关于卫星EMC设计和试验的几点思考

崔相臣

摘要：大型卫星一般射频峰值功率大,频谱分布广，针对卫星复杂的电磁环境，卫星研制应通过设备、分系统至整星自下而上逐级进行电磁兼容设计，采用空间隔离、频段隔离、接地和搭接、屏蔽处理、电缆网EMC设计、电路接口匹配滤波设计等多种设计手段，并通过合理有效的电磁兼容性试验验证，保证整星电磁兼容，确保卫星在轨长寿命期内高可靠运行。

关键词：卫星；电磁兼容性；设计；试验1引言

人造卫星是一个各类电子电气设备非常密集、功能性强大、技术及其复杂的系统，它不仅频率覆盖范围广，而且多种大功率设备和高灵敏度设备高度集中，其电磁环境相当复杂。大型卫星的电磁兼容性（EMC）有以下特点：

⑴受重量和能源限制，大型卫星一般设备组件布局密集，电气接口众多，高低频电缆复杂，构成复杂的电磁环境，射频系统的各发射机有可能同时工作，射频功率大，频谱分布广，极易通过传导或辐射路径传播干扰，对高灵敏度的接收机产生电磁干扰。

⑵星上装载的高精度、高稳定度控制系统和导航系统，其敏感设备或敏感器的信号一般为弱信号，易收到干扰能量并引起明显性能恶化；星上火工品或起爆电路受到的电磁干扰超过其敏感度阈值，可能导致误起爆，影响到卫星甚至人员的安全。

⑶大型卫星一般装有可产生不同功率和不同形式信号的各种电气电子设备、可产生小火花瞬态脉冲的切换开关、高速数字电路、电源系统的调制开关频率等众多接口形式的电磁干扰源，短期大功率负载开关瞬态将产生干扰，大量的二次电源DC/DC模块同时工作形成共模噪声干扰，这些干扰源工作时都会对敏感弱信号形成不同程度的干扰。

⑷卫星设备种类众多，电源分系统可能采用多条母线供电，不同设备接地要求不同，从而造成整星接地系统非常复杂，容易引起地线干扰。

为保证卫星能经受住研制直至发射、在轨运行过程中所遇到的内部和外部电磁环境，并按照预定的功能和性能设计正常工作，完成在轨正常飞行任务，需要从卫星研制方案论证阶段开始，直至研制的全过程都进行电磁兼容性技术的设计、试验验证和管理，在卫星功能和性能设计启动阶段也必须同时关注整星的电磁兼容性设计工作。

2EMC预测分析和设计

卫星的EMC设计涉及星上的各个分系统，不仅与星上电气分系统相关，还与卫星构型布局、卫星结构材料、热控涂层等有密切关系，卫星EMC设计主要考虑的内容包括系统级内部的电磁兼容性，卫星系统与测试系统、试验设备、发射场系统、运载系统的电磁兼容性，卫星系统与外部环境（主要指空间电磁场环境、空间静电放电）的电磁兼容性。其中系统级EMC设计应考虑的主要因素：系统内部频率隔离设计、无线天线的耦合度设计、电源品质设计、分系统设备适应整星电磁环境的性能设计、最恶劣状态的自兼容性参数设计。

整星需要从元器件和电路选用、设备设计、分系统至整星自下而上逐级采取措施以满足整星电磁兼容性要求。

2.1 EMC预测分析

在设备研制前，当系统和设备的初步方案设计形成后，根据设备的EMC指标和要求，进行的EMC预测分析，进行电磁耦合仿真，分析整星各干扰源和敏感设备之间是否能电磁兼容，计算干扰程度和安全裕度，找出薄弱环节，为方案修改和防护设计提供依据。EMC预测分析在工程上的应用内容主要包括：

⑴根据所选用的元器件、电路和材料的特性，预测分析设备在电路板级的电磁兼容性能，给出设备是否能满足整星EMC要求的结论；

⑵根据整星各发射机的频率、功率、带宽，接收机的频率、灵敏度、带宽，天线在卫星上的布局等条件对整星天线隔离度进行了仿真分析计算、发射与接收的兼容性进行分析计算、由交互调引起的兼容性进行了分析计算，谐杂波引起的兼容性进行分析计算；

⑶对系统联试和整星测试中出现的干扰问题进行分析，并根据EMC测试结果，分析干扰问题根源，为故障诊断提供依据；

⑷根据卫星构型布局和射频设备及天线的特性，预估卫星各阶段可能遇到的电磁环境，对卫星进行优化设计，给出卫星的最佳性能参数和最佳布局方案。

2.2 EMC设计

EMC设计直接影响卫星的安全可靠，还与卫星的功能性能指标、卫星精度、卫星工程研制成本等密切相关。

为满足整星的电磁兼容性要求，卫星需开展的EMC设计包括：接地与搭接设计、布线设计、屏蔽设计、信号接口设计、电源品质设计，单机消浪涌电流设计、构型布局设计等。

⑴接地设计。良好的卫星接地平面是设备不受干扰而可靠工作的基础。一个理想的接地平面对连接电源成大电容、小电感分布，能够吸收所有的干扰信号。保证卫星不受雷击及电磁脉冲效应引起的电击，防止静电积累和静电放电，提供一个等电位面及统一的零电位参考基准，减小整星的传导耦合干扰，一般高频单机采用多点接地，低频单机采用单点接地，设备的一次电源地与二次电源地隔离，隔离电阻不小于1MΩ；设备的一次电源地与机壳隔离，隔离电阻不小于5MΩ。

⑵搭接设计。搭接是指两个金属物体之间通过机械或化学方法实现结构连接，建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程。搭接能为电流的流动安排一个均匀的结构面，避免在相互连接的两金属间形成电位差，确保在产生涌流时有大电流低阻抗的回路；并能提供对电冲击的保护等等。

⑶布线设计。干扰可以通过互连的电缆布线从某个线路（或某处）传输到别的线路（或别处）。干扰可以从电缆内辐射出去，也可以从外场传播到电缆内。干扰一经通过辐射线同阻抗电路元件传播到整套电子设备或电气设备内的电缆线路之后，便可以通过连接电缆再传导到该套设备的其它元部件中去。为减少有害的电磁干扰信号，提供系统的抗干扰能力，在电缆网布线时应考虑电缆的屏蔽、端接、敷设原则，以利于抑制传导干扰。

⑷屏蔽设计。屏蔽就是将元件、设备或电线等封闭起来，其目的是限制内部辐射的电磁能量越出某一区域，同时防止外来的辐射进入此区域。对干扰源或被干扰源（敏感设备、电路或组件）进行屏蔽，能有效地抑制干扰并提高电子系统或设备的电磁兼容性。因此，屏蔽是电子设备结构和系统设计时必须考虑的重要内容之一。

⑸信号接口设计。星载电子设备之间电气接口的匹配性和安全性是电磁兼容性设计的重要内容。所有星载电子设备的接口电路要符合回流原则：对于连接两个单机的接口电路，其全部回流应沿其相应驱动电流所经过的线束的专用返回线返回，一束电缆内所有接口连接，应使其每根导线上流过的电流代数和为零，防止返回电流流入结构构架。

⑹电源品质要求。系统内任何配电设备纹波电压峰峰值要求Vpp<500mV（114dBuV）；一次电源供电负载对母线的反射纹波电压峰峰值要求Vpp<250mV（108dBuV）。

⑺单机浪涌电流要求。电源母线上的用户，应使其启动电流限制在其相应额定电流的1.5倍以内或限制在3A以内，且持续时间不大于5ms，上升斜率不大于106A／s，容性负载须采取消浪涌措施方可加电。

⑻构型布局设计。星上设备的构型布局除满足质量特性要求外，还应满足电磁发射设备和敏感设备的空间隔离，通过调整设备间距、分舱分区、屏蔽和隔离进行合理构型布局。

3EMC试验

为对设备EMC预测分析和设计的结果进行驗证，对卫星各分系统间、卫星系统与的电磁兼容性进行验证，检验卫星与测试系统、试验设备、发射场系统、运载系统和外部环境的电磁兼容性，需要通过设备级、分系统级和整星级EMC试验，掌握系统内外的EMC实验数据，发现了EMC问题并进行改进，确保整星地面测试与试验、发射主动段和在轨工作等阶段的电磁兼容。

卫星设备级和分系统级EMC测试主要按照GJB151A《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中的规定项目，依照GJB152A《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》中的规定方法进行电磁干扰发射（EMI）和电磁敏感度（EMS）测量，部分暴露在星外的敏感设备需进行静电放电敏感度（ESD）测试，以检验其是否能承受外界环境的静电放电干扰。

大型卫星整星级EMC试验的测试内容主要包括：

⑴传导发射测试主要进行母线纹波电压测试、负载开机浪涌电流测试、地电位噪声测试、地线回流测试、电源线传导发射和传导敏感度测试。

⑵辐射敏感度测试和辐射发射测试，整星射频通道工作相容性测试、整星射频频谱测试、火工品安装位置场强测试。

⑶卫星与测试系统、试验设备、发射场系统、运载系统的电磁环境模拟实验。

4结束语

电磁兼容技术涉及知识领域很广，对于一般工程设计技术人员，很难全面、细致地了解电磁兼容原理、抑制电磁干扰方法和电磁兼容标准，航天系统经过数十年的发展，目前EMC技术、管理和规范化远远领先于其他行业，因此如何将航天领域形成的EMC设计和试验技术推广至国民经济建设的各个领域是值得人们思考的重大问题之一。