系統(tǒng)地面設(shè)備中的核心部分，其主要功能為根據(jù)其管轄范圍內(nèi)各列車位置（軌道占用狀況）、聯(lián)鎖進(jìn)路以及線路臨時(shí)限速狀態(tài)等信息，對(duì)軌道電路發(fā)送編碼信息，對(duì)車站有源應(yīng)答器發(fā)送進(jìn)路參數(shù)信息，向列車提供其所需的運(yùn)行許可。該鐵路信號(hào)設(shè)備由主機(jī)柜、綜合柜以及輔助設(shè)備組成。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，設(shè)備可靠接地。

圖2 測(cè)試環(huán)境Fig.2 Test process

輻射發(fā)射超限故障一般由于結(jié)構(gòu)屏蔽缺陷或線纜形成天線導(dǎo)致，所以一般由這兩點(diǎn)進(jìn)行問(wèn)題分析。因?yàn)楸粶y(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成設(shè)備較多，首先需要縮小范圍，對(duì)故障進(jìn)行定位。

利用排除法：逐步移除受測(cè)設(shè)備或線纜進(jìn)行測(cè)試、直到故障消失，最后移除的設(shè)備或線纜即為懷疑設(shè)備，比較懷疑設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果，即可確定懷疑部件是否為故障源頭。

3.1 電磁干擾的形成

如圖3 所示，作為一種噪聲的電磁能源，EMI的3 個(gè)基本要素是：1）電磁干擾源；2）能夠使EMI 發(fā)生耦合的途徑——電磁傳播路徑；3）易受電磁干擾的敏感設(shè)備。

圖3 電磁干擾三要素Fig.3 Three elements of EMI

電磁干擾源包括可以產(chǎn)生電磁干擾的元器件、發(fā)射設(shè)備、控制系統(tǒng)等。本文主要研究鐵路信號(hào)設(shè)備中的干擾源即電源單元和通信單元模塊。耦合途徑是指電磁干擾從電磁干擾源傳輸?shù)矫舾械氖軘_設(shè)備的各種途徑。敏感設(shè)備是指受到電磁干擾的設(shè)備，或者說(shuō)對(duì)電磁干擾發(fā)生影響的易受電磁噪聲影響的設(shè)備，不僅包括單個(gè)設(shè)備、模塊，而且包括很大的電氣設(shè)備。

因此，對(duì)于鐵路信號(hào)設(shè)備來(lái)說(shuō)，電磁干擾的抑制主要考慮幾個(gè)方面：第一，考慮電磁干擾發(fā)生設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)電磁干擾，減少干擾源發(fā)射和輻射的噪聲信號(hào)是最好的辦法。第二，考慮耦合途徑。通過(guò)切斷噪聲的傳輸路徑來(lái)減少噪聲，通過(guò)線纜的屏蔽、接地等措施抑制。第三，受干擾設(shè)備。可以提高敏感設(shè)備對(duì)電磁噪聲的抗干擾能力。一般在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合具體的問(wèn)題具體分析。

下面分別從34 ～70 MHz 頻段和10 MHz ～1 GHz 頻段進(jìn)行干擾源定位，并從干擾源、傳播路徑等方面進(jìn)行分析。

3.2 34～70MHz頻段

在排查故障時(shí)，首先去掉待測(cè)設(shè)備與外聯(lián)設(shè)備間的輸入輸出線連接，然后測(cè)試顯示干擾頻譜曲線基本沒(méi)有變化。由此可知，排除從輸入輸出端口傳播輻射干擾信號(hào)的可能，所以輻射干擾信號(hào)可能來(lái)自于機(jī)柜的外殼或電源線束。

當(dāng)使用銅箔對(duì)機(jī)柜門的縫隙進(jìn)行遮擋，然后測(cè)試顯示干擾頻譜曲線仍未變化，所以干擾信號(hào)是沿著機(jī)柜的電源線向外傳播干擾信號(hào)。

在關(guān)閉電源單元后測(cè)試波形如圖4 所示，頻段34 ～70 MHz 輻射發(fā)射超標(biāo)現(xiàn)象消失，所以此頻段超限問(wèn)題由電源單元導(dǎo)致。當(dāng)對(duì)電源單元進(jìn)行檢查后，外觀完整，運(yùn)行正常。對(duì)線纜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電源單元外接線纜柜內(nèi)走線混亂，將線纜分開(kāi)捆扎進(jìn)行測(cè)試，頻段34 ～70 MHz 測(cè)試波形整體降低，因此超限現(xiàn)象主要由電源單元線纜排布混亂導(dǎo)致。

圖4 關(guān)閉電源單元測(cè)試波形Fig.4 Test waveform of power off unit

3.3 100MHz～1GHz頻段

在關(guān)閉通信單元后測(cè)試波形如圖5 所示，頻點(diǎn)120 MHz、160 MHz 的輻射發(fā)射尖峰幅值不足30 dB，所以此頻段超限問(wèn)題由通信單元導(dǎo)致。通過(guò)檢查通信單元外觀，裝配緊固、外觀完好，但背板線纜接口處開(kāi)孔較大，影響屏蔽效果。

通過(guò)檢查通信單元對(duì)外接口線纜，通信單元通過(guò)3 根信號(hào)線與輔助設(shè)備連接，摘除通信單元側(cè)線纜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示輻射發(fā)射超限消失。恢復(fù)初始狀態(tài)，拔掉輔助設(shè)備側(cè)線纜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示輻射發(fā)射超限現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)，因此確定干擾由通信單元某一電路發(fā)出，經(jīng)由3 根信號(hào)線向外輻射。

通過(guò)查詢通信單元元器件參數(shù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備晶振頻率為40 MHz，當(dāng)晶振模塊工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)信號(hào)頻譜特性，上升沿會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻發(fā)射，所以超限頻點(diǎn)120 MHz、160 MHz 都是40 MHz 的倍頻，且100 MHz 以上輻射發(fā)射尖峰間隔也是40 MHz，可確定超限頻點(diǎn)發(fā)射源為晶振。

4 改進(jìn)措施

在解決電磁兼容問(wèn)題時(shí)，由于造成設(shè)備輻射發(fā)射超限的原因往往不止一個(gè)，從多方面進(jìn)行整改才能解決問(wèn)題。所以當(dāng)一項(xiàng)整改措施無(wú)效后，應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)整改，直到問(wèn)題解決后，再逐步去除不影響測(cè)試結(jié)果的整改項(xiàng)，最終確定有效整改方案。因此在上述分析中，電源單元設(shè)備和通信單元導(dǎo)致不同頻段的輻射發(fā)射超限，需分別采取措施進(jìn)行整改。

4.1 電源單元

根據(jù)上述分析可知，頻段34 ～70 MHz 輻射發(fā)射超標(biāo)現(xiàn)象主要由電源單元線纜造成。如圖6 所示，重新排布電源單元的外接線纜，將線纜分開(kāi)捆扎，線纜連接端子排分開(kāi)，保證線纜不會(huì)互相干擾。

圖6 線纜分開(kāi)綁扎示意Fig.6 Separate cable bundling

通過(guò)整改后測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，頻段34 ～70 MHz 測(cè)試波形整體有較明顯的下降，可說(shuō)明起到較好的抑制干擾作用。

4.2 通信單元

根據(jù)上述分析可知，頻段100 MHz ～1 GHz輻射發(fā)射超標(biāo)現(xiàn)象主要由通信單元晶振造成；同時(shí)，箱體屏蔽有缺陷，驅(qū)動(dòng)線、采集線和采集正電線纜為騷擾主要傳播路徑，針對(duì)上述情況進(jìn)行整改。

1）箱體

通過(guò)更換晶振模塊，選擇長(zhǎng)度更短、表面積更大的接地線來(lái)改善接地狀況；同時(shí)，使用銅箔膠帶對(duì)孔洞進(jìn)行遮擋，將銅箔金屬表面與背板充分接觸以保證箱體連接的整體性。

2）線纜

通過(guò)增加線纜屏蔽網(wǎng)接地面積，同時(shí)在線纜通信單元側(cè)接口處增加鐵氧體磁環(huán)，利用鐵氧體磁環(huán)的阻抗特性，增大電磁波能量的損耗和削弱電磁波的傳播，減小共模電流干擾。根據(jù)超限頻率，選擇鐵氧體磁環(huán)為WE 品牌的74271211 型，阻抗特性曲線如圖8 所示。

圖8 阻抗特性曲線Fig.8 Impedance characteristic curve

通過(guò)整改后最終測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。頻段34 ～70 MHz 測(cè)試波形整體有較明顯的下降，頻點(diǎn)120 MHz、160 MHz 輻射發(fā)射尖峰明顯降低，單點(diǎn)測(cè)量結(jié)果符合要求。去除通信單元箱體整改措施進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果無(wú)明顯變化，可知對(duì)線纜的整改措施為有效整改。

圖9 最終測(cè)試結(jié)果曲線Fig.9 Final test result curve

5 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)鐵路飛速發(fā)展以及對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備EMI 的高度關(guān)注，對(duì)某型號(hào)鐵路信號(hào)設(shè)備輻射發(fā)射超限進(jìn)行分析。按照電磁干擾3 要素，對(duì)干擾源和耦合路徑任選其一即可解決電磁干擾問(wèn)題，本文在電磁兼容的整改上只針對(duì)干擾路徑進(jìn)行整改，在實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合成本、工程技術(shù)等因素，選擇更加靈活的整改方案，從而為工程應(yīng)用提供更好的價(jià)值。