运载火箭测量系统上电瞬态干扰测量及串扰分析

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜铁华

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

运载火箭测量系统上电瞬态干扰测量及串扰分析

任牧原，徐洪平，陶 勇，姜铁华

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

对运载火箭测量系统二次电源在上电时产生的瞬态传导干扰源进行测量，得到该瞬态干扰时域以及频域信息。在测量数据的基础上，结合运载火箭常用的线缆，分析该瞬态干扰对邻近设备和线缆的耦合，研究不同线长、不同间距以及端接负载等情况的耦合响应。基于试验和仿真结果，对运载火箭线缆线束的选型、布线提供建议，对工程研究具有指导意义。

瞬态干扰；仿真；串扰；运载火箭

0 引 言

运载火箭在其测试和发射的全流程中，会经历电池激活、转电、点火、脱落插头脱落、紧急断电等多种模式切换状态，在这些模式切换的过程中，电源线和地线上往往会产生瞬态高电压或大电流，从而对与其共线束连接或邻近安装的负载设备造成影响。模式切换过程中产生的电压和电流一般具有前沿短、电压高、电流大、持续时间短等特点，属于瞬态电磁干扰，对数字电路威胁较大。

传统的瞬态干扰研究主要集中在雷电、静电、电磁脉冲等外界瞬态电磁特性及效应上[1～3]，而研究传导干扰对线缆、线束以及邻近设备的影响多集中在船舶、飞机的线缆线束串扰分析[4～6]，对运载火箭系统内部瞬态干扰研究的报道较少。

随着信息化集成等新技术的应用，运载火箭有限的舱段空间内分布的电子电气设备越来越多，功率越来越大，来自运载火箭系统内部的瞬态干扰对设备的潜在威胁越来越大，因此，结合测试流程，发现并研究其内部瞬态干扰特性及其耦合影响，明确干扰机理和电磁效应，对电子设备开展有针对性的防护设计具有重要意义。

本文以运载火箭测量系统二次电源上电过程为研究对象，在测量运载火箭二次电源瞬态发射的基础上，研究该瞬态干扰的时域、频域特性，分析瞬态干扰对邻近设备和线缆的耦合，研究不同线长、不同间距以及不同端接负载等情况的影响，为运载火箭线缆、线束的选型、布线提供参考。

1 电源上电瞬态特性分析

1.1 测量方法

结合运载火箭综合试验的流程，对二次电源在上电时产生的瞬态干扰进行测量，试验配置如图1所示。

图1 上电波形测量试验配置

由图1可知，配电控制组合提供一次电源，并作为二次电源的输入端，二次电源将输入电压（28 V）转化为用电设备需要的电压。配电控制组合与二次电源之间的线缆束内包含二次电源的供电母线以及其他数字信号传输线。试验时，在二次电源输入端串接转换装置，将供电线从线缆束中转出，用以测量上电过程中供电母线上的电压波形，测量重复3～5次。考虑到示波器不同通道间隔离度的影响，试验采用2台示波器同时监测，并分别对其时间轴进行设置，以获取上电过程的全波形和脉冲上升沿的细节波形。

1.2 试验结果

上电过程中测量的时域波形及其频域信息见图2。

图2 上电过程中测量的时域波形及其频域信息

由图2a可知，从二次电源输入端加电开始，经过0.4 ms的上升沿，达到25.4 V，后经过0.57 ms的上升沿，达到27.8 V。然后出现电压跌落现象，最终稳定在28.2 V，持续时间为3.4 ms，整个脉冲从0 V至稳定在28.2 V，历经约4.3 ms。图2b对该波形进行傅立叶变换，能量主要集中在低频部分，频率范围在0～ 10 kHz时，幅值在-32 dBV以上。

1.3 仿真模型

二次电源上电过程中产生的瞬态干扰可能对邻近线缆及设备造成影响，通过仿真分别对供电线束内部串扰和供电线束对邻近线缆的串扰2种情况进行分析。

图3为线束串扰仿真模型示意。供电线束及邻近线束平行布置于运载火箭舱段内部，靠近舱壁。其中，前者为干扰线束，线型为多芯线束；后者为受扰线束，线型为单芯线束。从放大多芯线束的截面可以看出，2个线束通过端接负载连接到舱壁，仿真时，将实测波形作为激励源添加至干扰线束。

图3 线束串扰仿真模型示意

通过仿真试验分析下述情况的线间串扰：

a）在供电多芯线束内部，各线之间不同间距、不同线长以及不同端接负载对瞬态串扰的影响；

b）在供电多芯线束与邻近线束之间，不同间距、不同线缆类型对瞬态串扰的影响。

2 瞬态脉冲对邻近设备/线缆的影响

2.1 供电线束内部的串扰分析

2.1.1 不同间距的影响

运载火箭上电缆束的外径不大于50 mm[7]。本文选择的供电线缆束外径为50 mm，设置电缆长度

l = 1 m，高度h = 100 mm，受扰线端接阻性负载，阻值R=70 Ω，依次设置线束内部各线间的距离d2为10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，分析供电线束内部不同间距对串扰的影响。串扰电压随间距d2的变化情况如图4所示。

对比图2a和图4可知，在不同间距的情况下，供电线束上的瞬态激励仅有约0.2 µs的脉冲前沿进入受扰线，串扰电压的上升沿约为0.035 µs。随着线束距离的增加，串扰电压减小，当线束距离2d从10 mm增大到50 mm时，串扰电压从240 mV减小到120 mV，衰减3 dB，串扰电压的频域能量集中在10 kHz左右。

图4 线束间距对串扰的影响

一般来说，接地平面上方的导线电容C可以用如下公式求出[8]：

式中 h为超过舱面的高度；d为导线的直径。根据本文线缆模型数据近似估算电容为4.55 pF。受扰线两端的端接负载约为70 Ω，根据电容的充放电公式：τ = RC，一般经过3τ ～5τ 的时间，电容将会充满电，计算得到5τ = 35 ns将会充满电，这个数值与图4中受扰线上的串扰电压达到峰值的时间基本吻合，验证了仿真模型的正确性。

2.1.2 不同端接负载的影响

运载火箭上测量系统设备包括传感器、总线、电源等。不同设备的阻抗值不同，比较典型的有：传感器的阻抗值一般为2～3 kΩ，总线类的阻抗值约为70 Ω 或120 Ω，模拟采编单元的阻抗约106 Ω，电源上一般会进行滤波，电容值一般为1～500 pF。仿真分析端接负载分别为电阻和电容2种情况的线间串扰，线束的其他仿真参数固定为l = 1 m，d2= 10 mm，h = 100 mm。

a）端接负载为电阻时，依次令电阻R为70 Ω，120 Ω，2 kΩ，3 kΩ和1000 kΩ，不同阻性负载的串扰响应如图5所示。

图5 阻性负载对串扰的影响

对比图2a中加载的激励与图5中产生的响应可知，瞬态激励中0.1 µs左右的上升沿产生串扰，串扰电压上升沿约为0.035 µs，受扰线电阻值的增加并没有对串扰时间造成影响。但串扰电压的幅值随着阻值的增大而升高，当阻值为70 Ω和120 Ω时，串扰电压约为0.2 V，但在千欧量级时串扰电压为0.7 V，而在兆欧量级可达1.4 V，表明该瞬态脉冲对运载火箭不同设备的干扰不同，串扰电压的频域分量主要集中在8 kHz。

b）端接负载为电容时，依次令电容为1 pF，100 pF，200 pF和500 pF，不同容性负载的串扰响应见图6。

图6 容性负载对串扰的影响

对比图2a加载的激励与图6产生的响应可知，瞬态激励在整个持续时间内对受扰线产生影响，并且电容值增大时，串扰电压幅值减小，电容为1 pF时，串扰电压为2 V，而电容为100 pF时，串扰电压约为0.3 V。串扰电压频域分量集中在0～8 kHz之间。对端接负载为电容的设备，供电线束内部的串扰影响将会在干扰的持续时间内一直存在，会在线上产生几百毫伏的串扰，但是考虑到电源设备一般会进行滤波，因此影响不会很大。

2.1.3 不同线束长度的影响

a）端接阻抗为电阻时，线束的其他仿真参数固定为h=100 mm，2d=10 mm，R=70 Ω，令线束长度l取1 m，2 m，5 m和10 m。图7为不同线长的串扰响应。

对比图2a与图7的瞬态激励可以看出，随着线缆长度的增加，瞬态干扰对受扰线的影响时间增加，长度从1 m增加到10 m时，串扰电压持续时间从0.1 µs增加到0.7 µs，串扰电压的上升沿从0.035 µs变化至0.05 µs，串扰电压值从200 mV增加到500 mV，其频率分量集中在4～6 kHz。由此可见，电源线束越长，内部邻近线缆/设备上受到瞬态干扰的影响越大。

图7 线长对串扰的影响（端接负载为阻性）

b）端接阻抗为电容时，线束的其他仿真参数固定为h = 100 mm，d2= 10 mm，C = 200 pF，改变线束长度l为1 m，2 m，5 m和10 m。不同线长的串扰响应如图8所示。

图8 线长对串扰的影响（端接负载为容性）

对比图2a与图8的瞬态激励可知，随着线缆长度的增加，串扰持续时间变长，周期性变得明显。线缆长度从1 m增加到10 m时，串扰电压持续时间从0.3 µs增加到1 µs，最大波形的上升沿从0.04 µs上升到0.1 µs。同时随着长度的增大，串扰电压峰值从0.3 V增加到1.4 V，串扰电压周期变长，其频率分量从8 kHz下降至2 kHz。瞬态干扰注入时，电源线束越长，串扰响应越强，作用时间越长。

2.2 供电线束对邻近线缆的串扰分析

2.2.1 不同间距的影响

分析作为干扰源的供电线束对于邻近线缆的干扰，仿真不同线束间距对串扰的影响。仿真参数设置为l = 1 m，h = 100 mm，R = 70 Ω，改变两线束间距d1分别为50 mm，100 mm，150 mm，200 mm和

250 mm，供电线束为编织屏蔽。图9为不同线束间距的串扰响应。

对比图2a与图9的瞬态激励波形可知，线束间距增加时串扰电压的波形持续时间从1.6 µs减小至1 µs，上升沿时间不变，约为0.09 µs，串扰电压不断减小，间距从50 mm变化至250 mm时，电压幅值从13 mV减小至3 mV。串扰电压频率分量较大值约为4 kHz。

可见，在运载火箭内，干扰线束对受扰线的串扰受线束间距的影响较大。

图9 线束间距对线束间串扰的影响

2.2.2 不同线型的影响

分析作为干扰源的供电线束对于邻近线缆的干扰，仿真受扰线为不同线型时对串扰的影响。各仿真参数保持不变，分析受扰线的类型为屏蔽线、双绞线、单线时的情况。不同线型的串扰响应如图10所示。

图10 线型对线束间串扰的影响

对比图2a与图10的瞬态激励波形可知，单线上产生的串扰电压峰值为110 mV，上升沿为0.03 µs，持续时间约0.3 µs，频率分量约为6 kHz，屏蔽线和双绞线串扰电压峰值约为11 mV，上升沿分别为0.080 µs和0.065 µs，持续时间为1 µs左右，频率分量集中在3 kHz左右。

对于本文研究的测量系统二次电源上电时产生的瞬态干扰，屏蔽线和双绞线相较于单线均有较好的干扰抑制作用。

3 瞬态干扰的影响分析与建议

本文测量了运载火箭测量系统中二次电源上电时的瞬态干扰，分析了该干扰对邻近设备/线缆产生的串扰，得到如下结论：

a）运载火箭测量系统二次电源在上电时产生的瞬态脉冲波形，持续时间约为4.3 ms，其频率分量在0～10 kHz之间。

b）端接负载为阻性时，在本文的设定参数下，测量的瞬态脉冲仅有部分快速上升沿会在邻近的线束线缆上产生串扰，随着阻值的增大，串扰电压幅值变大。串扰的频率分量基本在4～10 kHz间，幅值约为几十毫伏到几百毫伏。

c）端接负载为容性时，串扰的影响时间要远长于端接阻性负载，并随着负载的增大，串扰电压减小。邻近的线缆或设备，端接容性负载比端接阻性负载更易受到干扰，但串扰响应与受扰线内部传输的信号敏感程度有关，比如端接负载为120 Ω的总线，内部传输的高速数字信号对微弱的干扰信号较为敏感，如果没有外加屏蔽层，几百毫伏的串扰电压可能导致误操作或发出误指令。

d）运载火箭上没有任何屏蔽措施的单线非常容易受到二次电源上电的瞬态干扰影响，可以采用双绞线或屏蔽线来进行有效抑制，相比于没有抗干扰措施的单线，其抑制效果约为20 dB。

e）供电线束与邻近的设备或线束距离很近时，或使用较长的穿舱电缆时，其串扰电压较大，更容易受到供电线束上电波形的影响。

为了减小二次电源上电瞬态干扰对于邻近线缆及设备的影响，结合仿真结果，对运载火箭的线缆布线以及选型提出以下建议：

a）在供电线束内部，靠近电源线（干扰线）的线束，或者端接负载为容性的线缆，可以采用增加屏蔽、选用双绞线的方式减小串扰；

b）在供电线束内部，某些较长的穿舱线缆可以通过多点接地的方式，来相对减少耦合线缆的长度，减小串扰；

c）在供电线束之间，串扰响应对线束的间距很敏感，通过对图10的分析可以看出，将敏感线束通过增加横向的水平距离1d或者减小高度h，都可以有效减少串扰。

4 结束语

本文对运载火箭测量系统二次电源上电时产生的瞬态干扰波形进行测量，并对邻近线束及设备的串扰响应仿真。测量结果得到瞬态干扰的时域数据，并通过傅立叶变换得到相关的频域信息。通过仿真得到该瞬态干扰对于邻近线束线缆和设备在线束间距、线束长度、端接负载以及线缆类型不同的情况下的串扰响应。本文对运载火箭线缆线束的布线以及选型有一定的指导作用，可以为运载火箭舱内电子、电气设备抗干扰设计提供参考。

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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，助理工程师，主要研究方向为瞬态干扰特性分析及抑制技术