關于衛星EMC設計和試驗的幾點思考

崔相臣

摘要：大型衛星一般射頻峰值功率大,頻譜分布廣，針對衛星復雜的電磁環境，衛星研制應通過設備、分系統至整星自下而上逐級進行電磁兼容設計，采用空間隔離、頻段隔離、接地和搭接、屏蔽處理、電纜網EMC設計、電路接口匹配濾波設計等多種設計手段，并通過合理有效的電磁兼容性試驗驗證，保證整星電磁兼容，確保衛星在軌長壽命期內高可靠運行。

關鍵詞：衛星；電磁兼容性；設計；試驗1引言

人造衛星是一個各類電子電氣設備非常密集、功能性強大、技術及其復雜的系統，它不僅頻率覆蓋范圍廣，而且多種大功率設備和高靈敏度設備高度集中，其電磁環境相當復雜。大型衛星的電磁兼容性（EMC）有以下特點：

⑴受重量和能源限制，大型衛星一般設備組件布局密集，電氣接口眾多，高低頻電纜復雜，構成復雜的電磁環境，射頻系統的各發射機有可能同時工作，射頻功率大，頻譜分布廣，極易通過傳導或輻射路徑傳播干擾，對高靈敏度的接收機產生電磁干擾。

⑵星上裝載的高精度、高穩定度控制系統和導航系統，其敏感設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，可能導致誤起爆，影響到衛星甚至人員的安全。

⑶大型衛星一般裝有可產生不同功率和不同形式信號的各種電氣電子設備、可產生小火花瞬態脈沖的切換開關、高速數字電路、電源系統的調制開關頻率等眾多接口形式的電磁干擾源，短期大功率負載開關瞬態將產生干擾，大量的二次電源DC/DC模塊同時工作形成共模噪聲干擾，這些干擾源工作時都會對敏感弱信號形成不同程度的干擾。

⑷衛星設備種類眾多，電源分系統可能采用多條母線供電，不同設備接地要求不同，從而造成整星接地系統非常復雜，容易引起地線干擾。

為保證衛星能經受住研制直至發射、在軌運行過程中所遇到的內部和外部電磁環境，并按照預定的功能和性能設計正常工作，完成在軌正常飛行任務，需要從衛星研制方案論證階段開始，直至研制的全過程都進行電磁兼容性技術的設計、試驗驗證和管理，在衛星功能和性能設計啟動階段也必須同時關注整星的電磁兼容性設計工作。

2EMC預測分析和設計

衛星的EMC設計涉及星上的各個分系統，不僅與星上電氣分系統相關，還與衛星構型布局、衛星結構材料、熱控涂層等有密切關系，衛星EMC設計主要考慮的內容包括系統級內部的電磁兼容性，衛星系統與測試系統、試驗設備、發射場系統、運載系統的電磁兼容性，衛星系統與外部環境（主要指空間電磁場環境、空間靜電放電）的電磁兼容性。其中系統級EMC設計應考慮的主要因素：系統內部頻率隔離設計、無線天線的耦合度設計、電源品質設計、分系統設備適應整星電磁環境的性能設計、最惡劣狀態的自兼容性參數設計。

整星需要從元器件和電路選用、設備設計、分系統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預測分析

在設備研制前，當系統和設備的初步方案設計形成后，根據設備的EMC指標和要求，進行的EMC預測分析，進行電磁耦合仿真，分析整星各干擾源和敏感設備之間是否能電磁兼容，計算干擾程度和安全裕度，找出薄弱環節，為方案修改和防護設計提供依據。EMC預測分析在工程上的應用內容主要包括：

⑴根據所選用的元器件、電路和材料的特性，預測分析設備在電路板級的電磁兼容性能，給出設備是否能滿足整星EMC要求的結論；

⑵根據整星各發射機的頻率、功率、帶寬，接收機的頻率、靈敏度、帶寬，天線在衛星上的布局等條件對整星天線隔離度進行了仿真分析計算、發射與接收的兼容性進行分析計算、由交互調引起的兼容性進行了分析計算，諧雜波引起的兼容性進行分析計算；

⑶對系統聯試和整星測試中出現的干擾問題進行分析，并根據EMC測試結果，分析干擾問題根源，為故障診斷提供依據；

⑷根據衛星構型布局和射頻設備及天線的特性，預估衛星各階段可能遇到的電磁環境，對衛星進行優化設計，給出衛星的最佳性能參數和最佳布局方案。

2.2 EMC設計

EMC設計直接影響衛星的安全可靠，還與衛星的功能性能指標、衛星精度、衛星工程研制成本等密切相關。

為滿足整星的電磁兼容性要求，衛星需開展的EMC設計包括：接地與搭接設計、布線設計、屏蔽設計、信號接口設計、電源品質設計，單機消浪涌電流設計、構型布局設計等。

⑴接地設計。良好的衛星接地平面是設備不受干擾而可靠工作的基礎。一個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。保證衛星不受雷擊及電磁脈沖效應引起的電擊，防止靜電積累和靜電放電，提供一個等電位面及統一的零電位參考基準，減小整星的傳導耦合干擾，一般高頻單機采用多點接地，低頻單機采用單點接地，設備的一次電源地與二次電源地隔離，隔離電阻不小于1MΩ；設備的一次電源地與機殼隔離，隔離電阻不小于5MΩ。

⑵搭接設計。搭接是指兩個金屬物體之間通過機械或化學方法實現結構連接，建立一條穩定的低阻抗電氣通路的工藝過程。搭接能為電流的流動安排一個均勻的結構面，避免在相互連接的兩金屬間形成電位差，確保在產生涌流時有大電流低阻抗的回路；并能提供對電沖擊的保護等等。

⑶布線設計。干擾可以通過互連的電纜布線從某個線路（或某處）傳輸到別的線路（或別處）。干擾可以從電纜內輻射出去，也可以從外場傳播到電纜內。干擾一經通過輻射線同阻抗電路元件傳播到整套電子設備或電氣設備內的電纜線路之后，便可以通過連接電纜再傳導到該套設備的其它元部件中去。為減少有害的電磁干擾信號，提供系統的抗干擾能力，在電纜網布線時應考慮電纜的屏蔽、端接、敷設原則，以利于抑制傳導干擾。

⑷屏蔽設計。屏蔽就是將元件、設備或電線等封閉起來，其目的是限制內部輻射的電磁能量越出某一區域，同時防止外來的輻射進入此區域。對干擾源或被干擾源（敏感設備、電路或組件）進行屏蔽，能有效地抑制干擾并提高電子系統或設備的電磁兼容性。因此，屏蔽是電子設備結構和系統設計時必須考慮的重要內容之一。

⑸信號接口設計。星載電子設備之間電氣接口的匹配性和安全性是電磁兼容性設計的重要內容。所有星載電子設備的接口電路要符合回流原則：對于連接兩個單機的接口電路，其全部回流應沿其相應驅動電流所經過的線束的專用返回線返回，一束電纜內所有接口連接，應使其每根導線上流過的電流代數和為零，防止返回電流流入結構構架。

⑹電源品質要求。系統內任何配電設備紋波電壓峰峰值要求Vpp<500mV（114dBuV）；一次電源供電負載對母線的反射紋波電壓峰峰值要求Vpp<250mV（108dBuV）。

⑺單機浪涌電流要求。電源母線上的用戶，應使其啟動電流限制在其相應額定電流的1.5倍以內或限制在3A以內，且持續時間不大于5ms，上升斜率不大于106A／s，容性負載須采取消浪涌措施方可加電。

⑻構型布局設計。星上設備的構型布局除滿足質量特性要求外，還應滿足電磁發射設備和敏感設備的空間隔離，通過調整設備間距、分艙分區、屏蔽和隔離進行合理構型布局。

3EMC試驗

為對設備EMC預測分析和設計的結果進行驗證，對衛星各分系統間、衛星系統與的電磁兼容性進行驗證，檢驗衛星與測試系統、試驗設備、發射場系統、運載系統和外部環境的電磁兼容性，需要通過設備級、分系統級和整星級EMC試驗，掌握系統內外的EMC實驗數據，發現了EMC問題并進行改進，確保整星地面測試與試驗、發射主動段和在軌工作等階段的電磁兼容。

衛星設備級和分系統級EMC測試主要按照GJB151A《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》中的規定項目，依照GJB152A《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量》中的規定方法進行電磁干擾發射（EMI）和電磁敏感度（EMS）測量，部分暴露在星外的敏感設備需進行靜電放電敏感度（ESD）測試，以檢驗其是否能承受外界環境的靜電放電干擾。

大型衛星整星級EMC試驗的測試內容主要包括：

⑴傳導發射測試主要進行母線紋波電壓測試、負載開機浪涌電流測試、地電位噪聲測試、地線回流測試、電源線傳導發射和傳導敏感度測試。

⑵輻射敏感度測試和輻射發射測試，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測試。

⑶衛星與測試系統、試驗設備、發射場系統、運載系統的電磁環境模擬實驗。

4結束語

電磁兼容技術涉及知識領域很廣，對于一般工程設計技術人員，很難全面、細致地了解電磁兼容原理、抑制電磁干擾方法和電磁兼容標準，航天系統經過數十年的發展，目前EMC技術、管理和規范化遠遠領先于其他行業，因此如何將航天領域形成的EMC設計和試驗技術推廣至國民經濟建設的各個領域是值得人們思考的重大問題之一。