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车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究

乐波 刘忠 侯志林 曹春霞

乐波, 刘忠, 侯志林, 等. 车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
引用本文: 乐波, 刘忠, 侯志林, 等. 车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
Le Bo, Liu Zhong, Hou Zhilin, et al. Electromagnetic environment effects of vehicle ignition pulses on shortwave radio receivers[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
Citation: Le Bo, Liu Zhong, Hou Zhilin, et al. Electromagnetic environment effects of vehicle ignition pulses on shortwave radio receivers[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441

车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
基金项目: 盲信号处理国家级重点实验室基金项目
详细信息
    作者简介:

    乐 波(1970—),女,博士,副研究员,主要研究方向为电磁环境干扰评估及电磁态势生成、辐射源个体识别;leboo@126.com

  • 中图分类号: TN011

Electromagnetic environment effects of vehicle ignition pulses on shortwave radio receivers

  • 摘要: 为评估车辆点火脉冲对短波接收站电磁环境的影响,首先分析了车辆点火原理模型,并测试了小轿车、卡车两种典型车辆的点火脉冲生成的频域噪声;其次利用基于距量法的电磁计算软件对小轿车、卡车的点火脉冲等效天线与10 m单极子接收天线之间的传输效应进行了数值模拟与分析,获得传输损耗波动曲线。最后通过3辆汽车点火实测对乡村短波接收站的电磁环境影响进行了对比分析。仿真与实测结果表明:卡车点火脉冲辐射功率高于小轿车辐射功率14 dB;车辆点火脉冲等效天线相对于10 m单极子接收天线,在7.5 MHz传输损耗最小,相距30,100 m时传输损耗分别为24,32.2 dB;试验中,在30 m距离处,3辆小汽车点火脉冲对短波电磁环境的影响为抬高了低频段底噪1~2 dB,当距离增加到100 m以上时,已无明显影响。
  • 图  1  车辆发动机点火系统示意图

    Figure  1.  Diagram of vehicle engine ignition system

    图  2  车辆点火前后噪声功率比

    Figure  2.  Noise power ratio of vehicle engine ignition on and off

    图  3  三个矩形脉冲信号时域波形与频谱图

    Figure  3.  Time domain waveforms and spectrums of three rectangular pulse signals

    图  4  小汽车打火对单极子天线性能影响仿真模型

    Figure  4.  EM model of the effect of car ignition on the monopole antenna

    图  5  车辆打火等效天线至10 m单极子天线的传输损耗

    Figure  5.  Transmission loss of the car ignition-equivalent antenna to 10 m monopole antenna

    图  6  两辆小轿车点火等效天线模型与传输损耗

    Figure  6.  EM model of 2-car ignition-equivalent antenna and the transmission loss

    图  7  大卡车等效天线输入阻抗及输入电抗

    Figure  7.  Input impedance and reactance of the truck ignition-equivalent antenna

    图  8  大卡车等效天线方向图(xOy面)

    Figure  8.  Radiation pattern in x-y plane of the truck ignition-equivalent antenna

    图  9  卡车打火等效天线至10 m单极子天线的传输损耗(50 m)

    Figure  9.  Transmission loss of the truck ignition-equivalent antenna to 10 m monopole antenna(in 50 m)

    图  10  测试点人为噪声系数

    Figure  10.  Man-made noise at typical frequency

    图  11  D点与E点噪声电平比较

    Figure  11.  Comparison of the spectrums with vehicle ignition at the location D and E

    图  12  平滑后底噪比较

    Figure  12.  Comparison of the noise floor after signal smoothing

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-02
  • 修回日期:  2020-06-20
  • 网络出版日期:  2020-06-23
  • 刊出日期:  2020-06-24

车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
    基金项目:  盲信号处理国家级重点实验室基金项目
    作者简介:

    乐 波(1970—),女,博士,副研究员,主要研究方向为电磁环境干扰评估及电磁态势生成、辐射源个体识别;leboo@126.com

  • 中图分类号: TN011

摘要: 为评估车辆点火脉冲对短波接收站电磁环境的影响,首先分析了车辆点火原理模型,并测试了小轿车、卡车两种典型车辆的点火脉冲生成的频域噪声;其次利用基于距量法的电磁计算软件对小轿车、卡车的点火脉冲等效天线与10 m单极子接收天线之间的传输效应进行了数值模拟与分析,获得传输损耗波动曲线。最后通过3辆汽车点火实测对乡村短波接收站的电磁环境影响进行了对比分析。仿真与实测结果表明:卡车点火脉冲辐射功率高于小轿车辐射功率14 dB;车辆点火脉冲等效天线相对于10 m单极子接收天线,在7.5 MHz传输损耗最小,相距30,100 m时传输损耗分别为24,32.2 dB;试验中,在30 m距离处,3辆小汽车点火脉冲对短波电磁环境的影响为抬高了低频段底噪1~2 dB,当距离增加到100 m以上时,已无明显影响。

English Abstract

乐波, 刘忠, 侯志林, 等. 车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
引用本文: 乐波, 刘忠, 侯志林, 等. 车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
Le Bo, Liu Zhong, Hou Zhilin, et al. Electromagnetic environment effects of vehicle ignition pulses on shortwave radio receivers[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
Citation: Le Bo, Liu Zhong, Hou Zhilin, et al. Electromagnetic environment effects of vehicle ignition pulses on shortwave radio receivers[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
  • 短波通信通常是指用频段在1.5~30 MHz的电磁波进行的无线电通信。它既可以利用地波实现近距离通信,又可以利用电离层实现天波中、远程通信,但同时它也是1 MHz以上的无线电通信中受电磁环境影响最大的一个频段。电磁环境的优劣是地面短波接收站包括收信站和测向站能否开展工作的首要条件[1]。短波传播的基本方式有地波和天波传播,因此接收效果通常取决于两个外部因素:一是时变的电离层能否反射当前工作频率,有无大的衰落;二是接收方是否存在本地干扰。短波电磁环境噪声包括大气无线电噪声和各种人为无线电噪声[2]。大气噪声是大气中的雷电、暴雨、大雪及沙暴等自然现象产生的静电放电所致。人为无线电噪声主要来自高压输电线路、高频工业设备、高频医疗设备、内燃机的点火系统以及其他各种电气设备,它们产生的脉冲电磁波沿空间传播,除了直接干扰接收信号外,还提高了背景噪声电平,从而影响接收灵敏度产生误码以及示向度误差。

    随着我国城市建设的快速发展,原本建在乡村的短波接收站背景噪声逐年恶化。考虑到大自然引起的噪声在一定时间内没有发生显著变化,因此可判断这主要是随着大量电器设备的使用,人为噪声影响带来的影响。人为噪声干扰电平随地区而异,根据国际电联(ITU)的建议,短波电磁环境人为噪声分为:城市、郊区、乡村、宁静乡村四个等级[2]。由于在短波频段,大气噪声大部分时间是小于人为噪声的,因此通常也用人为噪声等级来代表该地区的电磁环境。

    国内外对短波电磁环境的研究主要集中在噪声的估计以及测试方面[3-7],人为噪声干扰因素研究主要集中在高压架空送电线、电力线通信、短波发射台对电磁环境影响等方面[8-10],还有部分文献对电气化铁路、输电线塔、航空器、建筑物、地貌、金属反射体的影响进行了零星的论述,但总体来看资料不全。

    本文主要讨论车辆点火脉冲对短波接收站电磁环境背景噪声的影响。首先根据小轿车与卡车点火脉冲实测数据作为辐射源,运用矩量法电磁计算方法,分别对轿车和卡车点火系统到短波单极子天线之间的传输损耗进行计算,得到不同距离下不同频点的传输损耗;通过电磁环境接近乡村级的短波接收站实测进行验证,最终得到车辆点火脉冲对短波电磁环境的影响分析结论。

    • 车辆点火系统的电磁干扰主要来源于高压点火线、火花塞和点火线圈等几个部件[7],如图1所示。当次级电路电压达到火花塞气隙击穿电压时,火花塞间隙被击穿,储存于火花塞分布电容中的能量迅速释放,放电时间极短,仅数μs,但形成的放电电流则非常大,可达几十A,这个过程称为电容放电过程。这一阶段的放电使次级电路的电压和电流形成陡峭的脉冲形式,这种宽带脉冲通过裸露的高压点火线对外辐射电磁波,造成周围环境的电磁干扰。第一阶段的电容放电电流,该电流为宽带脉冲电流,带宽在0.15~1 000 MHz范围,是高频无线电的主要干扰源。由于火花塞高压放电引起的电磁干扰主要是通过高压点火线向外辐射的,因此高压点火线此时成为干扰源的发射天线。天线的辐射功率与天线的激励电流的平方成正比,即高压点火线上的电流越大,对外辐射的功率也就越大,造成的电磁干扰越强[11-12]

      图  1  车辆发动机点火系统示意图

      Figure 1.  Diagram of vehicle engine ignition system

    • 在露天室外环境测试了东风大卡车以及现代伊兰特小轿车点火瞬间的脉冲数据。测试点位于车辆点火系统附近,频域数据是用频谱仪采用最大保持模式采得点火4~5次的数据,同时还测试了环境噪声数据,用于消除背景噪声。

      频域数据消除背景噪声后得到车辆打火瞬间的辐射功率特性如图2所示。从测试结果可以看出,大货车打火时在短波频段最高能产生高于背景噪声30 dB的电磁辐射,而小轿车的噪声相对较小,最高高于背景噪声16 dB。

      图  2  车辆点火前后噪声功率比

      Figure 2.  Noise power ratio of vehicle engine ignition on and off

    • 车辆点火脉冲可近似表示为若干个矩形脉冲信号的叠加。对于一个幅度为E,脉冲宽度为τ,重复周期为T的矩形脉冲信号,其傅里叶级数展开可以写为

      $${U_{\rm{p}}}(t) = \frac{\tau }{T}\sum\limits_{n = - \infty }^\infty {S\!a\Bigg(\frac{{n\varOmega \tau }}{2}\Bigg)} {{\rm{e}}^{{\rm{j}}({\omega _{\rm{c}}} + n\Omega )t}}$$ (1)

      式中:Sa(x)函数决定了各个谱线的幅度;相邻谱线频间距Ω=2π/T${\omega _{\rm{c}}}$分别为脉冲信号的重复频率和载波频率;n为任意整数。

      单个矩形脉冲信号,具有连续的功率谱,其信号能量主要分布在功率谱主瓣及前几个幅度较高的旁瓣中。因此,单个脉冲信号对电磁环境的影响取决于脉冲的时长(脉宽)和幅度。当若干个不同参数的矩形脉冲信号在短时间内相继出现时,频谱将因各频点处的幅度与相位合成关系形成复杂的叠加结果。

      3个幅度分别为1,0.8,0.5,τ分别为0.009,0.012 3,0.019 7的单个矩形脉冲信号的波形,如图3(a)所示。三个矩形脉冲信号频谱主瓣及部分幅度较高的旁瓣,以及三者叠加后频谱如图3(b)所示。

      图  3  三个矩形脉冲信号时域波形与频谱图

      Figure 3.  Time domain waveforms and spectrums of three rectangular pulse signals

      可见,若干特定时长(脉宽)和幅度的脉冲信号同时出现时,将对电磁环境的特定频率范围产生一定影响。

    • 短波信号波长在10~200 m之间,我们需要评估的是接收站附近辐射源带来的影响,当二者距离小于三倍波长时属于近场范围,不能利用自由空间传播损耗公式来直接计算点火脉冲辐射功率的影响。因此本文采用基于矩量法的FEKO电磁场计算软件,通过发射天线与接收天线之间的耦合计算来分析对电磁环境的影响。

    • 将短波测向站常用的10 m单极子天线作为接收天线,导体半径0.002 m,地面采用无限大良导体模拟。将小轿车打火的等效天线作为发射天线,车辆结构等效为导线的加顶负载,来计算发射天线至接收天线的传输损耗。

    • 当1辆小轿车与10 m单极子天线分别相距30 m与100 m时,车辆打火等效天线至10 m单极子天线的传输损耗如图4所示。当相距30 m时,在3~30 MHz频率范围内,传输损耗S21在−57~−24 dB,在7.5 MHz频率处,传输损耗最小,其值为−24 dB,干扰源在该频点影响最大。当相距100 m时,传输损耗波动曲线与间距50 m情况相似,频带内传输损耗值整体下降10 dB,S21变化范围在−67~−33 dB,依然在7.5 MHz频率处,传输损耗最小,其值为−33.6 dB。

      图  4  小汽车打火对单极子天线性能影响仿真模型

      Figure 4.  EM model of the effect of car ignition on the monopole antenna

      根据短波频段小轿车打火瞬间的辐射功率特性(图5),在7.5 MHz频率下,若小轿车的最大辐射功率为P1=15 dBm,则30 m外10 m单极子天线的接收功率为

      图  5  车辆打火等效天线至10 m单极子天线的传输损耗

      Figure 5.  Transmission loss of the car ignition-equivalent antenna to 10 m monopole antenna

      $$ {P_2} = {S_{21}} + {P_1} = - 9\;{\rm{dBm}} $$ (2)

      100 m外10 m单极子天线的接收功率为

      $$ {P_2} = {S_{21}} + {P_1} = {\rm{ }} - 18.6\;{\rm{dBm}} $$ (3)

      根据小轿车打火等效天线的阻抗特性、辐射特性以及车辆等效天线至单极天线的传输损耗,在10 m单极子天线谐振频率(7.5 MHz)附近,小轿车打火脉冲的影响较为明显。

    • 当两辆小轿车间距10 m,对10 m单极子接收天线性能影响仿真模型如图6(a)所示。其中天线1与天线2间距30 m,天线1与3相距10 m。图6(b)给出了小轿车等效天线1与等效天线3至单极子天线2的传输损耗图。两辆小轿车与接收天线之间的传输损耗波动曲线相似,S23略低于S21。因此当多辆汽车在接收站附近起动点火时,对接收天线的干扰是相似的,干扰信号影响可叠加,在谐振频率点影响最大。

      图  6  两辆小轿车点火等效天线模型与传输损耗

      Figure 6.  EM model of 2-car ignition-equivalent antenna and the transmission loss

    • 大卡车点火等效天线的仿真模型计算方法与小轿车相同,其等效天线输入端阻抗及其输入端回波损耗如图7所示。在低频段,车身电尺寸较小,属电小天线范畴,输入电阻较小,天线电抗性质较明显;随着频率升高,车身尺寸可以与工作波长相比拟,输入电阻呈现较大范围波动,在11 MHz附近阻抗匹配较好。

      图  7  大卡车等效天线输入阻抗及输入电抗

      Figure 7.  Input impedance and reactance of the truck ignition-equivalent antenna

      分别作3,5,7.5,10,15,20,25,30 MHz等典型频点的等效天线辐射方向图,如图8所示。当频率较低时,工作波长较长,辐射方向图与短单极子天线类似。随着频率升高,由于车身平行地面放置,随着频率升高工作波长变短,车身尺寸与工作波长比拟,造成高仰角方向的辐射强度变强。当工作频率为10 MHz时,天线辐射主要集中在高仰角方向,水平面方向辐射较弱。当频率超过20 MHz时,辐射方向图沿车身与地面法线构成的平面分裂出多个辐射波瓣。

      图  8  大卡车等效天线方向图(xOy面)

      Figure 8.  Radiation pattern in x-y plane of the truck ignition-equivalent antenna

      当大卡车与10 m单极子天线间距50 m时,传输损耗波动曲线如图9所示。在3~30 MHz频率范围内,传输损耗S21在−(56.2~32)dB之间,在7 MHz频率处,传输损耗最小,其值为−32.2 dB,该频率接近10 m单极天线的谐振频率。在10 MHz频率附近,传输损耗出现明显增大,相比最小值,增大约18 dB,这主要是由于在10 MHz频点附近,天线的辐射主要集中在高仰角方向,水平面辐射较弱,从而导致大卡车等效天线与10 m单极子天线的传输损耗明显增加。当频率超过24 MHz之后,传输损耗明显上升,这主要是由于10 m单极子天线在工作频率接近30 MHz时,单极天线长度接近一个波长,单极子天线上存在等幅反向电流,造成水平方向(沿地面)的辐射场明显减弱,从而造成传输损耗增加。

      图  9  卡车打火等效天线至10 m单极子天线的传输损耗(50 m)

      Figure 9.  Transmission loss of the truck ignition-equivalent antenna to 10 m monopole antenna(in 50 m)

      根据大卡车打火瞬间的辐射功率特性,在7 MHz频点,假设大卡车的最大辐射功率为P1=30 dBm,则10 m单极子天线的接收功率为

      $$ {P_2} = {S_{21}} + {P_1} = {\rm{ }} - 2.2\;{\rm{dBm}} $$ (4)
    • 为了验证机动车辆点火对短波电磁环境的影响,在接收站附近设置三辆试验汽车,根据实际地形,设计了距离试验车辆30,100 m的2个测试点D点和E点;持续启动三辆汽车点火,测试2个点的噪声电平,并将不同地点的测试结果进行比较分析。测试使用测量接收机与短波标准单极子天线。

      在没有试验车辆发动时,测试并计算该点的场强。由天线端电压计算背景场强

      $$\frac{{{E_{{\rm{tes}}}}}}{{{\rm{dB{\text{μ}} V/m}}}} = \frac{{{U_0}}}{{{\rm{dB{\text{μ}} V}}}} + \frac{K}{{{\rm{dB}}}}$$ (5)

      式中:${U_0}$为标准天线输出端电压;$K$为标准天线的天线系数。

      计算测试点的背景噪声系数[2]

      $${F_{\rm{a}}} = {E_{\rm{n}}} + 65.5 - 20\lg f$$ (6)

      式中:${F_{\rm{a}}}$为外部噪声系数;${E_{\rm{n}}}$为1 kHz带宽内接收系统的场强的均方根值(${\rm{dB\mu V/m}}$);$f$为工作频率(MHz)。

      测试点电磁环境的噪声系数计算结果按照ITU的标准[2],在乡村级与郊区之间,如图10所示。

      图  10  测试点人为噪声系数

      Figure 10.  Man-made noise at typical frequency

      车辆点火对短波电磁环境底噪的影响,可通过D点、E点有无实验车辆点火时所测的噪声电平值,进行分析比较,测试结果如图11所示。

      图  11  D点与E点噪声电平比较

      Figure 11.  Comparison of the spectrums with vehicle ignition at the location D and E

      为更准确分析车辆发动机点火对短波电磁环境低噪的影响,我们对测试数据进行了信号噪声分离,去除了强脉冲信号的影响,对提取的底噪进行了平滑滤波处理,如图12所示。

      图  12  平滑后底噪比较

      Figure 12.  Comparison of the noise floor after signal smoothing

      D点3~10 MHz范围内,有车辆点火的底噪有1~2 dB的抬升,其余频段基本一致。在E点有车辆点火的底噪没有明显变化。同时由于脉冲源是全向辐射的,因此在距离脉冲源相同距离的不同方位处,衰减是一致的,对环境的影响是相似的。

      这些数据说明,在30 m间距处少量车辆持续点火对电磁环境低频段有一定影响,抬高了背景噪声。随着距离的增大,100 m以外,点火脉冲的影响在减弱,实际测试结果与前面的仿真结果趋势一致。同时根据第2节仿真结果可以推算出如果是卡车点火脉冲,在100 m处依然会有影响。

    • 通过车辆点火脉冲影响的数值模拟与实测实验,在短波频段我们得到以下结论:(1)车辆点火脉冲产生高于周边环境10~30 dB的辐射功率;卡车产生噪声功率大于小轿车14 dB;(2)车辆点火脉冲距离接收站越近影响越大,在距离30 m时背景噪声在低频段有2 dB的恶化,但随着距离增加,影响逐渐减弱;多辆汽车点火辐射具有叠加效应;(3)车辆点火脉冲对电磁环境的影响是相对的,如果背景电磁环境底噪越低,则车辆点火影响就会越大,如果背景底噪本身就较高,接近城市级,那么车辆点火的辐射功率会淹没在背景噪声中。

      近年来随着电磁兼容技术进步,曾经在人为噪声里占主要因素的车辆点火影响已经有所改善,但工业和生活中大量电气和电子设备应用引起的人为噪声成为影响电磁环境的主要原因,其影响机理与点火脉冲相似,所以要评估短波电磁环境,人为噪声特别是复合干扰源的影响依然是后续需要重点关注与研究的领域。

参考文献 (12)

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