衛(wèi)星外部電磁環(huán)境效應控制分析

衛(wèi)星在運行過程中，不管是發(fā)射狀態(tài)，還是在軌運行狀態(tài)，都會在其外部產(chǎn)生一個復雜的電磁環(huán)境，該電磁環(huán)境既包括由衛(wèi)星大功率發(fā)射機產(chǎn)生的有意強電場分布，也包括其它設備工作時所產(chǎn)生的無意電場分布，頻譜分布通常從幾十KHz，一直到射頻設備的最高工作頻率，甚至是其諧波。該電磁環(huán)境的存在，可能會導致衛(wèi)星射頻接收機，如測控接收機、轉(zhuǎn)發(fā)器接收機，以及安裝于衛(wèi)星表面的設備，如紅外地球敏感器、太陽敏感器等，受到電磁干擾而無法正常工作，這樣的問題在以往的衛(wèi)星型號上也確實發(fā)生過。

衛(wèi)星外部的電磁環(huán)境看似復雜，但實際上是可預測分析的，也是可以通過相關(guān)的技術(shù)手段進行控制的，尤其是在衛(wèi)星的方案設計階段，通過有效的分析和控制，能夠提前發(fā)現(xiàn)潛在的電磁干擾問題并對其進行有效的控制，避免衛(wèi)星投產(chǎn)后才暴露出電磁干擾而導致研制成本的增加和計劃進度的延誤。

1.衛(wèi)星外部電磁環(huán)境的構(gòu)成和效應

衛(wèi)星外部電磁環(huán)境由多種因素構(gòu)成，既由來自衛(wèi)星自身的電磁發(fā)射，也有來自運載火箭或其它同軌道臨近航天器的電磁發(fā)射，本文僅考慮衛(wèi)星自身工作時在其外部產(chǎn)生的電磁環(huán)境，該電磁環(huán)境的構(gòu)成及其產(chǎn)生的效應如下。

1.1大功率射頻發(fā)射機產(chǎn)生的有意強電場分布

大多數(shù)衛(wèi)星都會使用大功率的射頻發(fā)射設備，如數(shù)傳、通信轉(zhuǎn)發(fā)器、遙感等設備，功率從幾十W到幾百W之間，這些射頻發(fā)射機工作時，發(fā)射天線所輻射的射頻能量，主要集中在工作要求的主瓣區(qū)域內(nèi)，其它能量則分布在天線與星體之間的天線旁瓣和后瓣區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的電場強度通常在幾十V/m至幾百V/m之間。

這種惡劣的電磁環(huán)境，對于安裝與星外的單機設備而言，尤其是地球紅外敏感器這種靈敏度較高的設備，是一種嚴重的威脅，同時也對這些設備的抗電磁干擾能力提出了更高的要求。

1.2普通單機設備產(chǎn)生的無意弱電場分布

普通單機設備，如供配電、推進、控制、結(jié)構(gòu)、熱控等分系統(tǒng)所使用的設備，在正常工作時，會通過設備機殼的縫隙、互聯(lián)電纜等將設備內(nèi)部的電磁信號輻射到設備周圍，這些電磁信號的能量很低，幅度通常在幾mV/m到幾十mV/m，但其頻譜覆蓋范圍很寬，可以從幾十kHz一直到幾GHz。

這種弱電場分布看似能量很低，但考慮到衛(wèi)星射頻接收機高靈敏度，有些接收機靈敏度高達-135dBm，仍然可能會發(fā)生弱電場環(huán)境被接收天線耦合到接收機內(nèi)，導致接收機受干擾的問題。圖1給出了衛(wèi)星內(nèi)部設備無意電磁輻射發(fā)射導致衛(wèi)星射頻接收機受擾的示例。

圖1 單機設備無意電磁發(fā)射對射頻接收設備的干擾示例

2. 衛(wèi)星外部電磁環(huán)境的分析

我們可以使用多種方法對衛(wèi)星外部的電磁環(huán)境進行分析，包括對工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納、理論預估和電磁場仿真軟件的精確分析等。

對于大功率射頻發(fā)射機產(chǎn)生的有意強電場分布，我們可以使用一個公式對其進行粗略預估，即根據(jù)發(fā)射機的發(fā)射功率、發(fā)射天線在某方向上的增益估算衛(wèi)星外部特定區(qū)域的電場強度，計算公式[2]為：

其中Pin為射頻發(fā)射機的發(fā)射功率，r為關(guān)注區(qū)域距離發(fā)射天線的距離，G為發(fā)射天線在關(guān)注區(qū)域方向上的絕對增益。

需要注意的是，該計算公式僅適用于天線的遠場區(qū)，且在天線與關(guān)注區(qū)域之間沒有明顯的金屬結(jié)構(gòu)遮擋，對于天線的近場輻射區(qū)域，或者飛行結(jié)構(gòu)較為復雜時，該公式預估的結(jié)果會有較大的誤差，此時可使用電磁場仿真分析軟件(如Ansoft HFSS， CST， FEKO等)進行更為精確的分析。

使用電磁場數(shù)值仿真分析軟件對星外的有意強電場分布進行計算時，所使用的模型必須包括完整的衛(wèi)星星體模型，以及其它星外天線和大尺寸結(jié)構(gòu)部件，而模型中微小的細節(jié)則可以簡化或忽略。

圖2給出了使用FEKO軟件對發(fā)射天線在星外某區(qū)域產(chǎn)生的電場環(huán)境分布的分析結(jié)果?？梢钥吹綀A形反射面天線在其后部區(qū)域產(chǎn)生的電場分布情況，該區(qū)域的場強最高值為25V/m。
 

圖2 發(fā)射天線在星外產(chǎn)生的電場環(huán)境分析示例

對于衛(wèi)星普通單機設備在星外產(chǎn)生的無意弱電場環(huán)境分布，可通過對工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行歸納總結(jié)的方法進行預估，即對星上所有單機設備EMC試驗中的電磁輻射發(fā)射[3](RE102)測試結(jié)果進行歸納，將各單機設備在測試頻段內(nèi)的輻射發(fā)射值進行疊加，得到一幅完整的星外無意發(fā)射頻譜圖。需要注意的是，對于安裝于星內(nèi)的設備，需考慮星體的屏蔽，將輻射值減去星體屏蔽效能，才是其在星外的電磁輻射值。另外，對于星上全新研制的單機設備，是無法得到這些EMC測試數(shù)據(jù)的。

相對于歸納總結(jié)方法所得到的較為粗略的結(jié)果而言，電磁場數(shù)值仿真的方法能得到更為精確的分析結(jié)果。我們可以使用電磁場仿真分析軟件(如Ansoft HFSS，CST等)對單機設備主要電磁發(fā)射途徑的互聯(lián)電纜進行建模，將電纜中傳輸?shù)男盘栕鳛榧钤矗嬎愕玫絾螜C設備通過互聯(lián)電纜在輻射到星外的電場分布。

3. 衛(wèi)星外部電磁環(huán)境效應的控制

對衛(wèi)星外部電磁環(huán)境效應進行控制，防止星外電磁環(huán)境干擾星上設備的正常工作，包括兩個方面的工作，一個是對星外電磁環(huán)境本身進行控制，即針對強電場環(huán)境和弱電場環(huán)境分別進行控制，改變電場環(huán)境的分布規(guī)律，在關(guān)注區(qū)域降低電磁輻射強度，另一個是在電磁環(huán)境不可改變的情況下，提高衛(wèi)星射頻接收機和星外敏感設備的抗干擾能力。

3.1 星外電磁環(huán)境控制

對于大大功率射頻發(fā)射機產(chǎn)生的有意強電場分布，我們可以在衛(wèi)星總體設計方案允許的范圍內(nèi)，通過以下幾種方法對其進行控制：

a. 調(diào)整天線安裝位置;

b. 調(diào)整天線副瓣方向圖;

c. 使用金屬板進行電磁遮擋;

d. 使用吸波材料減小電磁反射。

在應用這幾種控制方法時，需使用電磁場數(shù)值仿真分析軟件對控制的效果進行分析驗證。圖3顯示了使用一塊拐角金屬板對安裝太陽敏感器的位置進行遮擋的仿真分析，遮擋后該位置的電場強度下降了12V/m。

圖3 使用拐角金屬板對安裝太陽敏感器的位置進行遮擋的仿真分析示例

對于普通單機設備產(chǎn)生的無意弱電場分布，主要通過為其制定嚴格的電場輻射發(fā)射試驗限值來進行控制，以使這些設備產(chǎn)生的無意電磁發(fā)射，不會干擾射頻接收機的正常工作。所依據(jù)的計算公式如下：

其中P為射頻接收機的靈敏度，L為從接收天線到接收機的射頻衰減量，AF為接收天線的天線系數(shù)。在計算得到的結(jié)果上再疊加一定的電磁干擾安全裕度和計算誤差，即可作為各設備在該頻段的電場輻射發(fā)射限值。值得注意的是此時還需考慮被測設備與射頻接收天線的相對安裝位置和電磁隔離特性(如星體表板的屏蔽作用)，從而可以對限值進行進一步的調(diào)整。

3.2提高敏感設備的抗干擾能力

經(jīng)過對星外強電磁環(huán)境的分析，能夠得到星外敏感設備周圍的電場強度，衛(wèi)星總體設計部門在該電場強度的基礎上疊加一定的余量(比如10dB，考慮到分析誤差和設備自身應具有的電磁干擾安全裕度)后作為電場輻射敏感度指標下發(fā)給設備研制單位，然后研制單位可根據(jù)該指標對設備采取相應的抗電磁干擾措施，主要包括以下幾個方面：

a. 設備互聯(lián)電纜改為屏蔽電纜;

b. 提高設備殼體屏蔽效能，使用導電襯墊、導電膠等消除機殼縫隙;

c. 在設備內(nèi)部電路中使用有效的濾波器或濾波電路，并注意將濾波器(電路)的輸入/輸出進行隔離;

d. 對有視窗的設備(如地球紅外敏感器、太陽敏感器等的視窗)，視窗應使用導電玻璃，并保證導電玻璃四周與設備金屬殼體之間搭接良好。

4.結(jié)論

衛(wèi)星外部電磁環(huán)境的存在直接影響著星外敏感設備和射頻接收機的正常工作。衛(wèi)星總體設計部門可在衛(wèi)星方案階段對星外的電磁環(huán)境進行有效的預估和分析，一旦發(fā)現(xiàn)電磁干擾隱患，則采取有效的電磁環(huán)境控制和提高星外設備抗電磁干擾能力的措施，消除電磁干擾隱患，保證初樣或正樣衛(wèi)星的星外電磁環(huán)境不會影響衛(wèi)星自身的兼容性。