火箭無線系統(tǒng)電磁兼容性研究

周 萍,宋永生,陳志紅,李 帆,呂英華

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076；2.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,北京 100876)

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火箭無線系統(tǒng)電磁兼容性研究

周 萍1，2,宋永生1,陳志紅1,李 帆1,呂英華2

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076；2.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,北京 100876)

無線系統(tǒng)作為火箭的關(guān)鍵分系統(tǒng)，其電磁兼容性制約了火箭的可靠性。以某固體火箭為例，通過仿真分析研究了天線的電磁輻射特性、無線設(shè)備間的耦合程度以及裝艙后系統(tǒng)整體的電場(chǎng)分布，分析結(jié)果預(yù)示系統(tǒng)可能存在電磁不兼容趨勢(shì)?；诜抡娼Y(jié)果，設(shè)計(jì)實(shí)施了單機(jī)電磁兼容性驗(yàn)證試驗(yàn)、桌面散態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)(不含火箭結(jié)構(gòu)影響因素)和系統(tǒng)匹配試驗(yàn)(含火箭結(jié)構(gòu)影響因素)，分別從設(shè)備級(jí)、桌面散態(tài)(分系統(tǒng))級(jí)和全系統(tǒng)級(jí)依次驗(yàn)證了無線系統(tǒng)的電磁兼容性，得到了該火箭無線系統(tǒng)滿足電磁兼容的結(jié)論。通過仿真與試驗(yàn)的結(jié)合，形成了火箭無線系統(tǒng)電磁兼容性研究方法。結(jié)果表明，研究方法可行，且具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，可為復(fù)雜系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供參考。

火箭；無線系統(tǒng)；電磁兼容；可靠性

0 引言

火箭系統(tǒng)的電磁兼容性是指其在全壽命期所處的電磁環(huán)境中正常工作的能力。作為火箭關(guān)鍵分系統(tǒng)的無線系統(tǒng)，其電磁兼容性制約了火箭的可靠性。近年來，隨著火箭輕便化、小型化設(shè)計(jì)的普及，使得火箭構(gòu)造日趨復(fù)雜，艙內(nèi)布局空間狹小，儀器設(shè)備安裝密集，造成無線系統(tǒng)電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁兼容問題凸顯。從電磁兼容角度分析，火箭無線系統(tǒng)存在以下問題[1-2]：(1)無線系統(tǒng)發(fā)射天線上箭安裝后，由于火箭材料、結(jié)構(gòu)及設(shè)備布局的影響，會(huì)使天線輻射方向發(fā)生改變，波束范圍部分覆蓋到其他設(shè)備的波束范圍，造成信號(hào)的偽發(fā)射或偽接收；(2)由于火箭艙內(nèi)布局空間的約束，多臺(tái)收發(fā)設(shè)備在狹小的空間共存，使設(shè)備之間極易產(chǎn)生電磁干擾，甚至影響其他分系統(tǒng)的電磁敏感設(shè)備；(3)無線系統(tǒng)各收發(fā)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，不同收發(fā)設(shè)備的電磁信號(hào)量級(jí)及形式不同，造成電場(chǎng)分布不平均；(4)無線系統(tǒng)工作時(shí)，不同發(fā)射頻點(diǎn)不同調(diào)制方式的信號(hào)易產(chǎn)生非線性作用，形成亂真信號(hào)、諧波信號(hào)、交調(diào)信號(hào)和互調(diào)信號(hào)，對(duì)正常傳輸信號(hào)造成干擾；(5)箭上無線系統(tǒng)工作時(shí)形成的復(fù)雜電磁環(huán)境可能會(huì)影響火箭測(cè)量、控制、收星、定位等功能，對(duì)火箭可靠性和安全性造成不良影響?；谏鲜龇N種問題，開展火箭無線系統(tǒng)的電磁兼容性研究十分必要。

美國(guó)是最早開啟電磁仿真預(yù)測(cè)技術(shù)研究的國(guó)家，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)、間電磁效應(yīng)分析的程序，其中SEMCAP(系統(tǒng)間電磁兼容分析程序)曾應(yīng)用于阿波羅載人飛船、先鋒號(hào)-木星飛船等系統(tǒng)。前蘇聯(lián)、德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)等也都先后開展了相應(yīng)的研究[3]。近幾十年，國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的相關(guān)研究院所圍繞型號(hào)需求，開展了電磁仿真分析的研究。北京宇航系統(tǒng)工程研究所開展的運(yùn)載器仿真研究涉及電場(chǎng)輻射強(qiáng)度分析、空間耦合性能分析、頻率干擾分析、線纜耦合分析、雷電效應(yīng)分析等。中國(guó)空間技術(shù)研究院與國(guó)防科技大學(xué)合作開發(fā)的“電磁輻射發(fā)射預(yù)測(cè)分析應(yīng)用軟件”，用于計(jì)算分析航天器上天線之間的耦合性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也圍繞衛(wèi)星平臺(tái)開展了衛(wèi)星射頻系統(tǒng)諧波、互調(diào)等非線性干擾的仿真分析研究。

在試驗(yàn)方面，美國(guó)于20世紀(jì)60年代就開展了電磁兼容試驗(yàn)研究，并于1967年就推出了專門用于軍用系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，并成為國(guó)際上參考最多的電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一。歐盟等國(guó)在此基礎(chǔ)上也紛紛制定不同類型的電磁兼容試驗(yàn)規(guī)范。我國(guó)于20世紀(jì)80年代推出了軍用系統(tǒng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，規(guī)范了軍用系統(tǒng)的電磁兼容試驗(yàn)工作。

本文以某固體火箭為例，對(duì)無線系統(tǒng)天線裝艙前后的電磁特性參數(shù)、設(shè)備間的電磁耦合程度和裝艙后的系統(tǒng)整體電場(chǎng)分布分別進(jìn)行了仿真分析，對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估；而后基于仿真預(yù)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)并實(shí)施無線系統(tǒng)電磁兼容性驗(yàn)證試驗(yàn)，分別從單機(jī)性能、桌面散態(tài)(不含箭體結(jié)構(gòu)影響因素)和全系統(tǒng)(含箭體結(jié)構(gòu)影響因素)逐層驗(yàn)證了系統(tǒng)的電磁兼容性。通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了固體火箭無線系統(tǒng)的電磁兼容性。

1 火箭無線系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)思路

考慮到可能存在的干擾源和抗干擾的薄弱環(huán)節(jié)，在進(jìn)行火箭無線系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，為抑制電磁干擾，實(shí)現(xiàn)電磁兼容，需遵循以下思路。

(1)單機(jī)電路設(shè)計(jì)思路。在進(jìn)行單機(jī)電路設(shè)計(jì)時(shí)，按照電平等級(jí)分類進(jìn)行隔離，以減少元器件之間的干擾；采用平衡對(duì)稱電路、濾波電路以減少干擾信號(hào)；對(duì)感性負(fù)載加消反峰電路。

(2)天線設(shè)計(jì)思路。通過共載體天線布局及天線衍射電磁特性分析，確定天線布局；在天線和低噪聲放大器之間使用低插入損耗的帶通濾波器。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。設(shè)備與火箭結(jié)構(gòu)各部件之間應(yīng)具有良好的電接觸，確保電氣連續(xù)；儀器外殼與箭體外殼相連，使儀器外殼成為良好的屏蔽罩；敏感器件外殼盡量采用屏蔽涂層處理。

(4)空間布局思路。在進(jìn)行箭上電氣設(shè)備布局安裝位置設(shè)計(jì)時(shí)，在保證性能的前提下，應(yīng)使干擾源、敏感設(shè)備及其電纜在空間上盡量相對(duì)隔離，且隔離的越遠(yuǎn)越好。

按照以上的設(shè)計(jì)思路，完成設(shè)計(jì)的無線系統(tǒng)已能夠很大程度地回避或抑制電磁干擾，但是由于近年來固體火箭在質(zhì)量控制、材料選型、結(jié)構(gòu)布局等方面的限制愈加嚴(yán)格，使得無線系統(tǒng)布局空間更為緊湊、電磁環(huán)境更為復(fù)雜。因此，系統(tǒng)仍會(huì)存在電磁兼容性隱患，還需要采用一定的方法對(duì)完成設(shè)計(jì)后的火箭無線系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性研究與驗(yàn)證。

2 火箭無線系統(tǒng)電磁兼容性仿真分析

考慮到實(shí)際情況，火箭無線系統(tǒng)主要安裝于控制艙或儀器艙中，其他結(jié)構(gòu)對(duì)無線系統(tǒng)電磁兼容性不會(huì)產(chǎn)生太大影響，因此僅選取火箭無線系統(tǒng)的安裝艙段，按照1∶1的結(jié)構(gòu)尺寸在仿真平臺(tái)中建立艙體模型，艙體外殼設(shè)置為金屬鋁材料，外部按照真實(shí)布局情況預(yù)留無線系統(tǒng)收發(fā)天線布局位置。考慮到天線安裝、設(shè)備組成及整體布局對(duì)系統(tǒng)電磁兼容性可能產(chǎn)生的影響，仿真將從這些角度出發(fā)，分析系統(tǒng)的電磁特性。

2.1 天線安裝影響仿真分析

完成天線上箭安裝后，由于火箭結(jié)構(gòu)、天線布局等因素的影響，會(huì)使天線固有的電磁特性發(fā)生改變。仿真時(shí)，按照真實(shí)情況在平臺(tái)中設(shè)計(jì)了幾款S波段無線收發(fā)天線。以某S波段遙測(cè)發(fā)射天線為例，給出天線安裝影響的仿真分析結(jié)果。按照要求，該遙測(cè)發(fā)射天線采用線極化方式，發(fā)射功率設(shè)置為1 W，端口阻抗為50 Ω。天線輻射特性仿真結(jié)果見圖1。從圖1可看出，該遙測(cè)發(fā)射天線在未上箭安裝時(shí)的最大增益為1.1 dB，最大輻射方向3 dB波束寬度為174.3°，距離天線口徑1 m處的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度約為15.7 dBV/m。在天線安裝在艙體上以后，最大增益變?yōu)?.2 dB，最大輻射方向3 dB波束寬度變?yōu)?.2°，距離天線口徑1 m處的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度變?yōu)?2.2 dBV/m。天線上箭安裝前后，方向圖和波束范圍發(fā)生明顯變化，天線增益和輻射強(qiáng)度也發(fā)生一定改變。由此可確定天線安裝會(huì)影響其固有特性。

(a) 裝艙前

(b) 裝艙后

2.2 設(shè)備組成影響仿真分析

無線系統(tǒng)設(shè)備在箭上同時(shí)工作時(shí)，由于設(shè)備之間的組成形式和布置距離的不同，易在設(shè)備之間形成互耦，耦合示意圖見圖2。一般用耦合度來衡量設(shè)備之間的耦合情況，耦合度的大小決定了設(shè)備間相互干擾的強(qiáng)弱。設(shè)備間的耦合度可以用下面的公式表示[6]。

ptm=pt-Lm-lm

(1)

(2)

(3)

S=Pt-Pr

(4)

式中ptm為第m副發(fā)射天線產(chǎn)生的功率值，dBW；Pt為無線發(fā)射系統(tǒng)的輸出總功率值，dBW；Pr為無線接收系統(tǒng)的耦合的總功率值，dBW；Lm為發(fā)射功分器系數(shù),dB；lm為發(fā)射機(jī)到第m副發(fā)射天線線纜的損耗值，dB；prn為第n副接收天線接收到的功率值，dBW；Snm為第m副發(fā)射天線與第n副接收天線之間的耦合度，dB；Ln為接收功分器系數(shù)，dB；ln為接收機(jī)到第n副接收天線線纜的損耗值，dB；S為2臺(tái)收發(fā)設(shè)備之間的耦合度，dB。

對(duì)于只考慮1臺(tái)發(fā)射設(shè)備和1臺(tái)接收設(shè)備的情況，可簡(jiǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)耦合問題，上面的公式就可簡(jiǎn)化為如下形式:

(5)

式中S12為發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備之間的耦合度，dB；P1為發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的功率值，dBW；P2為接收設(shè)備接收到的功率值， dBW。

圖2 無線系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備空間耦合示意圖

以由2臺(tái)發(fā)射裝置和1臺(tái)接收裝置所構(gòu)成的2對(duì)收發(fā)設(shè)備組合為例，按照設(shè)備在真實(shí)火箭內(nèi)部的連接情況，計(jì)算2對(duì)收發(fā)設(shè)備之間的耦合度，見圖3所示。

(a) 設(shè)備1

(b) 設(shè)備2

從圖3可看出，收發(fā)設(shè)備1在某一頻點(diǎn)附近耦合度為-70 dB，明顯低于收發(fā)設(shè)備2的在相同頻點(diǎn)處-24 dB的耦合度。證明在該頻點(diǎn)處，收發(fā)設(shè)備1之間的耦合程度較弱，收發(fā)設(shè)備2之間的耦合程度較強(qiáng)，初步判定收發(fā)設(shè)備1之間構(gòu)成電磁干擾的可能性很小，而收發(fā)設(shè)備2之間構(gòu)成電磁干擾的可能性較大。圖中由于得到耦合度值的對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)屬于火箭無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)敏感參數(shù)，因此圖中不對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注。

2.3 整體布局影響仿真分析

在進(jìn)行整體布局影響分析時(shí)，需要將收發(fā)設(shè)備按照真實(shí)連接關(guān)系和空間布局情況設(shè)置于艙體模型中，通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合電磁特性仿真，可觀察系統(tǒng)的整體布局是否合理，評(píng)估無線系統(tǒng)能否滿足電磁兼容。

考慮到無線系統(tǒng)設(shè)備在箭上工作時(shí)會(huì)在有限空間內(nèi)不同形式不同功率的電磁信號(hào)，造成電場(chǎng)分布不平均的現(xiàn)象。本文在進(jìn)行整體布局影響分析時(shí)，主要關(guān)心無線系統(tǒng)工作時(shí)在火箭艙體上的電場(chǎng)分布情況。圖4分別給出了2臺(tái)對(duì)外產(chǎn)生1 W功率的發(fā)射設(shè)備在火箭艙體一、三象限對(duì)稱布局時(shí)，艙體不同剖面的電場(chǎng)分布情況[7]。

(a)一象限最高場(chǎng)強(qiáng)50 V/m (b)一象限最高場(chǎng)強(qiáng)20 V/m

(c) 一象限最高場(chǎng)強(qiáng)10 V/m (d) 三象限最高場(chǎng)強(qiáng)50 V/m

(e)三象限最高場(chǎng)強(qiáng)20 V/m (f)三象限最高場(chǎng)強(qiáng)10 V/m

從圖4可看出，當(dāng)無線系統(tǒng)設(shè)備工作，艙體存在不均勻的電場(chǎng)分布，最大電場(chǎng)輻射強(qiáng)度達(dá)到50 V/m，部分位置輻射強(qiáng)度較高，對(duì)于靈敏度低的接收設(shè)備可能會(huì)造成電磁干擾。

2.4 仿真研究總結(jié)

通過仿真可看出，天線安裝、設(shè)備組成和整體布局都會(huì)影響系統(tǒng)的電磁特性。本文所建立的艙體模型和設(shè)備模型均參照真實(shí)火箭設(shè)計(jì)，模型結(jié)構(gòu)尺寸為實(shí)物的等比例模擬，只是為了便于仿真計(jì)算，對(duì)部分不影響電磁特性的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，得到的仿真結(jié)果基本能夠反映真實(shí)火箭無線系統(tǒng)的電磁兼容趨勢(shì)。

對(duì)于該固體火箭而言，天線電磁特性參數(shù)在裝艙前后發(fā)生改變，個(gè)別收發(fā)設(shè)備之間存在一定的電磁耦合，艙體個(gè)別位置存在高達(dá)50 V/m的電場(chǎng)輻射，無線系統(tǒng)電場(chǎng)分布不平衡，可能存在電磁不兼容的趨勢(shì)[8-11]。

3 火箭無線系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證

仿真無法給出系統(tǒng)是否滿足電磁兼容的確定性結(jié)論，因此就需要開展驗(yàn)證對(duì)系統(tǒng)的真實(shí)性能加以驗(yàn)證?？紤]到火箭無線系統(tǒng)的組成、位置、布局等因素，進(jìn)行系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見圖5[12]。

圖5 電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵單機(jī)電磁兼容驗(yàn)證試驗(yàn)

收發(fā)設(shè)備單機(jī)性能制約了火箭無線系統(tǒng)的整體性能。按照?qǐng)D5所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)項(xiàng)目分別進(jìn)行亂真無用信號(hào)測(cè)試、互調(diào)信號(hào)發(fā)射測(cè)試、交調(diào)信號(hào)發(fā)射測(cè)試、電磁輻射發(fā)射測(cè)試和電磁敏感度測(cè)試，具體試驗(yàn)方法和量級(jí)(極限值)參考了GJB 151A—97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》和GJB 152A—97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量》中CS103、CS104、CS105、RE102和RS103這個(gè)對(duì)應(yīng)的描述[4-5]。

通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了無線系統(tǒng)關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備的電磁兼容性，在亂真無用信號(hào)、互調(diào)信號(hào)、交調(diào)信號(hào)和諧波信號(hào)發(fā)射抑制及敏感度方面性能較好，在外界存在20 V/m電場(chǎng)輻射的環(huán)境中能夠正常工作，不會(huì)產(chǎn)生故障或性能降級(jí)(20 V/m為標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于空間設(shè)備設(shè)定的試驗(yàn)量級(jí))。但是，在電磁輻射發(fā)射試驗(yàn)中，參試設(shè)備在10 kHz～18 GHz均存在不同程度的輻射超標(biāo)(極限值曲線按照空間設(shè)備進(jìn)行選取)。這就表明，當(dāng)無線收發(fā)設(shè)備全部放置在一起時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的電磁輻射環(huán)境，當(dāng)環(huán)境強(qiáng)度低于20 V/m時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電磁兼容，若超出20 V/m的試驗(yàn)量級(jí)，就有可能會(huì)造成電磁干擾，若考慮設(shè)備組合后的影響就需要進(jìn)行系統(tǒng)桌面散態(tài)試驗(yàn)。

3.2 系統(tǒng)桌面散態(tài)電磁兼容試驗(yàn)

系統(tǒng)桌面散態(tài)試驗(yàn)，即將火箭全部電氣設(shè)備(含無線系統(tǒng)設(shè)備)按照在火箭上的大體布局在試驗(yàn)桌面上平鋪放置，考核全系統(tǒng)的電磁兼容性。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)射裝置需開啟全功率模式發(fā)射模式，接收裝置開啟信號(hào)接收模式，同時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備工作時(shí)的性能。對(duì)于無線系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，主要為 10 kHz～18 GHz電磁輻射發(fā)射測(cè)試(試驗(yàn)方法參考RE102)和20 V/m量級(jí)的電場(chǎng)敏感度測(cè)試(試驗(yàn)方法參考RS103)。

在電磁輻射發(fā)射測(cè)試中，首先保持全部無線收發(fā)設(shè)備處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，使用電磁兼容試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試背景電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，然后再按照火箭飛行工作狀態(tài)開啟無線系統(tǒng)設(shè)備，進(jìn)行工作狀態(tài)下的電磁輻射發(fā)射測(cè)試。測(cè)試后，將測(cè)試數(shù)據(jù)與背景環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，即可判斷是否存在較大的電磁發(fā)射。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無線設(shè)備開啟后，100 kHz～100 MHz的電磁信號(hào)與背景環(huán)境相比整體提升了約25 dB，而無線系統(tǒng)設(shè)備主要工作在S波段，因此不是產(chǎn)生低頻電磁發(fā)射的主因，這部分的發(fā)射可能與電源、電纜泄露有關(guān)。在1～18 GHz頻段上，可明顯發(fā)現(xiàn)在個(gè)別點(diǎn)頻上存在較高發(fā)射，這正是無線系統(tǒng)S波段的遙測(cè)發(fā)射信號(hào)。試驗(yàn)過程中，除個(gè)別接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變以外，各設(shè)備工作性能正常。

在電場(chǎng)輻射敏感度測(cè)試中，在無線系統(tǒng)附近位置施加20 V/m外界電場(chǎng)，使無線設(shè)備在此環(huán)境中同時(shí)工作。通過監(jiān)測(cè)設(shè)備性能，發(fā)現(xiàn)屬于無線系統(tǒng)的脈沖應(yīng)答機(jī)在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了幾次誤響應(yīng)，經(jīng)過后期排查分析，確認(rèn)此問題屬于該設(shè)備自身的設(shè)計(jì)裕度問題，不會(huì)影響系統(tǒng)整體的性能，不屬于設(shè)備性能降級(jí)或故障。除此以外，其他收發(fā)設(shè)備均未出現(xiàn)問題。

由此，經(jīng)過桌面散態(tài)試驗(yàn)可判斷無線系統(tǒng)各設(shè)備在完成連接之后，同時(shí)工作時(shí)性能正常，未出現(xiàn)系統(tǒng)整體性能降級(jí)的現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁兼容。

3.3 系統(tǒng)裝艙狀態(tài)匹配試驗(yàn)

桌面散態(tài)試驗(yàn)可驗(yàn)證設(shè)備組成之后的電磁兼容性，而系統(tǒng)裝艙狀態(tài)下的匹配試驗(yàn)則能夠在包含火箭結(jié)構(gòu)、材料及設(shè)備空間布局等因素的條件下，真實(shí)驗(yàn)證火箭無線系統(tǒng)整體的電磁兼容性。

系統(tǒng)匹配試驗(yàn)分為地面狀態(tài)系統(tǒng)匹配測(cè)試和吊掛狀態(tài)系統(tǒng)匹配測(cè)試2部分，前者是將安裝有無線系統(tǒng)設(shè)備的火箭艙段垂直放置于地面，模擬火箭發(fā)射待飛姿態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)匹配和電磁環(huán)境測(cè)試；后者是將火箭試驗(yàn)艙段懸空吊掛，模擬火箭發(fā)射后在空中飛行時(shí)的不同姿態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)匹配和電磁環(huán)境測(cè)試。通過試驗(yàn)結(jié)果，判斷完成裝配后的無線系統(tǒng)是否電磁兼容。由于火箭其他艙段結(jié)構(gòu)對(duì)無線系統(tǒng)的電磁兼容性影響不大，因此出于便于實(shí)施的目的，這里也僅選取無線系統(tǒng)安裝艙段作為試驗(yàn)對(duì)象。

3.3.1 地面狀態(tài)系統(tǒng)匹配測(cè)試

進(jìn)行地面狀態(tài)系統(tǒng)匹配測(cè)試時(shí)，參試艙段垂直放置于地面，使用固體設(shè)備支撐。在艙體上設(shè)置電場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)點(diǎn)，放置電場(chǎng)傳感器，測(cè)試無線系統(tǒng)工作時(shí)的綜合電場(chǎng)強(qiáng)度，在距離艙體5 m處放置電磁輻射接收天線測(cè)試無線系統(tǒng)工作時(shí)的電磁環(huán)境，同時(shí)通過在地面運(yùn)行收星檢查流程進(jìn)行系統(tǒng)匹配，監(jiān)測(cè)無線系統(tǒng)設(shè)備性能和火箭收星定位情況。測(cè)試布局見圖6所示。

圖6 地面支撐狀態(tài)試驗(yàn)布局圖

通過試驗(yàn)，放置于2個(gè)位置處的電場(chǎng)探頭探測(cè)到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為33 V/m和50 V/m，這與上一章關(guān)于整體布局影響仿真分析中得到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度趨勢(shì)一致。在幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)頻也測(cè)到了無線設(shè)備的發(fā)射信號(hào)。除個(gè)別接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變以外，系統(tǒng)整體性能正常，未出現(xiàn)不兼容的現(xiàn)象。

3.3.2 吊掛狀態(tài)系統(tǒng)匹配測(cè)試

分別將試驗(yàn)艙段距離地面5 m以上懸空吊掛，按照火箭典型飛行姿態(tài)將吊掛狀態(tài)分別設(shè)置為垂直吊掛、水平吊掛和傾斜吊掛。在此狀態(tài)下，將無線系統(tǒng)開啟工作，測(cè)試無線系統(tǒng)工作時(shí)的綜合電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)通過在地面運(yùn)行收星檢查流程進(jìn)行系統(tǒng)匹配，監(jiān)測(cè)無線系統(tǒng)設(shè)備性能和火箭收星定位情況。測(cè)試布局圖見圖7。

(a) 垂直、傾斜

(b) 水平

通過試驗(yàn)，放置于2個(gè)位置處的電場(chǎng)探頭探測(cè)到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度均為50 V/m左右，這與上一章關(guān)于整體布局影響仿真分析中得到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度趨勢(shì)一致。除個(gè)別接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變以外，系統(tǒng)整體性能正常，未出現(xiàn)不兼容的現(xiàn)象。

3.4 試驗(yàn)研究總結(jié)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然在系統(tǒng)個(gè)別位置測(cè)到了較大的電場(chǎng)輻射，但通過對(duì)系統(tǒng)性能檢查結(jié)果看，未出現(xiàn)整體性能降級(jí)的現(xiàn)象，可認(rèn)為該火箭無線系統(tǒng)滿足電磁兼容。

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值仿真，分析了無線系統(tǒng)的電磁特性，發(fā)現(xiàn)天線在裝艙前后的輻射特性參數(shù)發(fā)生變化，設(shè)備間的耦合程度隨距離遠(yuǎn)近有很大的差別，受艙體布局影響系統(tǒng)整體電場(chǎng)分布不平衡，個(gè)別部位出現(xiàn)最大50 V/m的電場(chǎng)強(qiáng)度，給出系統(tǒng)可能存在電磁不兼容趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

(2)驗(yàn)證試驗(yàn)中，針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)完成了電磁兼容試驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從單機(jī)級(jí)、桌面散態(tài)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)不同角度逐層驗(yàn)證系統(tǒng)的電磁兼容性。在無線系統(tǒng)設(shè)備同時(shí)工作的情況下，測(cè)得S波段的遙測(cè)發(fā)射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)艙體部分位置確實(shí)存在50 V/m左右的輻射電場(chǎng)，除個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)可允許的的失誤以外，未出現(xiàn)影響系統(tǒng)整體性能降級(jí)的現(xiàn)象。

(3)結(jié)合仿真與試驗(yàn)結(jié)果，可判斷該火箭無線系統(tǒng)滿足電磁兼容。同時(shí)，由此形成的研究方法可行，研究結(jié)果可靠，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，可為復(fù)雜系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供參考。

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(編輯：呂耀輝)

Research on electromagnetic compatibility for wireless system of rocket

ZHOU Ping1,2, SONG Yong-sheng1, CHEN Zhi-hong1, LI Fan1, LV Ying-hua2

(1.Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing 100076, China；2. School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Communications, Beijing 100876, China)

As the key function subsystem, the electromagnetic compatibility (EMC) performance of wireless system directly restrictes the reliability of rocket. To investigate the EMC performance of wireless system of solid rocket, a research method was made. Firstly, the electromagnetic radiation characteristic of antenna, the coupling degree between wireless devices, and the whole E-field distribution of the system were respectively simulative analyzed. Then based on the simulation results, a prediction of the system having not achieve EMC was made. Secondly, a series of EMC tests of system were designed, including EMC validate tests, the tabletop dispersedly system EMC test (without the influence of configuration), and the system matching tests. The implement of these tests respectively validated the EMC performance of system at device level, tabletop (subsystem) level and system level. Based on the test results, a conclusion that the system is EMC was obtained. Combined with the simulation and test results, the method is confirmed to be feasible, and valuable for engineering application，and is applicable for EMC design and validation of complicated system.

rocket；wireless system；electromagnetic compatibility；reliability

2014-11-25；

2015-02-02。

國(guó)家“十二五”重點(diǎn)攻關(guān)課題。

周萍(1984—)，女，博士生，研究方向?yàn)楹教爝\(yùn)載器電磁環(huán)境效應(yīng)。E-mail:ana0072@163.com

V528;TJ7

A

1006-2793(2015)03-0433-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.026