運載火箭測量系統上電瞬態干擾測量及串擾分析

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜鐵華

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

運載火箭測量系統上電瞬態干擾測量及串擾分析

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜鐵華

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

對運載火箭測量系統二次電源在上電時產生的瞬態傳導干擾源進行測量，得到該瞬態干擾時域以及頻域信息。在測量數據的基礎上，結合運載火箭常用的線纜，分析該瞬態干擾對鄰近設備和線纜的耦合，研究不同線長、不同間距以及端接負載等情況的耦合響應。基于試驗和仿真結果，對運載火箭線纜線束的選型、布線提供建議，對工程研究具有指導意義。

瞬態干擾；仿真；串擾；運載火箭

0 引 言

運載火箭在其測試和發射的全流程中，會經歷電池激活、轉電、點火、脫落插頭脫落、緊急斷電等多種模式切換狀態，在這些模式切換的過程中，電源線和地線上往往會產生瞬態高電壓或大電流，從而對與其共線束連接或鄰近安裝的負載設備造成影響。模式切換過程中產生的電壓和電流一般具有前沿短、電壓高、電流大、持續時間短等特點，屬于瞬態電磁干擾，對數字電路威脅較大。

傳統的瞬態干擾研究主要集中在雷電、靜電、電磁脈沖等外界瞬態電磁特性及效應上[1～3]，而研究傳導干擾對線纜、線束以及鄰近設備的影響多集中在船舶、飛機的線纜線束串擾分析[4～6]，對運載火箭系統內部瞬態干擾研究的報道較少。

隨著信息化集成等新技術的應用，運載火箭有限的艙段空間內分布的電子電氣設備越來越多，功率越來越大，來自運載火箭系統內部的瞬態干擾對設備的潛在威脅越來越大，因此，結合測試流程，發現并研究其內部瞬態干擾特性及其耦合影響，明確干擾機理和電磁效應，對電子設備開展有針對性的防護設計具有重要意義。

本文以運載火箭測量系統二次電源上電過程為研究對象，在測量運載火箭二次電源瞬態發射的基礎上，研究該瞬態干擾的時域、頻域特性，分析瞬態干擾對鄰近設備和線纜的耦合，研究不同線長、不同間距以及不同端接負載等情況的影響，為運載火箭線纜、線束的選型、布線提供參考。

1 電源上電瞬態特性分析

1.1 測量方法

結合運載火箭綜合試驗的流程，對二次電源在上電時產生的瞬態干擾進行測量，試驗配置如圖1所示。

圖1 上電波形測量試驗配置

由圖1可知，配電控制組合提供一次電源，并作為二次電源的輸入端，二次電源將輸入電壓（28 V）轉化為用電設備需要的電壓。配電控制組合與二次電源之間的線纜束內包含二次電源的供電母線以及其他數字信號傳輸線。試驗時，在二次電源輸入端串接轉換裝置，將供電線從線纜束中轉出，用以測量上電過程中供電母線上的電壓波形，測量重復3～5次。考慮到示波器不同通道間隔離度的影響，試驗采用2臺示波器同時監測，并分別對其時間軸進行設置，以獲取上電過程的全波形和脈沖上升沿的細節波形。

1.2 試驗結果

上電過程中測量的時域波形及其頻域信息見圖2。

圖2 上電過程中測量的時域波形及其頻域信息

由圖2a可知，從二次電源輸入端加電開始，經過0.4 ms的上升沿，達到25.4 V，后經過0.57 ms的上升沿，達到27.8 V。然后出現電壓跌落現象，最終穩定在28.2 V，持續時間為3.4 ms，整個脈沖從0 V至穩定在28.2 V，歷經約4.3 ms。圖2b對該波形進行傅立葉變換，能量主要集中在低頻部分，頻率范圍在0～ 10 kHz時，幅值在-32 dBV以上。

1.3 仿真模型

二次電源上電過程中產生的瞬態干擾可能對鄰近線纜及設備造成影響，通過仿真分別對供電線束內部串擾和供電線束對鄰近線纜的串擾2種情況進行分析。

圖3為線束串擾仿真模型示意。供電線束及鄰近線束平行布置于運載火箭艙段內部，靠近艙壁。其中，前者為干擾線束，線型為多芯線束；后者為受擾線束，線型為單芯線束。從放大多芯線束的截面可以看出，2個線束通過端接負載連接到艙壁，仿真時，將實測波形作為激勵源添加至干擾線束。

圖3 線束串擾仿真模型示意

通過仿真試驗分析下述情況的線間串擾：

a）在供電多芯線束內部，各線之間不同間距、不同線長以及不同端接負載對瞬態串擾的影響；

b）在供電多芯線束與鄰近線束之間，不同間距、不同線纜類型對瞬態串擾的影響。

2 瞬態脈沖對鄰近設備/線纜的影響

2.1 供電線束內部的串擾分析

2.1.1 不同間距的影響

運載火箭上電纜束的外徑不大于50 mm[7]。本文選擇的供電線纜束外徑為50 mm，設置電纜長度

l = 1 m，高度h = 100 mm，受擾線端接阻性負載，阻值R=70 ?，依次設置線束內部各線間的距離d2為10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，分析供電線束內部不同間距對串擾的影響。串擾電壓隨間距d2的變化情況如圖4所示。

對比圖2a和圖4可知，在不同間距的情況下，供電線束上的瞬態激勵僅有約0.2 μs的脈沖前沿進入受擾線，串擾電壓的上升沿約為0.035 μs。隨著線束距離的增加，串擾電壓減小，當線束距離2d從10 mm增大到50 mm時，串擾電壓從240 mV減小到120 mV，衰減3 dB，串擾電壓的頻域能量集中在10 kHz左右。

圖4 線束間距對串擾的影響

一般來說，接地平面上方的導線電容C可以用如下公式求出[8]：

式中 h為超過艙面的高度；d為導線的直徑。根據本文線纜模型數據近似估算電容為4.55 pF。受擾線兩端的端接負載約為70 ?，根據電容的充放電公式：τ = RC，一般經過3τ ～5τ 的時間，電容將會充滿電，計算得到5τ = 35 ns將會充滿電，這個數值與圖4中受擾線上的串擾電壓達到峰值的時間基本吻合，驗證了仿真模型的正確性。

2.1.2 不同端接負載的影響

運載火箭上測量系統設備包括傳感器、總線、電源等。不同設備的阻抗值不同，比較典型的有：傳感器的阻抗值一般為2～3 k?，總線類的阻抗值約為70 ? 或120 ?，模擬采編單元的阻抗約106 ?，電源上一般會進行濾波，電容值一般為1～500 pF。仿真分析端接負載分別為電阻和電容2種情況的線間串擾，線束的其他仿真參數固定為l = 1 m，d2= 10 mm，h = 100 mm。

a）端接負載為電阻時，依次令電阻R為70 ?，120 ?，2 k?，3 k?和1000 k?，不同阻性負載的串擾響應如圖5所示。

圖5 阻性負載對串擾的影響

對比圖2a中加載的激勵與圖5中產生的響應可知，瞬態激勵中0.1 μs左右的上升沿產生串擾，串擾電壓上升沿約為0.035 μs，受擾線電阻值的增加并沒有對串擾時間造成影響。但串擾電壓的幅值隨著阻值的增大而升高，當阻值為70 ?和120 ?時，串擾電壓約為0.2 V，但在千歐量級時串擾電壓為0.7 V，而在兆歐量級可達1.4 V，表明該瞬態脈沖對運載火箭不同設備的干擾不同，串擾電壓的頻域分量主要集中在8 kHz。

b）端接負載為電容時，依次令電容為1 pF，100 pF，200 pF和500 pF，不同容性負載的串擾響應見圖6。

圖6 容性負載對串擾的影響

對比圖2a加載的激勵與圖6產生的響應可知，瞬態激勵在整個持續時間內對受擾線產生影響，并且電容值增大時，串擾電壓幅值減小，電容為1 pF時，串擾電壓為2 V，而電容為100 pF時，串擾電壓約為0.3 V。串擾電壓頻域分量集中在0～8 kHz之間。對端接負載為電容的設備，供電線束內部的串擾影響將會在干擾的持續時間內一直存在，會在線上產生幾百毫伏的串擾，但是考慮到電源設備一般會進行濾波，因此影響不會很大。

2.1.3 不同線束長度的影響

a）端接阻抗為電阻時，線束的其他仿真參數固定為h=100 mm，2d=10 mm，R=70 ?，令線束長度l取1 m，2 m，5 m和10 m。圖7為不同線長的串擾響應。

對比圖2a與圖7的瞬態激勵可以看出，隨著線纜長度的增加，瞬態干擾對受擾線的影響時間增加，長度從1 m增加到10 m時，串擾電壓持續時間從0.1 μs增加到0.7 μs，串擾電壓的上升沿從0.035 μs變化至0.05 μs，串擾電壓值從200 mV增加到500 mV，其頻率分量集中在4～6 kHz。由此可見，電源線束越長，內部鄰近線纜/設備上受到瞬態干擾的影響越大。

圖7 線長對串擾的影響（端接負載為阻性）

b）端接阻抗為電容時，線束的其他仿真參數固定為h = 100 mm，d2= 10 mm，C = 200 pF，改變線束長度l為1 m，2 m，5 m和10 m。不同線長的串擾響應如圖8所示。

圖8 線長對串擾的影響（端接負載為容性）

對比圖2a與圖8的瞬態激勵可知，隨著線纜長度的增加，串擾持續時間變長，周期性變得明顯。線纜長度從1 m增加到10 m時，串擾電壓持續時間從0.3 μs增加到1 μs，最大波形的上升沿從0.04 μs上升到0.1 μs。同時隨著長度的增大，串擾電壓峰值從0.3 V增加到1.4 V，串擾電壓周期變長，其頻率分量從8 kHz下降至2 kHz。瞬態干擾注入時，電源線束越長，串擾響應越強，作用時間越長。

2.2 供電線束對鄰近線纜的串擾分析

2.2.1 不同間距的影響

分析作為干擾源的供電線束對于鄰近線纜的干擾，仿真不同線束間距對串擾的影響。仿真參數設置為l = 1 m，h = 100 mm，R = 70 ?，改變兩線束間距d1分別為50 mm，100 mm，150 mm，200 mm和

250 mm，供電線束為編織屏蔽。圖9為不同線束間距的串擾響應。

對比圖2a與圖9的瞬態激勵波形可知，線束間距增加時串擾電壓的波形持續時間從1.6 μs減小至1 μs，上升沿時間不變，約為0.09 μs，串擾電壓不斷減小，間距從50 mm變化至250 mm時，電壓幅值從13 mV減小至3 mV。串擾電壓頻率分量較大值約為4 kHz。

可見，在運載火箭內，干擾線束對受擾線的串擾受線束間距的影響較大。

圖9 線束間距對線束間串擾的影響

2.2.2 不同線型的影響

分析作為干擾源的供電線束對于鄰近線纜的干擾，仿真受擾線為不同線型時對串擾的影響。各仿真參數保持不變，分析受擾線的類型為屏蔽線、雙絞線、單線時的情況。不同線型的串擾響應如圖10所示。

圖10 線型對線束間串擾的影響

對比圖2a與圖10的瞬態激勵波形可知，單線上產生的串擾電壓峰值為110 mV，上升沿為0.03 μs，持續時間約0.3 μs，頻率分量約為6 kHz，屏蔽線和雙絞線串擾電壓峰值約為11 mV，上升沿分別為0.080 μs和0.065 μs，持續時間為1 μs左右，頻率分量集中在3 kHz左右。

對于本文研究的測量系統二次電源上電時產生的瞬態干擾，屏蔽線和雙絞線相較于單線均有較好的干擾抑制作用。

3 瞬態干擾的影響分析與建議

本文測量了運載火箭測量系統中二次電源上電時的瞬態干擾，分析了該干擾對鄰近設備/線纜產生的串擾，得到如下結論：

a）運載火箭測量系統二次電源在上電時產生的瞬態脈沖波形，持續時間約為4.3 ms，其頻率分量在0～10 kHz之間。

b）端接負載為阻性時，在本文的設定參數下，測量的瞬態脈沖僅有部分快速上升沿會在鄰近的線束線纜上產生串擾，隨著阻值的增大，串擾電壓幅值變大。串擾的頻率分量基本在4～10 kHz間，幅值約為幾十毫伏到幾百毫伏。

c）端接負載為容性時，串擾的影響時間要遠長于端接阻性負載，并隨著負載的增大，串擾電壓減小。鄰近的線纜或設備，端接容性負載比端接阻性負載更易受到干擾，但串擾響應與受擾線內部傳輸的信號敏感程度有關，比如端接負載為120 ?的總線，內部傳輸的高速數字信號對微弱的干擾信號較為敏感，如果沒有外加屏蔽層，幾百毫伏的串擾電壓可能導致誤操作或發出誤指令。

d）運載火箭上沒有任何屏蔽措施的單線非常容易受到二次電源上電的瞬態干擾影響，可以采用雙絞線或屏蔽線來進行有效抑制，相比于沒有抗干擾措施的單線，其抑制效果約為20 dB。

e）供電線束與鄰近的設備或線束距離很近時，或使用較長的穿艙電纜時，其串擾電壓較大，更容易受到供電線束上電波形的影響。

為了減小二次電源上電瞬態干擾對于鄰近線纜及設備的影響，結合仿真結果，對運載火箭的線纜布線以及選型提出以下建議：

a）在供電線束內部，靠近電源線（干擾線）的線束，或者端接負載為容性的線纜，可以采用增加屏蔽、選用雙絞線的方式減小串擾；

b）在供電線束內部，某些較長的穿艙線纜可以通過多點接地的方式，來相對減少耦合線纜的長度，減小串擾；

c）在供電線束之間，串擾響應對線束的間距很敏感，通過對圖10的分析可以看出，將敏感線束通過增加橫向的水平距離1d或者減小高度h，都可以有效減少串擾。

4 結束語

本文對運載火箭測量系統二次電源上電時產生的瞬態干擾波形進行測量，并對鄰近線束及設備的串擾響應仿真。測量結果得到瞬態干擾的時域數據，并通過傅立葉變換得到相關的頻域信息。通過仿真得到該瞬態干擾對于鄰近線束線纜和設備在線束間距、線束長度、端接負載以及線纜類型不同的情況下的串擾響應。本文對運載火箭線纜線束的布線以及選型有一定的指導作用，可以為運載火箭艙內電子、電氣設備抗干擾設計提供參考。

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Measurement and Crosstalk Analysis of Transient Interference Caused by Launch Vehicle Telemetry System Power-on

Ren Mu-yuan, Xu Hong-ping, Tao Yong, Jiang Tie-hua
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Transient interference caused by the secondary power supply of telemetry system is measured, and the time domain information and frequency domain information of this interference are obtained. Based on the measured wave, the commonly used cables of the launch vehicle are selected and simulated the coupling between power cable and other wires or equipments. Then, the coupling response of the cable length, space between cables, and termination loads are studied. The simulation and measurement results can direct the type and layout of the cables on the launch vehicle.

Transient interference; Simulation; Crosstalk; Launch vehicle

V556

A

1004-7182(2016)04-0082-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160421

2015-11-17；

2015-12-15

任牧原（1990-），男，助理工程師，主要研究方向為瞬態干擾特性分析及抑制技術