抑制星上穿艙電纜電磁泄漏的包覆工藝技術(shù)

郝佳，張名毅，丁勤，周傳君，魏澤軍，楊爭光

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抑制星上穿艙電纜電磁泄漏的包覆工藝技術(shù)

郝佳，張名毅，丁勤，周傳君，魏澤軍，楊爭光

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

對(duì)于某些裝配有高靈敏度設(shè)備的衛(wèi)星，其艙內(nèi)設(shè)備的非期望輻射發(fā)射通過穿艙電纜、過孔等耦合到艙外，被高靈敏度設(shè)備在衛(wèi)星艙外的天線接收，可能干擾高靈敏度設(shè)備對(duì)正常信號(hào)的接收。文章提出了抑制衛(wèi)星穿艙電纜電磁泄漏的包覆及過孔封堵的方案，同時(shí)進(jìn)行了包覆方法研究和效果分析，驗(yàn)證了該方案可以減小穿艙電纜和穿艙孔的電磁輻射泄漏對(duì)接收系統(tǒng)的影響，使衛(wèi)星的電磁兼容性得到改善。

穿艙電纜；電磁泄漏；包覆；封堵；電磁兼容性

0 引言

高、低頻電纜是衛(wèi)星上的通用關(guān)鍵組件，用來連接器上的電子儀器設(shè)備。為滿足各種設(shè)備正常工作以及某些設(shè)備的特殊安裝要求，需要將不同的設(shè)備安裝在艙段內(nèi)、外的特定位置，一些設(shè)備間的高、低頻電纜需要穿艙連接，這就要在衛(wèi)星本體上開孔以提供電纜的穿艙路徑[1]。

目前，對(duì)某些裝有高靈敏度設(shè)備的衛(wèi)星來說，在EMC試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，穿艙電纜可能將艙內(nèi)設(shè)備的電場(chǎng)輻射耦合到艙外，被高靈敏度載荷系統(tǒng)在艙外的天線接收[2]，某些頻段的噪偏高，頻譜分量復(fù)雜，形成了各種干擾譜線，從而影響設(shè)備對(duì)正常信號(hào)的接收[3]。因此，需找到一種抑制衛(wèi)星穿艙電纜電磁泄漏的方法，以減小其對(duì)接收系統(tǒng)的影響，使衛(wèi)星電磁兼容性得到改善。

1 機(jī)理分析及方案設(shè)計(jì)

1.1 電磁干擾源及傳播途徑分析

衛(wèi)星在進(jìn)行EMC試驗(yàn)時(shí)，載荷系統(tǒng)接收到較多的非期望信號(hào)，原因可能有2種：測(cè)試環(huán)境問題和衛(wèi)星自身兼容性問題。如果是環(huán)境中存在這些非期望信號(hào)，在衛(wèi)星不開機(jī)狀態(tài)下載荷同樣能夠收到，而經(jīng)測(cè)試并未發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)，可排除試驗(yàn)室背景噪聲原因。衛(wèi)星自身兼容性問題又分為傳導(dǎo)發(fā)射問題和輻射發(fā)射問題，可通過無線和有線測(cè)試狀態(tài)對(duì)比的方法進(jìn)行排查。如整星經(jīng)過較長時(shí)間有線測(cè)試后，未發(fā)現(xiàn)EMC試驗(yàn)中的非期望信號(hào)，可以認(rèn)為試驗(yàn)時(shí)觀察到的非期望信號(hào)不是經(jīng)電纜線傳導(dǎo)發(fā)射進(jìn)入載荷接收系統(tǒng)的，而很有可能為設(shè)備使用電纜直接向空間輻射后由天線接收，最后進(jìn)入接收系統(tǒng)的。

通過對(duì)試驗(yàn)室非期望信號(hào)進(jìn)行仔細(xì)分析及相關(guān)載荷設(shè)備驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)了干擾源主要來自于載荷艙設(shè)備及電纜本身。對(duì)設(shè)備間連接電纜采用金屬鍍層熱控薄膜包覆或屏蔽布進(jìn)行屏蔽處理對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電纜包覆前問題復(fù)現(xiàn)明顯，電纜包覆后干擾譜線顯著減少。因此，可以確認(rèn)通過設(shè)備間的電纜輻射是干擾的主要傳播途徑。

對(duì)電纜過孔進(jìn)行封堵處理對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)基本解決了干擾問題。因此輻射發(fā)射的另一個(gè)可能途徑是星體艙壁的操作孔或電纜過孔。當(dāng)孔的長度達(dá)到/2時(shí)（不管孔的寬度），就會(huì)成為一種非設(shè)計(jì)的天線，即調(diào)諧偶極子，把內(nèi)部的能量全部重新輻射出去，甚至?xí)憩F(xiàn)出很小的增益（約3dB）。但是這種輻射能力會(huì)隨著孔長度的減小而急劇衰減。其衰減量（dB）[4]為

≈100-20lg-20lg+20lg[1+2.3lg(/)]+30/，

(＜2)， (1)

式中：為孔的長度，mm；為電磁輻射頻率，MHz；為孔的寬度，mm；為孔的深度，mm；為頻率對(duì)應(yīng)的波長，mm。式(1)的前3項(xiàng)表示孔的反射損耗，由入射波阻抗和孔縫阻抗失配引起；第4項(xiàng)是孔縫的“肥胖因子”，用于考慮的影響；最后1項(xiàng)是導(dǎo)行波衰減項(xiàng)。

根據(jù)上述試驗(yàn)工作和機(jī)理分析，明確了干擾源來自于衛(wèi)星系統(tǒng)，特別是載荷艙設(shè)備。由于航天器艙內(nèi)設(shè)備的非期望輻射發(fā)射缺少良好的自身抑制，在設(shè)備的電纜上產(chǎn)生了共模電流。且共模電流方向相同，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)互相疊加，通常幅度比差模電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí)的共模電流就可以產(chǎn)生相同幅度的輻射場(chǎng)。共模電流產(chǎn)生的輻射發(fā)射在穿艙孔洞邊緣和穿艙電纜上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流[5]，該電流產(chǎn)生二次輻射到航天器外，被接收天線收到，最后進(jìn)入接收系統(tǒng)，造成各種干擾譜線，從而影響設(shè)備對(duì)正常信號(hào)的接收，使整星電磁兼容性受到影響。

1.2 抑制電磁泄漏方案設(shè)計(jì)

對(duì)照處理電磁兼容性問題的基本原則，干擾源、干擾傳播途徑定位后，主要解決方案為抑制干擾源的發(fā)射，切斷干擾傳播途徑[6]?？梢詮膯螜C(jī)層面及系統(tǒng)層面分別進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于單機(jī)設(shè)備[7]，通過改善模塊間電纜綁扎、增加濾波網(wǎng)絡(luò)、實(shí)施多點(diǎn)接地，設(shè)備內(nèi)部模塊分離以增加屏蔽效果等方法，可從設(shè)備本體減少一定的電磁輻射。

系統(tǒng)層面在整星總裝過程中，考慮到星上結(jié)構(gòu)緊湊，增加隔板的方案可行性較差，因此擬采取以下3種方案：第一，包覆載荷艙電纜（包括高、低頻電纜）、并對(duì)包覆薄膜雙端進(jìn)行接地處理，包覆材料有金屬鍍層的熱控薄膜；第二，采用法蘭盤解決高頻電纜穿艙問題，同時(shí)用金屬鍍層的熱控薄膜材料封堵縫隙；第三，封堵其他星體結(jié)構(gòu)板處開孔。

按照式(1)，結(jié)合衛(wèi)星上的各種孔縫進(jìn)行理論分析，計(jì)算各種孔縫的遠(yuǎn)場(chǎng)衰減。

1）高頻電纜穿艙孔（60mm×20mm×20mm），=100-20lg60-20lg+20lg[1+2.3lg(60/20)]+30lg(20/60)=100-35-20lg+6-14=57-20lg。

2）低頻電纜穿艙孔（60 mm×60mm×20mm），=100-20lg60-20lg+20lg[1+2.3lg(60/60)]+30lg(20/60)=100-35-20lg+0-14=51-20lg。

3）艙板接縫（1000mm×2mm ×20mm），=100-20lg1000-20lg+20lg[1+2.3lg(1000/2)]+30lg(20/1000)=100-60-20lg+17-50=7-20lg。

4）操作孔（100mm×100mm ×20mm），=100-20lg100-20lg+20lg[1+2.3lg(100/100)]+30lg(20/100)=100-40-20lg+0-50=10-20lg。

由以上分析計(jì)算可知，艙板接縫和操作孔是最突出的泄漏孔縫，應(yīng)予以重點(diǎn)處理。低頻電纜和高頻電纜穿艙孔的孔縫本身的電磁泄漏相對(duì)較低，重點(diǎn)是對(duì)電纜進(jìn)行包覆處理。

2 包覆及封堵工藝

2.1 電纜包覆

2.1.1 高、低頻電纜包覆

對(duì)于簡單分支的高、低頻電纜，首先在每條剪裁好的金屬鍍層的熱控薄膜上打放氣孔，然后對(duì)整根電纜進(jìn)行包覆。薄膜沿著電纜由一端向另一端纏繞包覆，前后兩圈互疊寬度約為帶寬的45%～50%，露出放氣孔，包覆松緊適度。若薄膜長度不夠則允許搭接，搭接時(shí)注意保持薄膜間的電連續(xù)性。電纜插接后，在電纜的兩端繼續(xù)包覆金屬鍍層的熱控薄膜到設(shè)備表面的插座上[8]，并將薄膜固定。在電纜彎折處用3M膠帶包扎固定，防止縫隙出現(xiàn)。

對(duì)高頻電纜艙外部分，再用單面鍍鋁聚酯膠帶沿著電纜由天線一端向結(jié)構(gòu)板一端纏繞包覆，包至結(jié)構(gòu)板處時(shí)，將膠帶翻邊粘貼在結(jié)構(gòu)板上。

2.1.2 復(fù)雜多分支電纜包覆

對(duì)于有復(fù)雜分支的電纜，首先用兩面金屬鍍層的熱控薄膜在距分叉點(diǎn)約50mm處從每個(gè)分支逆向到主干包覆，在分叉點(diǎn)處盡量包覆嚴(yán)實(shí)，然后再沿主干向分支方向包覆，一直包覆到過分叉點(diǎn)約20mm處，繼續(xù)搭接薄膜，包覆分支，搭接要求同上。確保前后2段薄膜的鍍鋁面搭接牢固。

其余方法同低頻電纜包覆方法。

2.2 結(jié)構(gòu)過孔封堵

2.2.1 法蘭盤式封堵

采用安裝天線孔法蘭的方式，可縮小過孔尺寸、衰減輻射、減少泄漏。電纜從法蘭穿過后，在法蘭過孔上再逐層粘貼5層金屬鍍層熱控膠帶，可改善干擾影響。法蘭盤安裝效果見圖1。

圖1 法蘭盤安裝效果圖

2.2.2 多層薄膜式封堵

對(duì)于不便于安裝法蘭的電纜穿艙孔位置，電纜包覆后將包覆的金屬鍍層熱控薄膜搭接至結(jié)構(gòu)板，采取逐層粘貼5層金屬鍍層的熱控膠帶的方式進(jìn)行封堵（扎放氣孔），效果見圖2。對(duì)于星體結(jié)構(gòu)板上的精測(cè)孔、操作孔等，也采用此種方式。

圖2 穿艙孔薄膜封堵效果

2.3 檢驗(yàn)方法

2.3.1 高、低頻電纜包覆

高、低頻電纜包覆后，需對(duì)阻值、放氣孔、疏密度等進(jìn)行檢查。檢驗(yàn)方法如下：包覆前，對(duì)包覆材料阻值進(jìn)行測(cè)量，并檢查放氣孔。然后對(duì)電纜（線纜段）包覆后的阻值、疏密度及放氣孔進(jìn)行檢查。待兩端電連接器連接并包覆后，檢查薄膜與電連接器金屬殼體搭接情況并測(cè)量導(dǎo)通阻值；最后檢查電纜彎折處縫隙是否被封堵。對(duì)于低頻多分支電纜，須逐一測(cè)量每段分支的導(dǎo)通阻值。

2.3.2 過孔封堵

過孔封堵后，對(duì)阻值、放氣孔等進(jìn)行檢查。檢查每層薄膜接縫是否錯(cuò)開，保證封堵嚴(yán)實(shí)、可靠。

2.3.3 導(dǎo)通阻值量化

高、低頻電纜包覆時(shí)，薄膜在多次揉搓后阻值會(huì)變大，降低電連續(xù)性，因此包覆前要保證每條薄膜的阻值良好。薄膜按照后圈壓前圈1/2圈纏繞包覆，根據(jù)多次包覆試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)得出，每米金屬鍍層的薄膜阻值約20Ω，可纏繞電纜的長度約350mm，即纏繞比約3︰1，因此，電纜纏繞薄膜后的阻值標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為約60Ω/m，考慮到搭接阻值損耗，最終檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)定為高、低頻電纜包覆后導(dǎo)通阻值為不大于80Ω/m。單根電纜包覆后薄膜阻值測(cè)量方法見圖3。

(a) 高頻電纜 (b) 低頻電纜

3 效果分析

包覆后的電纜經(jīng)某型號(hào)整星電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證，在不改變電纜路徑的情況下成功將艙內(nèi)設(shè)備的無意輻射發(fā)射電平降低15～20dB，包覆后較之包覆前，干擾譜線數(shù)量明顯減少，符合型號(hào)電磁兼容性試驗(yàn)要求。電纜包覆前后效果對(duì)比見圖4。

(a) 電纜包覆前

(b) 電纜包覆后

圖4 電纜包覆前后某頻段干擾情況對(duì)比圖

Fig. 4 Comparison of interferences before and after cable coating

由圖4可以看出，電纜包覆前，底噪在頻段低端超過了-120dBm，最大接近-110dBm，譜線數(shù)量較多，有30多根，最高的譜線超過-90dBm；而電纜包覆后，底噪得到了很好的抑制，抑制到-130dBm左右，譜線數(shù)量大大減少，只有10幾根，幅度都降低到-90dBm以下。

以上驗(yàn)證表明，孔縫處理和電纜包覆之后，電磁干擾耦合抑制效果良好。但由于電纜本身特別是功率電纜本身具有功率損耗會(huì)產(chǎn)生熱量，需要散熱，包裹層恐不利于電纜特別是功率電纜的散熱。所以，須對(duì)整星進(jìn)行熱真空、熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證，以保證采取的包覆工藝措施不會(huì)使電纜的溫升超過允許范圍。

另外，本文闡述的是在系統(tǒng)級(jí)層面采取孔縫封堵和穿艙電纜包覆的工藝措施來抑制電磁干擾耦合，實(shí)際操作中在單機(jī)層面也對(duì)產(chǎn)生電磁干擾的主要干擾源（例如時(shí)鐘電路、DC/DC等）進(jìn)行了屏蔽加固，多方面措施相互結(jié)合的綜合治理使得衛(wèi)星的電磁兼容性能得到提高。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)穿艙電纜造成系統(tǒng)的電磁兼容性影響問題的機(jī)理分析，提出了一種抑制衛(wèi)星穿艙電纜電磁泄漏的包覆及過孔封堵方案，同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)和試驗(yàn)效果分析，驗(yàn)證了該優(yōu)化方案可以減小穿艙電纜和穿艙孔的電磁輻射泄漏對(duì)接收系統(tǒng)的影響。此方法已在后續(xù)衛(wèi)星型號(hào)上全面應(yīng)用，使衛(wèi)星的電磁兼容性能得到優(yōu)化。

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（編輯：馮露漪）

A coating method for reducing electromagnetic radiation leakage of cross-cabin cable on spacecraft

HAO Jia, ZHANG Mingyi, DING Qin, ZHOU Chuanjun, WEI Zejun, YANG Zhengguang

(DFH Satellite Co. Ltd., Beijing 100094, China)

For a spacecraft installed with high sensitivity equipment, the accidental radiation of the equipment inside the cabin, coupled with that outside the spacecraft cabin through the cable and through the hole, can be received by the high sensitive equipment antenna outside the spacecraft cabin. The reception of the normal signal by the high sensitive device is disturbed in this case. In view of this situation, a new method of cable coating and hole plugging is presented to reduce the influence of electromagnetic radiation leakage on the receiving system. It is shown that the method improves the EMC of the satellite.

cross-cabin cable; electromagnetic radiation leakage; coating; plugging; electromagnetic compatibility

V416.6; O441.5

A

1673-1379(2017)04-0451-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.020

郝佳（1986—），女，主要從事衛(wèi)星總裝工藝設(shè)計(jì)工作。E-mail: 390160045@qq.com。

2017-04-21；

2017-07-21