衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中，不管是發(fā)射狀態(tài)，還是在軌運(yùn)行狀態(tài)，都會(huì)在其外部產(chǎn)生一個(gè)復(fù)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(jī)產(chǎn)生的有意強(qiáng)電場(chǎng)分布，也包括其它設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的無(wú)意電場(chǎng)分布，頻譜分布通常從幾十KHz，一直到射頻設(shè)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(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星射頻接收機(jī)，如測(cè)控接收機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)，以及安裝于衛(wèi)星表面的設(shè)備，如紅外地球敏感器、太陽(yáng)敏感器等，受到電磁干擾而無(wú)法正常工作，這樣的問(wèn)題在以往的衛(wèi)星型號(hào)上也確實(shí)發(fā)生過(guò)。

衛(wèi)星外部的電磁環(huán)境看似復(fù)雜，但實(shí)際上是可預(yù)測(cè)分析的，也是可以通過(guò)相關(guān)的技術(shù)手段進(jìn)行控制的，尤其是在衛(wèi)星的方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)有效的分析和控制，能夠提前發(fā)現(xiàn)潛在的電磁干擾問(wèn)題并對(duì)其進(jìn)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(dǎo)致研制成本的增加和計(jì)劃進(jìn)度的延誤。

1.衛(wèi)星外部電磁環(huán)境的構(gòu)成和效應(yīng)

衛(wèi)星外部電磁環(huán)境由多種因素構(gòu)成，既由來(lái)自衛(wèi)星自身的電磁發(fā)射，也有來(lái)自運(yùn)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(shí)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(yīng)如下。

1.1大功率射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的有意強(qiáng)電場(chǎng)分布

大多數(shù)衛(wèi)星都會(huì)使用大功率的射頻發(fā)射設(shè)備，如數(shù)傳、通信轉(zhuǎn)發(fā)器、遙感等設(shè)備，功率從幾十W到幾百W之間，這些射頻發(fā)射機(jī)工作時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)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(duì)于安裝與星外的單機(jī)設(shè)備而言，尤其是地球紅外敏感器這種靈敏度較高的設(shè)備，是一種嚴(yán)重的威脅，同時(shí)也對(duì)這些設(shè)備的抗電磁干擾能力提出了更高的要求。

1.2普通單機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)意弱電場(chǎng)分布

普通單機(jī)設(shè)備，如供配電、推進(jìn)、控制、結(jié)構(gòu)、熱控等分系統(tǒng)所使用的設(shè)備，在正常工作時(shí)，會(huì)通過(guò)設(shè)備機(jī)殼的縫隙、互聯(lián)電纜等將設(shè)備內(nèi)部的電磁信號(hào)輻射到設(shè)備周圍，這些電磁信號(hào)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(chǎng)分布看似能量很低，但考慮到衛(wèi)星射頻接收機(jī)高靈敏度，有些接收機(jī)靈敏度高達(dá)-135dBm，仍然可能會(huì)發(fā)生弱電場(chǎng)環(huán)境被接收天線耦合到接收機(jī)內(nèi)，導(dǎo)致接收機(jī)受干擾的問(wèn)題。圖1給出了衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)備無(wú)意電磁輻射發(fā)射導(dǎo)致衛(wèi)星射頻接收機(jī)受擾的示例。

圖1 單機(jī)設(shè)備無(wú)意電磁發(fā)射對(duì)射頻接收設(shè)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(duì)衛(wèi)星外部的電磁環(huán)境進(jìn)行分析，包括對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納、理論預(yù)估和電磁場(chǎng)仿真軟件的精確分析等。

對(duì)于大功率射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的有意強(qiáng)電場(chǎng)分布，我們可以使用一個(gè)公式對(duì)其進(jìn)行粗略預(yù)估，即根據(jù)發(fā)射機(jī)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(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算公式[2]為：

其中Pin為射頻發(fā)射機(jī)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(duì)增益。

需要注意的是，該計(jì)算公式僅適用于天線的遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)于天線的近場(chǎng)輻射區(qū)域，或者飛行結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，該公式預(yù)估的結(jié)果會(huì)有較大的誤差，此時(shí)可使用電磁場(chǎng)仿真分析軟件(如Ansoft HFSS， CST， FEKO等)進(jìn)行更為精確的分析。

使用電磁場(chǎng)數(shù)值仿真分析軟件對(duì)星外的有意強(qiáng)電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算時(shí)，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(xì)節(jié)則可以簡(jiǎn)化或忽略。

圖2給出了使用FEKO軟件對(duì)發(fā)射天線在星外某區(qū)域產(chǎn)生的電場(chǎng)環(huán)境分布的分析結(jié)果。可以看到圓形反射面天線在其后部區(qū)域產(chǎn)生的電場(chǎng)分布情況，該區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)最高值為25V/m。
 

圖2 發(fā)射天線在星外產(chǎn)生的電場(chǎng)環(huán)境分析示例

對(duì)于衛(wèi)星普通單機(jī)設(shè)備在星外產(chǎn)生的無(wú)意弱電場(chǎng)環(huán)境分布，可通過(guò)對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)的方法進(jìn)行預(yù)估，即對(duì)星上所有單機(jī)設(shè)備EMC試驗(yàn)中的電磁輻射發(fā)射[3](RE102)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行歸納，將各單機(jī)設(shè)備在測(cè)試頻段內(nèi)的輻射發(fā)射值進(jìn)行疊加，得到一幅完整的星外無(wú)意發(fā)射頻譜圖。需要注意的是，對(duì)于安裝于星內(nèi)的設(shè)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(duì)于星上全新研制的單機(jī)設(shè)備，是無(wú)法得到這些EMC測(cè)試數(shù)據(jù)的。

相對(duì)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(chǎng)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(chǎng)仿真分析軟件(如Ansoft HFSS，CST等)對(duì)單機(jī)設(shè)備主要電磁發(fā)射途徑的互聯(lián)電纜進(jìn)行建模，將電纜中傳輸?shù)男盘?hào)作為激勵(lì)源，計(jì)算得到單機(jī)設(shè)備通過(guò)互聯(lián)電纜在輻射到星外的電場(chǎng)分布。

3. 衛(wèi)星外部電磁環(huán)境效應(yīng)的控制

對(duì)衛(wèi)星外部電磁環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行控制，防止星外電磁環(huán)境干擾星上設(shè)備的正常工作，包括兩個(gè)方面的工作，一個(gè)是對(duì)星外電磁環(huán)境本身進(jìn)行控制，即針對(duì)強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境和弱電場(chǎng)環(huán)境分別進(jìn)行控制，改變電場(chǎng)環(huán)境的分布規(guī)律，在關(guān)注區(qū)域降低電磁輻射強(qiáng)度，另一個(gè)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(jī)和星外敏感設(shè)備的抗干擾能力。

3.1 星外電磁環(huán)境控制

對(duì)于大大功率射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的有意強(qiáng)電場(chǎng)分布，我們可以在衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)方案允許的范圍內(nèi)，通過(guò)以下幾種方法對(duì)其進(jìn)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(jìn)行電磁遮擋;

d. 使用吸波材料減小電磁反射。

在應(yīng)用這幾種控制方法時(shí)，需使用電磁場(chǎng)數(shù)值仿真分析軟件對(duì)控制的效果進(jìn)行分析驗(yàn)證。圖3顯示了使用一塊拐角金屬板對(duì)安裝太陽(yáng)敏感器的位置進(jìn)行遮擋的仿真分析，遮擋后該位置的電場(chǎng)強(qiáng)度下降了12V/m。

圖3 使用拐角金屬板對(duì)安裝太陽(yáng)敏感器的位置進(jìn)行遮擋的仿真分析示例

對(duì)于普通單機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)意弱電場(chǎng)分布，主要通過(guò)為其制定嚴(yán)格的電場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)限值來(lái)進(jìn)行控制，以使這些設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)意電磁發(fā)射，不會(huì)干擾射頻接收機(jī)的正常工作。所依據(jù)的計(jì)算公式如下：

其中P為射頻接收機(jī)的靈敏度，L為從接收天線到接收機(jī)的射頻衰減量，AF為接收天線的天線系數(shù)。在計(jì)算得到的結(jié)果上再疊加一定的電磁干擾安全裕度和計(jì)算誤差，即可作為各設(shè)備在該頻段的電場(chǎng)輻射發(fā)射限值。值得注意的是此時(shí)還需考慮被測(cè)設(shè)備與射頻接收天線的相對(duì)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(duì)限值進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。

3.2提高敏感設(shè)備的抗干擾能力

經(jīng)過(guò)對(duì)星外強(qiáng)電磁環(huán)境的分析，能夠得到星外敏感設(shè)備周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度，衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)部門在該電場(chǎng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上疊加一定的余量(比如10dB，考慮到分析誤差和設(shè)備自身應(yīng)具有的電磁干擾安全裕度)后作為電場(chǎng)輻射敏感度指標(biāo)下發(fā)給設(shè)備研制單位，然后研制單位可根據(jù)該指標(biāo)對(duì)設(shè)備采取相應(yīng)的抗電磁干擾措施，主要包括以下幾個(gè)方面：

a. 設(shè)備互聯(lián)電纜改為屏蔽電纜;

b. 提高設(shè)備殼體屏蔽效能，使用導(dǎo)電襯墊、導(dǎo)電膠等消除機(jī)殼縫隙;

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

d. 對(duì)有視窗的設(shè)備(如地球紅外敏感器、太陽(yáng)敏感器等的視窗)，視窗應(yīng)使用導(dǎo)電玻璃，并保證導(dǎo)電玻璃四周與設(shè)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(shè)備和射頻接收機(jī)的正常工作。衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)部門可在衛(wèi)星方案階段對(duì)星外的電磁環(huán)境進(jìn)行有效的預(yù)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(shè)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(huì)影響衛(wèi)星自身的兼容性。