程麗麗，陽 彪

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 北京市電磁兼容與天線測試工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

0 引言

接地是決定衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)電磁兼容（EMC）性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。良好的接地可以抑制電磁噪聲，提高系統(tǒng)抗擾度；而不良的接地可能導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，降低屏蔽層的屏蔽效能，產(chǎn)生靜電積累等不良效應(yīng)[1]。為了降低機(jī)殼短路風(fēng)險(xiǎn)，星載某設(shè)備的接地方式由機(jī)殼直接接地改為高阻接地，并需對設(shè)計(jì)變更對整星電磁兼容性能的影響進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文首先對所采用的高阻接地設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹和理論分析；然后利用電磁仿真軟件CST 根據(jù)實(shí)際物理模型進(jìn)行建模仿真，分析不同接地方式對整星屏蔽效能和傳導(dǎo)特性的影響；最后在故障模 擬衛(wèi)星平臺(tái)上對采用直接接地與高阻接地對整星EMC 特性的影響進(jìn)行比較驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 某設(shè)備高阻接地設(shè)計(jì)及其對EMC 影響 分析

1.1 高阻接地設(shè)計(jì)

某設(shè)備內(nèi)部電源正母線對機(jī)殼的安全距離較小，存在對機(jī)殼短路的隱患。如果設(shè)備機(jī)殼直接接地，則有可能在整星地上引入電源正電位，因此必須在設(shè)備的機(jī)殼與整星結(jié)構(gòu)地之間插入一個(gè)合適的阻抗進(jìn)行隔離，并建立電荷泄放通路，以防止設(shè)備外殼靜電積累。此即高阻接地電路[2]。

高阻接地中的阻抗必須足夠大，以避免故障引起的短路；同時(shí)也要足夠小，以便能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電位。例如，對于28 V 的電源系統(tǒng)，2 kΩ的阻抗可以將整星地電流限制在mA 級(jí)（28 V/ 2 kΩ=14 mA，最高功率損耗為0.39 W）。這可以讓設(shè)備機(jī)殼與整星地的電位非常接近，同時(shí)又可避免上述電源正線對機(jī)殼短路之類的故障。但采取高阻接地的方式，有可能在電源總線上產(chǎn)生較大的共模噪聲。為了濾除共模噪聲，需要在阻抗兩端并聯(lián)電容，具體的高阻接地電路形式見圖1。

圖1 電阻并聯(lián)+電容串聯(lián)的高阻接地設(shè)計(jì)Fig.1 Leak circuit of parallel resistance and serial capacitance

1.2 高阻接地設(shè)計(jì)對EMC 影響分析

某設(shè)備嵌入安裝在艙板中，設(shè)備機(jī)箱可作為整星艙體的一部分保證整星艙體的屏蔽效能。如果此設(shè)備機(jī)箱采用高阻接地設(shè)計(jì)，將使整星艙板不連續(xù)，在正常工作模式下也可能影響整星艙體的屏蔽效能，對應(yīng)的仿真分析見2.1 節(jié)。在故障模式下，母線正端與設(shè)備的機(jī)殼短路，母線中的干擾信號(hào)通過高阻接地電路進(jìn)入整星地回路，可能會(huì)對整星傳導(dǎo)特性造成影響，對應(yīng)的仿真分析見2.2 節(jié)。此外，設(shè)備機(jī)箱上會(huì)有靜電積累，采用高阻接地設(shè)計(jì)可能會(huì)影響設(shè)備機(jī)箱上累積靜電電荷的泄放[3]。

2 仿真分析

2.1 高阻接地設(shè)計(jì)對整星艙體屏蔽效能影響

流經(jīng)某設(shè)備的電源線與信號(hào)線以10～12 V 的直流線或低頻線為主，且在此設(shè)備處無接地。利用電磁仿真軟件CST[4]，并根據(jù)設(shè)備的實(shí)際物理模型進(jìn)行建模仿真分析。

將設(shè)備機(jī)殼簡化成一個(gè)金屬筒，其外表面與星體結(jié)構(gòu)地的最短垂直距離為5 cm。設(shè)備機(jī)殼內(nèi)布設(shè)20 根非屏蔽信號(hào)線，信號(hào)線呈自由捆扎狀態(tài)（仿真模型見圖2），且自成回路不接地。假設(shè)線上傳輸信號(hào)幅度為0.1 V，頻率為10 MHz（電源線上的干擾多為低頻干擾），設(shè)備直接接地和采用高阻接地的等效電路分別見圖3(a)和圖3(b)。可通過對整星艙體外電場觀測點(diǎn)處（設(shè)備機(jī)殼外表面正上方210 mm）的電場強(qiáng)度變化仿真[5]（如圖4所示）來比較設(shè)備機(jī)箱直接接地與采用高阻接地對整星艙體屏蔽性能的影響情況。

圖2 設(shè)備內(nèi)信號(hào)線的仿真模型Fig.2 Simulation model of signal wires inside the device

圖3 設(shè)備機(jī)箱不同接地方式等效電路Fig.3 The equivalent circuit for different shieldings of the device box

圖4 空間電場的仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results of spatial electric field for different shieldings

從仿真結(jié)果可以看出，由于線纜傳輸?shù)男盘?hào)強(qiáng)度及頻率很低，在機(jī)殼表面感應(yīng)的電流十分微弱，所以由感應(yīng)電流引起的電場輻射非常微弱，外部電場強(qiáng)度的變化幾乎可以忽略。因此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)后對整星艙體的屏蔽效能影響不明顯。

2.2 高阻接地設(shè)計(jì)在故障模式下對整星傳導(dǎo)特性 影響

某設(shè)備的控制線纜中包含25 根屏蔽信號(hào)線（仿真模型見圖5），其中8 根信號(hào)線屏蔽層的一端通過高阻接地，另外17 根信號(hào)線的屏蔽層在此設(shè)備驅(qū)動(dòng)線路盒端直接接地。故障情況下，8 根通過高阻接地的信號(hào)線屏蔽層上可能帶電42 V，并攜帶低頻的電源紋波。在這8 根信號(hào)線的屏蔽層上模擬故障模式，注入激勵(lì)信號(hào)（42 V 直流電壓源，同時(shí)疊加幅度400 mV、頻率10 Hz 的正弦信號(hào)模擬 電源紋波），等效電路如圖6所示。

圖5 故障模式下某設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)對傳導(dǎo)信號(hào) 的影響仿真模型Fig.5 Simulation model of conduction signal for float-grounding device in failure mode

圖6 故障模式下某設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)對傳導(dǎo)信號(hào)的影響等效電路Fig.6 Equivalent circuit of conduction signal for float-grounding device in failure mode

仿真后得到故障模式下8 根信號(hào)線芯線上感應(yīng)到的干擾電壓及電流[6]（見圖7）。

圖7 芯線上感應(yīng)到的干擾電壓和電流Fig.7 Interference voltage and current coupled in the eight data wires

從圖中可見，干擾電壓不大于25 μV，說明此 設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)不會(huì)對整星傳導(dǎo)特性造成明顯影響。

3 比較驗(yàn)證試驗(yàn)

與某設(shè)備有聯(lián)系的只有供配電分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)，因此在只包含這2 個(gè)分系統(tǒng)的衛(wèi)星故障模擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行整星EMC 試驗(yàn)，此平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)同實(shí)際整星。

為了驗(yàn)證此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)以后對整星電磁兼容性的影響，以仿真分析的結(jié)果為依據(jù)，有針對性地設(shè)計(jì)了驗(yàn)證項(xiàng)目（見表1）[7]。

在衛(wèi)星故障模擬平臺(tái)上進(jìn)行了表1所列的試驗(yàn)項(xiàng)目[10]，試驗(yàn)限值參考型號(hào)技術(shù)規(guī)范實(shí)施。在ESD 試驗(yàn)中，設(shè)備正常工作狀態(tài)和故障模式下采用直接接地和高阻接地，供配電和控制分系統(tǒng)均未出 現(xiàn)受擾現(xiàn)象。RS103、CS114 試驗(yàn)中供配電分系統(tǒng)出現(xiàn)了受擾現(xiàn)象，控制分系統(tǒng)未出現(xiàn)受擾現(xiàn)象；在RS103、CS114、CS115、CS116 試驗(yàn)中供配電和控制分系統(tǒng)都出現(xiàn)了受擾現(xiàn)象，但是采用直接接地和高阻接地這2 種狀態(tài)下受擾現(xiàn)象基本相當(dāng)。以上整星EMC 試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，并且可以看出某設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)不會(huì)對整星電磁兼容特性造成明顯影響。

4 結(jié)束語

某設(shè)備的高阻接地設(shè)計(jì)首次在衛(wèi)星平臺(tái)上采用。通過對此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)后對整星屏蔽效能及傳導(dǎo)特性影響的仿真分析，以及在衛(wèi)星故障模擬平臺(tái)上實(shí)施的試驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)對整星EMC 沒有明顯影響，對后續(xù)型號(hào)類似設(shè)備采用高阻接地設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

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