崔相臣

摘要：大型衛(wèi)星一般射頻峰值功率大,頻譜分布廣，針對衛(wèi)星復(fù)雜的電磁環(huán)境，衛(wèi)星研制應(yīng)通過設(shè)備、分系統(tǒng)至整星自下而上逐級進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，采用空間隔離、頻段隔離、接地和搭接、屏蔽處理、電纜網(wǎng)EMC設(shè)計(jì)、電路接口匹配濾波設(shè)計(jì)等多種設(shè)計(jì)手段，并通過合理有效的電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證，保證整星電磁兼容，確保衛(wèi)星在軌長壽命期內(nèi)高可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；電磁兼容性；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)1引言

人造衛(wèi)星是一個(gè)各類電子電氣設(shè)備非常密集、功能性強(qiáng)大、技術(shù)及其復(fù)雜的系統(tǒng)，它不僅頻率覆蓋范圍廣，而且多種大功率設(shè)備和高靈敏度設(shè)備高度集中，其電磁環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜。大型衛(wèi)星的電磁兼容性（EMC）有以下特點(diǎn)：

⑴受重量和能源限制，大型衛(wèi)星一般設(shè)備組件布局密集，電氣接口眾多，高低頻電纜復(fù)雜，構(gòu)成復(fù)雜的電磁環(huán)境，射頻系統(tǒng)的各發(fā)射機(jī)有可能同時(shí)工作，射頻功率大，頻譜分布廣，極易通過傳導(dǎo)或輻射路徑傳播干擾，對高靈敏度的接收機(jī)產(chǎn)生電磁干擾。

⑵星上裝載的高精度、高穩(wěn)定度控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，其敏感設(shè)備或敏感器的信號一般為弱信號，易收到干擾能量并引起明顯性能惡化；星上火工品或起爆電路受到的電磁干擾超過其敏感度閾值，可能導(dǎo)致誤起爆，影響到衛(wèi)星甚至人員的安全。

⑶大型衛(wèi)星一般裝有可產(chǎn)生不同功率和不同形式信號的各種電氣電子設(shè)備、可產(chǎn)生小火花瞬態(tài)脈沖的切換開關(guān)、高速數(shù)字電路、電源系統(tǒng)的調(diào)制開關(guān)頻率等眾多接口形式的電磁干擾源，短期大功率負(fù)載開關(guān)瞬態(tài)將產(chǎn)生干擾，大量的二次電源DC/DC模塊同時(shí)工作形成共模噪聲干擾，這些干擾源工作時(shí)都會(huì)對敏感弱信號形成不同程度的干擾。

⑷衛(wèi)星設(shè)備種類眾多，電源分系統(tǒng)可能采用多條母線供電，不同設(shè)備接地要求不同，從而造成整星接地系統(tǒng)非常復(fù)雜，容易引起地線干擾。

為保證衛(wèi)星能經(jīng)受住研制直至發(fā)射、在軌運(yùn)行過程中所遇到的內(nèi)部和外部電磁環(huán)境，并按照預(yù)定的功能和性能設(shè)計(jì)正常工作，完成在軌正常飛行任務(wù)，需要從衛(wèi)星研制方案論證階段開始，直至研制的全過程都進(jìn)行電磁兼容性技術(shù)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證和管理，在衛(wèi)星功能和性能設(shè)計(jì)啟動(dòng)階段也必須同時(shí)關(guān)注整星的電磁兼容性設(shè)計(jì)工作。

2EMC預(yù)測分析和設(shè)計(jì)

衛(wèi)星的EMC設(shè)計(jì)涉及星上的各個(gè)分系統(tǒng)，不僅與星上電氣分系統(tǒng)相關(guān)，還與衛(wèi)星構(gòu)型布局、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料、熱控涂層等有密切關(guān)系，衛(wèi)星EMC設(shè)計(jì)主要考慮的內(nèi)容包括系統(tǒng)級內(nèi)部的電磁兼容性，衛(wèi)星系統(tǒng)與測試系統(tǒng)、試驗(yàn)設(shè)備、發(fā)射場系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)的電磁兼容性，衛(wèi)星系統(tǒng)與外部環(huán)境（主要指空間電磁場環(huán)境、空間靜電放電）的電磁兼容性。其中系統(tǒng)級EMC設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素：系統(tǒng)內(nèi)部頻率隔離設(shè)計(jì)、無線天線的耦合度設(shè)計(jì)、電源品質(zhì)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)備適應(yīng)整星電磁環(huán)境的性能設(shè)計(jì)、最惡劣狀態(tài)的自兼容性參數(shù)設(shè)計(jì)。

整星需要從元器件和電路選用、設(shè)備設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)至整星自下而上逐級采取措施以滿足整星電磁兼容性要求。

2.1 EMC預(yù)測分析

在設(shè)備研制前，當(dāng)系統(tǒng)和設(shè)備的初步方案設(shè)計(jì)形成后，根據(jù)設(shè)備的EMC指標(biāo)和要求，進(jìn)行的EMC預(yù)測分析，進(jìn)行電磁耦合仿真，分析整星各干擾源和敏感設(shè)備之間是否能電磁兼容，計(jì)算干擾程度和安全裕度，找出薄弱環(huán)節(jié)，為方案修改和防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。EMC預(yù)測分析在工程上的應(yīng)用內(nèi)容主要包括：

⑴根據(jù)所選用的元器件、電路和材料的特性，預(yù)測分析設(shè)備在電路板級的電磁兼容性能，給出設(shè)備是否能滿足整星EMC要求的結(jié)論；

⑵根據(jù)整星各發(fā)射機(jī)的頻率、功率、帶寬，接收機(jī)的頻率、靈敏度、帶寬，天線在衛(wèi)星上的布局等條件對整星天線隔離度進(jìn)行了仿真分析計(jì)算、發(fā)射與接收的兼容性進(jìn)行分析計(jì)算、由交互調(diào)引起的兼容性進(jìn)行了分析計(jì)算，諧雜波引起的兼容性進(jìn)行分析計(jì)算；

⑶對系統(tǒng)聯(lián)試和整星測試中出現(xiàn)的干擾問題進(jìn)行分析，并根據(jù)EMC測試結(jié)果，分析干擾問題根源，為故障診斷提供依據(jù)；

⑷根據(jù)衛(wèi)星構(gòu)型布局和射頻設(shè)備及天線的特性，預(yù)估衛(wèi)星各階段可能遇到的電磁環(huán)境，對衛(wèi)星進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出衛(wèi)星的最佳性能參數(shù)和最佳布局方案。

2.2 EMC設(shè)計(jì)

EMC設(shè)計(jì)直接影響衛(wèi)星的安全可靠，還與衛(wèi)星的功能性能指標(biāo)、衛(wèi)星精度、衛(wèi)星工程研制成本等密切相關(guān)。

為滿足整星的電磁兼容性要求，衛(wèi)星需開展的EMC設(shè)計(jì)包括：接地與搭接設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、信號接口設(shè)計(jì)、電源品質(zhì)設(shè)計(jì)，單機(jī)消浪涌電流設(shè)計(jì)、構(gòu)型布局設(shè)計(jì)等。

⑴接地設(shè)計(jì)。良好的衛(wèi)星接地平面是設(shè)備不受干擾而可靠工作的基礎(chǔ)。一個(gè)理想的接地平面對連接電源成大電容、小電感分布，能夠吸收所有的干擾信號。保證衛(wèi)星不受雷擊及電磁脈沖效應(yīng)引起的電擊，防止靜電積累和靜電放電，提供一個(gè)等電位面及統(tǒng)一的零電位參考基準(zhǔn)，減小整星的傳導(dǎo)耦合干擾，一般高頻單機(jī)采用多點(diǎn)接地，低頻單機(jī)采用單點(diǎn)接地，設(shè)備的一次電源地與二次電源地隔離，隔離電阻不小于1MΩ；設(shè)備的一次電源地與機(jī)殼隔離，隔離電阻不小于5MΩ。

⑵搭接設(shè)計(jì)。搭接是指兩個(gè)金屬物體之間通過機(jī)械或化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接，建立一條穩(wěn)定的低阻抗電氣通路的工藝過程。搭接能為電流的流動(dòng)安排一個(gè)均勻的結(jié)構(gòu)面，避免在相互連接的兩金屬間形成電位差，確保在產(chǎn)生涌流時(shí)有大電流低阻抗的回路；并能提供對電沖擊的保護(hù)等等。

⑶布線設(shè)計(jì)。干擾可以通過互連的電纜布線從某個(gè)線路（或某處）傳輸?shù)絼e的線路（或別處）。干擾可以從電纜內(nèi)輻射出去，也可以從外場傳播到電纜內(nèi)。干擾一經(jīng)通過輻射線同阻抗電路元件傳播到整套電子設(shè)備或電氣設(shè)備內(nèi)的電纜線路之后，便可以通過連接電纜再傳導(dǎo)到該套設(shè)備的其它元部件中去。為減少有害的電磁干擾信號，提供系統(tǒng)的抗干擾能力，在電纜網(wǎng)布線時(shí)應(yīng)考慮電纜的屏蔽、端接、敷設(shè)原則，以利于抑制傳導(dǎo)干擾。

⑷屏蔽設(shè)計(jì)。屏蔽就是將元件、設(shè)備或電線等封閉起來，其目的是限制內(nèi)部輻射的電磁能量越出某一區(qū)域，同時(shí)防止外來的輻射進(jìn)入此區(qū)域。對干擾源或被干擾源（敏感設(shè)備、電路或組件）進(jìn)行屏蔽，能有效地抑制干擾并提高電子系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容性。因此，屏蔽是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要內(nèi)容之一。

⑸信號接口設(shè)計(jì)。星載電子設(shè)備之間電氣接口的匹配性和安全性是電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。所有星載電子設(shè)備的接口電路要符合回流原則：對于連接兩個(gè)單機(jī)的接口電路，其全部回流應(yīng)沿其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流所經(jīng)過的線束的專用返回線返回，一束電纜內(nèi)所有接口連接，應(yīng)使其每根導(dǎo)線上流過的電流代數(shù)和為零，防止返回電流流入結(jié)構(gòu)構(gòu)架。

⑹電源品質(zhì)要求。系統(tǒng)內(nèi)任何配電設(shè)備紋波電壓峰峰值要求Vpp<500mV（114dBuV）；一次電源供電負(fù)載對母線的反射紋波電壓峰峰值要求Vpp<250mV（108dBuV）。

⑺單機(jī)浪涌電流要求。電源母線上的用戶，應(yīng)使其啟動(dòng)電流限制在其相應(yīng)額定電流的1.5倍以內(nèi)或限制在3A以內(nèi)，且持續(xù)時(shí)間不大于5ms，上升斜率不大于106A／s，容性負(fù)載須采取消浪涌措施方可加電。

⑻構(gòu)型布局設(shè)計(jì)。星上設(shè)備的構(gòu)型布局除滿足質(zhì)量特性要求外，還應(yīng)滿足電磁發(fā)射設(shè)備和敏感設(shè)備的空間隔離，通過調(diào)整設(shè)備間距、分艙分區(qū)、屏蔽和隔離進(jìn)行合理構(gòu)型布局。

3EMC試驗(yàn)

為對設(shè)備EMC預(yù)測分析和設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對衛(wèi)星各分系統(tǒng)間、衛(wèi)星系統(tǒng)與的電磁兼容性進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)衛(wèi)星與測試系統(tǒng)、試驗(yàn)設(shè)備、發(fā)射場系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)和外部環(huán)境的電磁兼容性，需要通過設(shè)備級、分系統(tǒng)級和整星級EMC試驗(yàn)，掌握系統(tǒng)內(nèi)外的EMC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了EMC問題并進(jìn)行改進(jìn)，確保整星地面測試與試驗(yàn)、發(fā)射主動(dòng)段和在軌工作等階段的電磁兼容。

衛(wèi)星設(shè)備級和分系統(tǒng)級EMC測試主要按照GJB151A《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》中的規(guī)定項(xiàng)目，依照GJB152A《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》中的規(guī)定方法進(jìn)行電磁干擾發(fā)射（EMI）和電磁敏感度（EMS）測量，部分暴露在星外的敏感設(shè)備需進(jìn)行靜電放電敏感度（ESD）測試，以檢驗(yàn)其是否能承受外界環(huán)境的靜電放電干擾。

大型衛(wèi)星整星級EMC試驗(yàn)的測試內(nèi)容主要包括：

⑴傳導(dǎo)發(fā)射測試主要進(jìn)行母線紋波電壓測試、負(fù)載開機(jī)浪涌電流測試、地電位噪聲測試、地線回流測試、電源線傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度測試。

⑵輻射敏感度測試和輻射發(fā)射測試，整星射頻通道工作相容性測試、整星射頻頻譜測試、火工品安裝位置場強(qiáng)測試。

⑶衛(wèi)星與測試系統(tǒng)、試驗(yàn)設(shè)備、發(fā)射場系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)的電磁環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。

4結(jié)束語

電磁兼容技術(shù)涉及知識(shí)領(lǐng)域很廣，對于一般工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員，很難全面、細(xì)致地了解電磁兼容原理、抑制電磁干擾方法和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，航天系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前EMC技術(shù)、管理和規(guī)范化遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他行業(yè)，因此如何將航天領(lǐng)域形成的EMC設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)推廣至國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域是值得人們思考的重大問題之一。