星载某设备高阻接地设计对整星电磁兼容性的影响

程丽丽，阳 彪

（北京空间飞行器总体设计部 北京市电磁兼容与天线测试工程技术研究中心，北京 100094）

0 引言

接地是决定卫星平台系统电磁兼容（EMC）性能优劣的关键因素。良好的接地可以抑制电磁噪声，提高系统抗扰度；而不良的接地可能导致电路系统工作不稳定，降低屏蔽层的屏蔽效能，产生静电积累等不良效应[1]。为了降低机壳短路风险，星载某设备的接地方式由机壳直接接地改为高阻接地，并需对设计变更对整星电磁兼容性能的影响进行仿真分析与试验验证。

本文首先对所采用的高阻接地设计方法进行介绍和理论分析；然后利用电磁仿真软件CST 根据实际物理模型进行建模仿真，分析不同接地方式对整星屏蔽效能和传导特性的影响；最后在故障模 拟卫星平台上对采用直接接地与高阻接地对整星EMC 特性的影响进行比较验证试验。

1 某设备高阻接地设计及其对EMC 影响 分析

1.1 高阻接地设计

某设备内部电源正母线对机壳的安全距离较小，存在对机壳短路的隐患。如果设备机壳直接接地，则有可能在整星地上引入电源正电位，因此必须在设备的机壳与整星结构地之间插入一个合适的阻抗进行隔离，并建立电荷泄放通路，以防止设备外壳静电积累。此即高阻接地电路[2]。

高阻接地中的阻抗必须足够大，以避免故障引起的短路；同时也要足够小，以便能够提供一个稳定的参考电位。例如，对于28 V 的电源系统，2 kΩ的阻抗可以将整星地电流限制在mA 级（28 V/ 2 kΩ=14 mA，最高功率损耗为0.39 W）。这可以让设备机壳与整星地的电位非常接近，同时又可避免上述电源正线对机壳短路之类的故障。但采取高阻接地的方式，有可能在电源总线上产生较大的共模噪声。为了滤除共模噪声，需要在阻抗两端并联电容，具体的高阻接地电路形式见图1。

图1 电阻并联+电容串联的高阻接地设计Fig.1 Leak circuit of parallel resistance and serial capacitance

1.2 高阻接地设计对EMC 影响分析

某设备嵌入安装在舱板中，设备机箱可作为整星舱体的一部分保证整星舱体的屏蔽效能。如果此设备机箱采用高阻接地设计，将使整星舱板不连续，在正常工作模式下也可能影响整星舱体的屏蔽效能，对应的仿真分析见2.1 节。在故障模式下，母线正端与设备的机壳短路，母线中的干扰信号通过高阻接地电路进入整星地回路，可能会对整星传导特性造成影响，对应的仿真分析见2.2 节。此外，设备机箱上会有静电积累，采用高阻接地设计可能会影响设备机箱上累积静电电荷的泄放[3]。

2 仿真分析

2.1 高阻接地设计对整星舱体屏蔽效能影响

流经某设备的电源线与信号线以10～12 V 的直流线或低频线为主，且在此设备处无接地。利用电磁仿真软件CST[4]，并根据设备的实际物理模型进行建模仿真分析。

将设备机壳简化成一个金属筒，其外表面与星体结构地的最短垂直距离为5 cm。设备机壳内布设20 根非屏蔽信号线，信号线呈自由捆扎状态（仿真模型见图2），且自成回路不接地。假设线上传输信号幅度为0.1 V，频率为10 MHz（电源线上的干扰多为低频干扰），设备直接接地和采用高阻接地的等效电路分别见图3(a)和图3(b)。可通过对整星舱体外电场观测点处（设备机壳外表面正上方210 mm）的电场强度变化仿真[5]（如图4所示）来比较设备机箱直接接地与采用高阻接地对整星舱体屏蔽性能的影响情况。

图2 设备内信号线的仿真模型Fig.2 Simulation model of signal wires inside the device

图3 设备机箱不同接地方式等效电路Fig.3 The equivalent circuit for different shieldings of the device box

图4 空间电场的仿真结果Fig.4 The simulation results of spatial electric field for different shieldings

从仿真结果可以看出，由于线缆传输的信号强度及频率很低，在机壳表面感应的电流十分微弱，所以由感应电流引起的电场辐射非常微弱，外部电场强度的变化几乎可以忽略。因此设备采用高阻接地设计后对整星舱体的屏蔽效能影响不明显。

2.2 高阻接地设计在故障模式下对整星传导特性 影响

某设备的控制线缆中包含25 根屏蔽信号线（仿真模型见图5），其中8 根信号线屏蔽层的一端通过高阻接地，另外17 根信号线的屏蔽层在此设备驱动线路盒端直接接地。故障情况下，8 根通过高阻接地的信号线屏蔽层上可能带电42 V，并携带低频的电源纹波。在这8 根信号线的屏蔽层上模拟故障模式，注入激励信号（42 V 直流电压源，同时叠加幅度400 mV、频率10 Hz 的正弦信号模拟 电源纹波），等效电路如图6所示。

图5 故障模式下某设备采用高阻接地设计对传导信号 的影响仿真模型Fig.5 Simulation model of conduction signal for float-grounding device in failure mode

图6 故障模式下某设备采用高阻接地设计对传导信号的影响等效电路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 根信号线芯线上感应到的干扰电压及电流[6]（见图7）。

图7 芯线上感应到的干扰电压和电流Fig.7 Interference voltage and current coupled in the eight data wires

从图中可见，干扰电压不大于25 µV，说明此 设备采用高阻接地设计不会对整星传导特性造成明显影响。

3 比较验证试验

与某设备有联系的只有供配电分系统和控制分系统，因此在只包含这2 个分系统的卫星故障模拟仿真平台上进行整星EMC 试验，此平台机械结构同实际整星。

为了验证此设备采用高阻接地设计以后对整星电磁兼容性的影响，以仿真分析的结果为依据，有针对性地设计了验证项目（见表1）[7]。

在卫星故障模拟平台上进行了表1所列的试验项目[10]，试验限值参考型号技术规范实施。在ESD 试验中，设备正常工作状态和故障模式下采用直接接地和高阻接地，供配电和控制分系统均未出 现受扰现象。RS103、CS114 试验中供配电分系统出现了受扰现象，控制分系统未出现受扰现象；在RS103、CS114、CS115、CS116 试验中供配电和控制分系统都出现了受扰现象，但是采用直接接地和高阻接地这2 种状态下受扰现象基本相当。以上整星EMC 试验验证了仿真结果的正确性，并且可以看出某设备采用高阻接地设计不会对整星电磁兼容特性造成明显影响。

4 结束语

某设备的高阻接地设计首次在卫星平台上采用。通过对此设备采用高阻接地设计后对整星屏蔽效能及传导特性影响的仿真分析，以及在卫星故障模拟平台上实施的试验验证，充分证明此设备采用高阻接地设计对整星EMC 没有明显影响，对后续型号类似设备采用高阻接地设计具有借鉴意义。

（References）

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