卫星外部电磁环境效应分析与控制

  Belle ·  2011-04-13 22:39  ·  9584 次点击
中国空间技术研究院总体部李晓辉
卫星在运行过程中,不管是发射状态,还是在轨运行状态,都会在其外部产生一个复杂的电磁环境,该电磁环境既包括由卫星大功率发射机产生的有意强电场分布,也包括其它设备工作时所产生的无意电场分布,频谱分布通常从几十KHz,一直到射频设备的最高工作频率,甚至是其谐波。该电磁环境的存在,可能会导致卫星射频接收机,如测控接收机、转发器接收机,以及安装于卫星表面的设备,如红外地球敏感器、太阳敏感器等,受到电磁干扰而无法正常工作,这样的问题在以往的卫星型号上也确实发生过。
卫星外部的电磁环境看似复杂,但实际上是可预测分析的,也是可以通过相关的技术手段进行控制的,尤其是在卫星的方案设计阶段,通过有效的分析和控制,能够提前发现潜在的电磁干扰问题并对其进行有效的控制,避免卫星投产后才暴露出电磁干扰而导致研制成本的增加和计划进度的延误。
1.卫星外部电磁环境的构成和效应
卫星外部电磁环境由多种因素构成,既由来自卫星自身的电磁发射,也有来自运载火箭或其它同轨道临近航天器的电磁发射,本文仅考虑卫星自身工作时在其外部产生的电磁环境,该电磁环境的构成及其产生的效应如下。
1.1大功率射频发射机产生的有意强电场分布
大多数卫星都会使用大功率的射频发射设备,如数传、通信转发器、遥感等设备,功率从几十W到几百W之间,这些射频发射机工作时,发射天线所辐射的射频能量,主要集中在工作要求的主瓣区域内,其它能量则分布在天线与星体之间的天线旁瓣和后瓣区域,该区域内的电场强度通常在几十V/m至几百V/m之间。
这种恶劣的电磁环境,对于安装与星外的单机设备而言,尤其是地球红外敏感器这种灵敏度较高的设备,是一种严重的威胁,同时也对这些设备的抗电磁干扰能力提出了更高的要求。
1.2普通单机设备产生的无意弱电场分布
普通单机设备,如供配电、推进、控制、结构、热控等分系统所使用的设备,在正常工作时,会通过设备机壳的缝隙、互联电缆等将设备内部的电磁信号辐射到设备周围,这些电磁信号的能量很低,幅度通常在几mV/m到几十mV/m,但其频谱覆盖范围很宽,可以从几十kHz一直到几GHz。
这种弱电场分布看似能量很低,但考虑到卫星射频接收机高灵敏度,有些接收机灵敏度高达-135dBm,仍然可能会发生弱电场环境被接收天线耦合到接收机内,导致接收机受干扰的问题。图1给出了卫星内部设备无意电磁辐射发射导致卫星射频接收机受扰的示例。
图1单机设备无意电磁发射对射频接收设备的干扰示例
2.卫星外部电磁环境的分析
我们可以使用多种方法对卫星外部的电磁环境进行分析,包括对工程经验数据的总结归纳、理论预估和电磁场仿真软件的精确分析等。
对于大功率射频发射机产生的有意强电场分布,我们可以使用一个公式对其进行粗略预估,即根据发射机的发射功率、发射天线在某方向上的增益估算卫星外部特定区域的电场强度,计算公式为:
(1)
其中Pin为射频发射机的发射功率,r为关注区域距离发射天线的距离,G为发射天线在关注区域方向上的绝对增益。
需要注意的是,该计算公式仅适用于天线的远场区,且在天线与关注区域之间没有明显的金属结构遮挡,对于天线的近场辐射区域,或者飞行结构较为复杂时,该公式预估的结果会有较大的误差,此时可使用电磁场仿真分析软件(如AnsoftHFSS,CST,FEKO等)进行更为精确的分析。
使用电磁场数值仿真分析软件对星外的有意强电场分布进行计算时,所使用的模型必须包括完整的卫星星体模型,以及其它星外天线和大尺寸结构部件,而模型中微小的细节则可以简化或忽略。
图2给出了使用FEKO软件对发射天线在星外某区域产生的电场环境分布的分析结果。可以看到圆形反射面天线在其后部区域产生的电场分布情况,该区域的场强最高值为25V/m。
图2发射天线在星外产生的电场环境分析示例
对于卫星普通单机设备在星外产生的无意弱电场环境分布,可通过对工程经验数据进行归纳总结的方法进行预估,即对星上所有单机设备EMC试验中的电磁辐射发射(RE102)测试结果进行归纳,将各单机设备在测试频段内的辐射发射值进行叠加,得到一幅完整的星外无意发射频谱图。需要注意的是,对于安装于星内的设备,需考虑星体的屏蔽,将辐射值减去星体屏蔽效能,才是其在星外的电磁辐射值。另外,对于星上全新研制的单机设备,是无法得到这些EMC测试数据的。
相对于归纳总结方法所得到的较为粗略的结果而言,电磁场数值仿真的方法能得到更为精确的分析结果。我们可以使用电磁场仿真分析软件(如AnsoftHFSS,CST等)对单机设备主要电磁发射途径的互联电缆进行建模,将电缆中传输的信号作为激励源,计算得到单机设备通过互联电缆在辐射到星外的电场分布。
3.卫星外部电磁环境效应的控制
对卫星外部电磁环境效应进行控制,防止星外电磁环境干扰星上设备的正常工作,包括两个方面的工作,一个是对星外电磁环境本身进行控制,即针对强电场环境和弱电场环境分别进行控制,改变电场环境的分布规律,在关注区域降低电磁辐射强度,另一个是在电磁环境不可改变的情况下,提高卫星射频接收机和星外敏感设备的抗干扰能力。
3.1星外电磁环境控制
对于大大功率射频发射机产生的有意强电场分布,我们可以在卫星总体设计方案允许的范围内,通过以下几种方法对其进行控制:
a.调整天线安装位置;
b.调整天线副瓣方向图;
c.使用金属板进行电磁遮挡;
d.使用吸波材料减小电磁反射。
在应用这几种控制方法时,需使用电磁场数值仿真分析软件对控制的效果进行分析验证。图3显示了使用一块拐角金属板对安装太阳敏感器的位置进行遮挡的仿真分析,遮挡后该位置的电场强度下降了12V/m。
图3使用拐角金属板对安装太阳敏感器的位置进行遮挡的仿真分析示例
对于普通单机设备产生的无意弱电场分布,主要通过为其制定严格的电场辐射发射试验限值来进行控制,以使这些设备产生的无意电磁发射,不会干扰射频接收机的正常工作。所依据的计算公式如下:
(2)
其中P为射频接收机的灵敏度,L为从接收天线到接收机的射频衰减量,AF为接收天线的天线系数。在计算得到的结果上再叠加一定的电磁干扰安全裕度和计算误差,即可作为各设备在该频段的电场辐射发射限值。值得注意的是此时还需考虑被测设备与射频接收天线的相对安装位置和电磁隔离特性(如星体表板的屏蔽作用),从而可以对限值进行进一步的调整。
3.2提高敏感设备的抗干扰能力
经过对星外强电磁环境的分析,能够得到星外敏感设备周围的电场强度,卫星总体设计部门在该电场强度的基础上叠加一定的余量(比如10dB,考虑到分析误差和设备自身应具有的电磁干扰安全裕度)后作为电场辐射敏感度指标下发给设备研制单位,然后研制单位可根据该指标对设备采取相应的抗电磁干扰措施,主要包括以下几个方面:
a.设备互联电缆改为屏蔽电缆;
b.提高设备壳体屏蔽效能,使用导电衬垫、导电胶等消除机壳缝隙;
c.在设备内部电路中使用有效的滤波器或滤波电路,并注意将滤波器(电路)的输入/输出进行隔离;
d.对有视窗的设备(如地球红外敏感器、太阳敏感器等的视窗),视窗应使用导电玻璃,并保证导电玻璃四周与设备金属壳体之间搭接良好。
4.结论
卫星外部电磁环境的存在直接影响着星外敏感设备和射频接收机的正常工作。卫星总体设计部门可在卫星方案阶段对星外的电磁环境进行有效的预估和分析,一旦发现电磁干扰隐患,则采取有效的电磁环境控制和提高星外设备抗电磁干扰能力的措施,消除电磁干扰隐患,保证初样或正样卫星的星外电磁环境不会影响卫星自身的兼容性。

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