淺析航天器電磁干擾及控制

吳衛(wèi)權(quán) 張國(guó)升

綜述·專稿

淺析航天器電磁干擾及控制

吳衛(wèi)權(quán)1張國(guó)升2

（1. 上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；2. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

為了控制電磁干擾，規(guī)范星上電子設(shè)備的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)方法和計(jì)劃管理流程，針對(duì)航天器設(shè)計(jì)、研制與試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題，介紹了航天器電磁干擾源、電磁干擾方式；分析了航天器上易受干擾的設(shè)備、干擾現(xiàn)象及航天器電磁環(huán)境影響因素；論述了航天器電磁干擾控制設(shè)計(jì)與估算方法、航天器電磁干擾控制技術(shù)和措施等內(nèi)容；規(guī)范了航天器電磁干擾測(cè)試要求、方法及引用標(biāo)準(zhǔn)。可為相關(guān)衛(wèi)星工程技術(shù)人員提供有益支持和幫助。

航天器；電磁干擾；控制

1 引言

電磁干擾（EMI）是一種天然或人為的電磁信號(hào)擾動(dòng)，電磁干擾可以由星上源或者外部源（非星上）引起，如從地球傳播出來(lái)的射頻等。電磁干擾會(huì)降低或破壞航天器上電子設(shè)備的工作性能。航天器易受干擾的一些重要工作狀態(tài)有：制導(dǎo)、運(yùn)載火箭各級(jí)程序點(diǎn)火、指令通訊、跟蹤、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集及遙測(cè)。航天器從研制計(jì)劃開始就將遇到大量電磁干擾問(wèn)題，因?yàn)椋篴.要求工作在有限空間和頻譜環(huán)境中的電子器件數(shù)目日益增加；b.能源功率的增加；c.設(shè)備靈敏度提高。為了控制電磁干擾，必須規(guī)范星上電子設(shè)備的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)方法和計(jì)劃管理流程。

2 航天器電磁干擾源[1]

航天器主要電磁干擾源為：航天器內(nèi)部源和自然源。自然源是從地球、飛機(jī)或其它航天器中發(fā)射出來(lái)的射頻信號(hào)，主要的自然源有：星系噪聲、大地噪聲、宇宙噪聲。另一類是航天器自身單機(jī)、部件或系統(tǒng)中發(fā)射出來(lái)的電磁干擾。在航天器飛行階段，絕大多數(shù)電磁干擾是由星上源產(chǎn)生。

本文主要敘述航天器內(nèi)部干擾源，星上單機(jī)、部件或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾可分功能性及隨機(jī)性兩種。功能源是那些產(chǎn)生輻射電磁能量的單機(jī)設(shè)備，諸如：振蕩器、倍頻器、混頻器、發(fā)射機(jī)（如雷達(dá)發(fā)射機(jī)、通信發(fā)射機(jī)、遙測(cè)發(fā)射機(jī)）、信號(hào)發(fā)生器、應(yīng)答機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)器等；隨機(jī)源是那些不產(chǎn)生電磁能量的單機(jī)設(shè)備，諸如電源及配電系統(tǒng)、功率變換器、電磁線圈、電機(jī)、開關(guān)、繼電器、螺旋管和寄生震蕩器、陀螺儀等。與功能源不同，星上隨機(jī)源可在分系統(tǒng)功能不受影響下加以克服和抑制。

2.1 功能源

功能信號(hào)最簡(jiǎn)單的波形是單頻正弦波。而能產(chǎn)生單頻正弦波的振蕩器、倍頻器和放大器等設(shè)備存在著不穩(wěn)定性、非線性電路及非線性元件。因此，在其工作時(shí)，基波附近的某個(gè)窄頻帶內(nèi)以及在諧波和偽頻率處都存在能量，為了使星上設(shè)備穩(wěn)定工作和減小非線性影響，可以控制這些正弦波源中的能量帶寬、諧波輸出或偽輸出。

通信、遙測(cè)或雷達(dá)發(fā)射機(jī)等更復(fù)雜系統(tǒng)，在其產(chǎn)生功能信號(hào)的同時(shí)，常伴隨產(chǎn)生不期望的電磁能量。如發(fā)射機(jī)會(huì)產(chǎn)生不同于工作頻率的偽輸出，這些偽輸出對(duì)于正常工作是有害的；因此必須消除或降低其振幅。發(fā)射機(jī)發(fā)射的寬幅噪聲電平一般是比較低的，但也可引起附近接收機(jī)靈敏度降低或引起干擾，這種噪聲不易識(shí)別；因?yàn)樗c接收機(jī)噪聲特性幾乎相同。

另一種與功能源有關(guān)的干擾是從發(fā)射機(jī)或高頻發(fā)生器中發(fā)出的射頻能量。這種輻射能嚴(yán)重地影響安裝在相同位置處的設(shè)備性能，一般可采用接地、屏蔽和適當(dāng)?shù)木€間隔離等處理技術(shù)消除。

2.2 隨機(jī)源

隨機(jī)源引起的干擾能量存在于一個(gè)大頻率范圍內(nèi)，且是寬頻帶的。寬頻帶干擾源又可分為隨機(jī)干擾和脈沖干擾。

2.2.1 隨機(jī)干擾

熱擾動(dòng)能產(chǎn)生隨機(jī)輻值的干擾，大氣干擾、宇宙、太陽(yáng)噪聲和電暈均可認(rèn)為是隨機(jī)源，這些脈沖經(jīng)常出現(xiàn)并且相互重疊，具有多個(gè)尖脈沖，其峰值超過(guò)平均值。

另一種脈沖由一個(gè)接一個(gè)的脈沖組成，不能單獨(dú)區(qū)分，這種干擾形式也可看作是隨機(jī)的。

2.2.2 脈沖干擾

脈沖干擾是由一個(gè)或多個(gè)尖脈沖組成，它可以是周期性的，也可以是非周期性的；此類干擾特性由脈沖波形和重復(fù)頻率決定。姿態(tài)控制推力器、力矩器、開關(guān)通斷瞬變過(guò)程、時(shí)鐘與數(shù)字脈沖和其它脈沖形式的電氣擾動(dòng)等都是典型的脈沖干擾源。

3 航天器電磁干擾方式

航天器電磁干擾通常以傳導(dǎo)和輻射方式從干擾源傳播到敏感部件或系統(tǒng)中。傳導(dǎo)干擾包括通過(guò)外部連接件引入的電磁能量；輻射干擾也是一種電磁能量，其從外部源進(jìn)入到星上設(shè)備中不需要外部連接件。傳導(dǎo)傳播干擾的定量分析需要應(yīng)用電路理論，而輻射傳播干擾的分析則需用場(chǎng)論。

3.1 傳導(dǎo)干擾

電路元件的缺陷可能產(chǎn)生噪聲電壓或噪聲電流，如繼電器的工作觸點(diǎn)、壓力連接、焊接和接插件的連接處都可能出現(xiàn)有害的干擾。噪聲干擾引入系統(tǒng)，會(huì)降低或破壞系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

電路元件對(duì)其它電路或元件產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的方式最常見的是經(jīng)由直接電連接的傳導(dǎo)，如電纜。通常須用電纜傳輸功率和工作信號(hào)，進(jìn)而有可能將干擾信號(hào)與有用信號(hào)一起傳送，特別在長(zhǎng)電纜情況下。當(dāng)多個(gè)電路共用一個(gè)具有較高阻抗的回路時(shí)會(huì)產(chǎn)生公共阻抗的耦合，在某種情況下，一個(gè)電路中的電流會(huì)引起顯著的電壓差，而這個(gè)電壓差將在另一個(gè)子電路中產(chǎn)生不良的影響。此外，多個(gè)電路同時(shí)工作的綜合影響也能對(duì)另一個(gè)電路產(chǎn)生干擾。

在大電流電路中，磁通鏈的耦合是干擾傳遞的一種主要方式，而在高壓電路中，主要是電容耦合。穩(wěn)定的交變電流或瞬態(tài)變化電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)將產(chǎn)生一個(gè)正比于磁通變化率的干擾電壓。因此高頻大功率電流（如在雷達(dá)設(shè)備里的電流和多層線圈中的電流）均為干擾源。同樣，產(chǎn)生高電流變化率的電器件（如開關(guān)）也能產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾脈沖。

一個(gè)電路上的干擾源通過(guò)電容、電感或公共阻抗能夠在與該電路相連接的另一條導(dǎo)線上產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)導(dǎo)致相互干擾，電容耦合取決于電壓變化率（d/d），這個(gè)電壓變化率通過(guò)耦合電容（）耦合到相鄰的電路上，如圖1所示。耦合電壓2的大小取決于電路NO1的電壓變化率（d/d）和耦合電容（）、負(fù)載電阻及對(duì)地的分路電壓三者之間的相對(duì)值，由于周圍總存在著導(dǎo)線或電路，因此這種情況經(jīng)常出現(xiàn)。

圖1 容性耦合

圖2 感性耦合

電感耦合電路中的干擾同樣也是由波形的變化率所引起，即電流的變化率（d/d）起作用，如圖2所示，第一電路中的d/d和變壓器相似，它能在第二個(gè)電路中產(chǎn)生一個(gè)成比例的電壓，而兩電路公共面積的增加也能使耦合電壓增加。在大部分航天器的電路中，通常電感性耦合比電容性耦合問(wèn)題要??；因?yàn)槠渌玫碾娏骶容^小。

3.2 輻射干擾

輻射干擾主要是電路元件的缺陷產(chǎn)生的噪聲電壓或噪聲電流等干擾信號(hào)通過(guò)天線或電纜輻射到敏感器件，例如從偶極子來(lái)的輻射干擾，能在二極管、半導(dǎo)體三極管、真空管的柵極和其它一些非線性電路兩端出現(xiàn)偏置。特別易受輻射干擾的非線性電路能在電路中產(chǎn)生干擾頻率與信號(hào)頻率之間的合成頻率，同時(shí)也能產(chǎn)生干擾信號(hào)的諧波頻率。這種電磁干擾能降低或破壞航天器上電子設(shè)備的工作性能[2]。

4 航天器中易受干擾的設(shè)備

航天器中能響應(yīng)電信號(hào)及與其相關(guān)電場(chǎng)的任何器件都是易受干擾的設(shè)備，特別是高增益和高靈敏度設(shè)備。易受干擾的星上設(shè)備主要有：載荷設(shè)備、接收機(jī)、火工器件、電氣開關(guān)、記錄設(shè)備、場(chǎng)效應(yīng)器件、敏感器（光敏元件、熱敏元件）、前置放大器、紅外探測(cè)器等。應(yīng)鑒別此類器件并確定其靈敏度。

例如測(cè)量用的放大器由于其高增益和高靈敏度，會(huì)經(jīng)常遇到共模干擾問(wèn)題，對(duì)于此類問(wèn)題須注意對(duì)帶寬的要求和接地結(jié)構(gòu)；應(yīng)注意印刷線路板接地線過(guò)長(zhǎng)及導(dǎo)線截面積不夠等問(wèn)題。另外，在濕度較低的試驗(yàn)環(huán)境條件下，若無(wú)預(yù)防措施，某些靈敏微電路會(huì)發(fā)生靜態(tài)放電現(xiàn)象，導(dǎo)致元件損壞。

5 航天器自身電磁環(huán)境影響因素

每種航天器自身都有其特有的電磁環(huán)境，對(duì)于具體的電磁干擾，都必須要在特有的電磁環(huán)境中研究，且主要有如下五種相關(guān)設(shè)計(jì)。

5.1 結(jié)構(gòu)

航天器結(jié)構(gòu)主要由其部件、系統(tǒng)和導(dǎo)線的長(zhǎng)度及走向、間距決定，而結(jié)構(gòu)又影響著整個(gè)航天器的電磁環(huán)境。來(lái)自磁通鏈耦合、電容耦合和輻射等的干擾強(qiáng)度隨著干擾源和易受干擾系統(tǒng)間的距離減小而增加。因此，若干擾源和系統(tǒng)間的距離越小，則對(duì)設(shè)備的要求越嚴(yán)格。此外，在采用屏蔽和濾波與重量制約之間須綜合折衷考慮。

5.2 穩(wěn)定方式

航天器穩(wěn)定方式是決定航天器結(jié)構(gòu)的主要因素之一，同時(shí)也間接地決定了電磁干擾存在的可能性。航天器的穩(wěn)定方式?jīng)Q定了其接收與發(fā)射天線的基本形式和安裝位置，從而影響其電磁環(huán)境。例如：在相同效果下，適合于自旋航天器的全向低增益天線比定向天線需更大的發(fā)射功率和接收機(jī)靈敏度。

5.3 電子和電氣系統(tǒng)

航天器上每一個(gè)電氣或電子系統(tǒng)都必須進(jìn)行電磁干擾分析工作，所有系統(tǒng)（含能源系統(tǒng)）都須估算其對(duì)其它系統(tǒng)的電磁干擾，頻率分配、頻帶寬度、系統(tǒng)定向、與天線端連接的系統(tǒng)靈敏度、敏感器特性和接地系統(tǒng)等復(fù)雜因素均須綜合考慮。

5.4 軌道高度和軌跡

影響航天器電磁環(huán)境的第四個(gè)因素是軌道和彈道，它與外部信號(hào)（例如從地球和輻射帶來(lái)的信號(hào)）有關(guān)，在軌道上航天器可接收到許多與任務(wù)無(wú)關(guān)但與任務(wù)頻率相近的信號(hào)。根據(jù)航天器接收機(jī)的輸入帶寬和靈敏度特性，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射機(jī)按正常分配的頻率向航天器發(fā)射必要的能量時(shí)，這些外部信號(hào)均可被航天器接收機(jī)接收到。

5.5 科學(xué)任務(wù)的要求

航天器科學(xué)任務(wù)決定其對(duì)載荷的特殊要求，如非常低的頻率、在載荷帶寬范圍內(nèi)無(wú)離散信號(hào)、高靈敏度要求等因素，均會(huì)影響航天器的電磁環(huán)境。

6 航天器電磁干擾估算

6.1 電磁干擾的預(yù)估

為了鑒別潛在的電磁干擾源和與之相沖突的敏感源要求，需要對(duì)航天器上的敏感設(shè)備設(shè)計(jì)中考慮的所有潛在電磁干擾源進(jìn)行檢查。干擾控制水平由任務(wù)對(duì)象和航天器運(yùn)行要求決定，根據(jù)這些要求確定功能源和隨機(jī)源產(chǎn)生的電磁能量所允許的量值。

6.2 電磁干擾抑制方法

在鑒別和預(yù)估電磁干擾源、敏感設(shè)備和各種耦合模型后，為使航天器各分系統(tǒng)的任務(wù)要求在其工作時(shí)兼容一致；通過(guò)對(duì)干擾的抑制、采用接地網(wǎng)、良好的電磁兼容性設(shè)計(jì)等措施獲取兼容性。應(yīng)盡可能使干擾得到抑制。視干擾源是功能源或隨機(jī)源確定干擾抑制的難度，當(dāng)干擾信號(hào)是從功能源發(fā)出的某個(gè)有用載波信號(hào)時(shí)，若想在發(fā)射機(jī)中減小干擾則須采用改變信號(hào)強(qiáng)度、頻率和工作程序等方法加以解決。某些情況下，干擾須抑制在受干擾的設(shè)備里，為了把干擾抑制在信號(hào)源里，可采用的主要方法是：

a. 新分配載波信號(hào)頻率，優(yōu)化單機(jī)內(nèi)部的頻率流程；

b. 重新布局受干擾設(shè)備或發(fā)射設(shè)備的位置，以使干擾信號(hào)的影響減至最??；

c. 為使發(fā)射系統(tǒng)和受干擾的敏感器件正常工作，可根據(jù)任務(wù)要求的優(yōu)先程度設(shè)計(jì)一套分時(shí)程序工作流程；

d. 增加必要的屏蔽和濾波。

7 航天器電磁兼容性的預(yù)估[3]

航天器對(duì)電磁兼容性要求由任務(wù)目標(biāo)、易受電磁干擾敏感設(shè)備及潛在電磁干擾源等相關(guān)要求確定。充分考慮這些要求是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)電磁干擾控制流程的先決條件，控制流程的執(zhí)行貫穿于航天器設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、發(fā)射準(zhǔn)備等全任務(wù)周期；以確保設(shè)計(jì)控制后的電磁干擾不會(huì)降低航天器在軌飛行任務(wù)性能。

從干擾控制和處理技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分四個(gè)階段：a.初始階段，形成基本設(shè)計(jì)方案并確定系統(tǒng)參數(shù)；b.選擇組成系統(tǒng)的設(shè)備或分系統(tǒng)；c.把選出的設(shè)備或分系統(tǒng)組成一個(gè)系統(tǒng)；d.進(jìn)行兼容性試驗(yàn)并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作出最終的調(diào)整，使電磁干擾引起的特性衰減因素降到最低限度。最后階段中的每一步調(diào)整通常存在著折衷權(quán)衡關(guān)系，應(yīng)由設(shè)計(jì)師做系統(tǒng)的綜合評(píng)估。根據(jù)飛行任務(wù)的目的和要求、發(fā)射時(shí)間窗口及經(jīng)費(fèi)預(yù)算，確定既能保證航天器系統(tǒng)的電磁兼容性最佳而又不損害其它要求的措施。

工作在遠(yuǎn)離航天器直接試驗(yàn)和發(fā)射區(qū)的地面輔助設(shè)備也應(yīng)仔細(xì)考慮其潛在干擾所帶來(lái)的危險(xiǎn)。對(duì)試驗(yàn)和發(fā)射中與航天器密切相關(guān)的地面輔助設(shè)備，應(yīng)認(rèn)真檢查接地、接觸和電纜屏蔽是否良好。

7.1 系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的的初始階段，分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在綜合評(píng)估各種關(guān)系后須適當(dāng)考慮電磁干擾因素，應(yīng)對(duì)選擇的元器件提出電磁兼容性技術(shù)要求。對(duì)分系統(tǒng)電磁兼容性有顯著影響的特性參數(shù)主要如下：頻率分配、發(fā)射機(jī)功率、接收機(jī)靈敏度、數(shù)字脈沖電路開關(guān)門限值及設(shè)備運(yùn)行流程等。航天器系統(tǒng)運(yùn)行要求和兼容性問(wèn)題是復(fù)雜多樣的，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)任何飛行任務(wù)要求均為最優(yōu)的系統(tǒng)幾乎是不可能的。每個(gè)分系統(tǒng)均須獨(dú)立地按功能要求并結(jié)合邊界條件（與航天器其它部分及工作任務(wù)的電磁環(huán)境交界面）進(jìn)行綜合考慮后選定系統(tǒng)參數(shù)。

7.2 設(shè)備的選擇

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下一步就是選擇系統(tǒng)的電子設(shè)備（如電源、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)）以實(shí)現(xiàn)型號(hào)任務(wù)所要求的功能。這一階段，應(yīng)充分考慮電磁兼容性，規(guī)定設(shè)備的工作特性，對(duì)設(shè)備作驗(yàn)證試驗(yàn)保證其符合技術(shù)指標(biāo)，并不斷解決運(yùn)行中出現(xiàn)的兼容性問(wèn)題。

7.3 干擾控制分析

干擾控制分析的第一步是識(shí)別電磁干擾的潛在源并確定其干擾特性。為便于分析須規(guī)定每種源的幅度-頻率特性與幅度-時(shí)間特性。這些特性可從設(shè)備說(shuō)明書、電路圖和設(shè)備設(shè)計(jì)師處獲取，也可對(duì)該設(shè)備進(jìn)行干擾測(cè)量獲得。

在識(shí)別這些干擾源后，應(yīng)確定所有的敏感設(shè)備及其靈敏度特性。通常須確定敏感設(shè)備響應(yīng)各種信號(hào)的形式以及靈敏度對(duì)頻率（或其它電磁干擾敏感信號(hào)參數(shù)）的關(guān)系。從電路圖、設(shè)備設(shè)計(jì)師或設(shè)備的干擾測(cè)試結(jié)果中，獲取靈敏度、響應(yīng)特性等參數(shù)特性。

在確定了可能的電磁干擾源和易受干擾的設(shè)備后，下一步分析工作是確定電磁干擾可能發(fā)生的狀態(tài)。通常用傳輸損耗來(lái)修正干擾源的作用以估算可能出現(xiàn)的問(wèn)題，使修改后的結(jié)果能代表敏感設(shè)備的干擾水平。把這個(gè)結(jié)果與設(shè)備靈敏度作比較（如圖3～圖6所示），以確定潛在干擾信號(hào)的幅度是否足以在敏感設(shè)備上產(chǎn)生不希望的響應(yīng)。從圖3～圖6的電磁兼容性分析圖中可以看到，干擾源作用頻率為1時(shí)可能引起兼容性問(wèn)題。通常，假如一個(gè)信號(hào)引起一個(gè)不希望的響應(yīng)，那么這個(gè)信號(hào)對(duì)敏感設(shè)備工作的影響將作為干擾來(lái)預(yù)估。

圖3 源的特性

圖4 傳輸線損耗特性

圖5 靈敏度特性

圖6 相容性特性

除了預(yù)估特定源的干擾影響外，還要估算星上所有電氣和電子分系統(tǒng)在工作時(shí)引起的綜合電磁環(huán)境。然后把每一個(gè)設(shè)備的敏感特性與該綜合環(huán)境相比較，以此確定該設(shè)備與它們工作時(shí)的電磁環(huán)境是否兼容。系統(tǒng)干擾分析的最后一步是確定要消除兼容性問(wèn)題所必須降低的干擾量，并明確為保證兼容性而要求分系統(tǒng)所采取的設(shè)計(jì)措施和方法。

7.4 系統(tǒng)綜合

當(dāng)把所選定的設(shè)備和分系統(tǒng)組成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，需要注意分系統(tǒng)間接口交界面和接地問(wèn)題。分系統(tǒng)間接口交界面的問(wèn)題可通過(guò)重新布置電纜、重新布局設(shè)備位置或方向、在輸入輸出端加濾波、屏蔽潛在電磁干擾源和敏感設(shè)備等方法來(lái)加以糾正或改善。對(duì)于系統(tǒng)接地，應(yīng)對(duì)所有分系統(tǒng)提供單一直流接地點(diǎn)，使公共電流的危險(xiǎn)降至最小。對(duì)于體量較大的航天器，需多個(gè)接地點(diǎn)來(lái)處理所有分系統(tǒng)，也應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求綜合考慮連接問(wèn)題。

7.5 系統(tǒng)兼容性

為了提前暴露問(wèn)題，系統(tǒng)元件和設(shè)備都須進(jìn)行相關(guān)干擾試驗(yàn)，并避免試驗(yàn)設(shè)備、接線盒及相關(guān)長(zhǎng)導(dǎo)線影響接地結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生感應(yīng)干擾。

8 航天器電磁干擾控制

通常在系統(tǒng)級(jí)上分析電磁干擾，以估算系統(tǒng)的兼容性并找出該系統(tǒng)可能出現(xiàn)干擾的實(shí)際范圍，一旦分析出存在問(wèn)題的范圍，則可采用相應(yīng)的技術(shù)去控制或者減小這種干擾。當(dāng)然，采用這些技術(shù)的代價(jià)會(huì)增加重量、成本等等，因此，一般需進(jìn)行折中考慮。減小電磁干擾的具體方法主要有：屏蔽、接地、導(dǎo)線的處理和走向以及濾波等。

8.1 電磁干擾源的控制措施

8.1.1 抑制功能源干擾的措施

a. 對(duì)假信號(hào)濾波；

b. 更換一種比較兼容的信號(hào)產(chǎn)生方法；

c. 控制信號(hào)發(fā)生器空間指向；

d. 對(duì)分配給功能源的頻率加強(qiáng)控制；

e. 為了對(duì)易受干擾的敏感設(shè)備提供電磁平穩(wěn)運(yùn)行的時(shí)間周期，對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行分時(shí)控制；

f. 盡量減少使用非線性電路。

8.1.2 抑制隨機(jī)源干擾的措施

若干擾源是隨機(jī)源，如電機(jī)或電開關(guān)等，可在信號(hào)源處采用下列技術(shù)加以抑制：a.采用接觸法能消除旋轉(zhuǎn)機(jī)械與其外殼之間發(fā)生的電?。籦.接地和屏蔽法能有效降低有害信號(hào)；c.可用新器件替換引起干擾的設(shè)備器件。

8.2 敏感器件的保護(hù)措施

對(duì)敏感設(shè)備的干擾分析通常從考察干擾信號(hào)進(jìn)入到設(shè)備的各種途徑入手。一般干擾途徑越多，系統(tǒng)越易受干擾，對(duì)干擾控制的技術(shù)要求也越高。干擾信號(hào)正常的輸入途徑是：a.輸入電源線；b.系統(tǒng)間相互連接的電纜；c.不密封的盒子（穿透）；d.天線。

干擾信號(hào)通過(guò)互感能耦合到一個(gè)電感器上。如某個(gè)電感器接近另一個(gè)電感器、電阻器、導(dǎo)體或任意載有交變電流的電路元件時(shí)，所產(chǎn)生的磁通量將在電感器上感應(yīng)一個(gè)電壓，這個(gè)電壓將干擾電感器上的正常電流。為了使電感性耦合的干擾影響減至最小，電感器必須加以屏蔽或把它放置在與干擾源耦合最小的方向上。

8.2.1 繼電器

設(shè)計(jì)和研制專用于繼電器電路的外殼、盒子、機(jī)架，以保證其有效隔離。潛在的電磁干擾源（如電源線或信號(hào)線）須隔開或屏蔽以避免耦合，進(jìn)入外殼的導(dǎo)線應(yīng)加濾波器。

安裝在潛在干擾源處的繼電器應(yīng)配有無(wú)機(jī)械間斷點(diǎn)金屬盒子。固態(tài)電路繼電器和其它易受電磁干擾的靈敏電子部件，均須采用信號(hào)接地保護(hù)；且此接地須是低阻抗回路，以使進(jìn)入信號(hào)回路的假電壓最小。在低頻電路中采用單點(diǎn)接地，對(duì)高頻電路則采取多點(diǎn)接地；前者，導(dǎo)線的絞合有助于消除低頻磁場(chǎng)的干擾。在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中，參考點(diǎn)上流過(guò)的電流能引起磁場(chǎng)；也可使用單點(diǎn)與多點(diǎn)接地的混合方式。

8.2.2 導(dǎo)體

任何單股導(dǎo)線當(dāng)其置于電場(chǎng)或非平行可變磁場(chǎng)中時(shí)均能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中，但磁力線沒(méi)有和其耦合，則不會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。即導(dǎo)體、走線與交變場(chǎng)應(yīng)相互垂直相交，或盡可能使與其平行的導(dǎo)線最少。

通過(guò)屏蔽及屏蔽接地措施，采取雙線絞合方法，均能減小導(dǎo)體對(duì)感應(yīng)信號(hào)的靈敏度。因此，兼容的導(dǎo)線可捆扎在一起以減少對(duì)屏蔽的要求。

8.2.3 電子管

電子管如光電倍增管、光電攝像管，特別對(duì)干擾很敏感的高增益電子管；當(dāng)某偽信號(hào)出現(xiàn)在管子?xùn)艠O時(shí)，則其與正常信號(hào)一起被放大，并在輸出端出現(xiàn)干擾，引起管子的非線性特性而使問(wèn)題變得復(fù)雜。也即若管子的柵極出現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)，則在交變的板流波形內(nèi)將出現(xiàn)工作頻率及諧波頻率；同時(shí)，還存在工作頻率的和頻或差頻以及它們的各次諧波頻率。對(duì)此類現(xiàn)象，應(yīng)在柵極電路上采用屏蔽線。

當(dāng)電子管處于射頻場(chǎng)附近工作時(shí)，干擾信號(hào)可通過(guò)管子的外殼進(jìn)入其中，此時(shí)須通過(guò)管子的屏蔽消除干擾影響。機(jī)械振動(dòng)能使電子管產(chǎn)生顫噪效應(yīng)，因此處于惡劣工作環(huán)境下的管子須對(duì)其采取加固措施以盡量減小這種效應(yīng)的影響。此外，輻射也會(huì)影響電子管，可采用陶瓷管解決此類影響。

8.2.4 接插件

若不采取適當(dāng)屏蔽保護(hù)措施，射頻干擾易進(jìn)入到接插件中。大多數(shù)屏蔽技術(shù)用以抑制電磁干擾，作為功能傳輸傳導(dǎo)途徑中的接插件均應(yīng)通過(guò)某個(gè)界面與靜地物理連接（如：焊接、螺栓連接或夾接）；其最大的接觸電阻應(yīng)不大于10mΩ。

通過(guò)接插件管腳的合理分配可使接插件中交叉干擾減至最小。

8.2.5 半導(dǎo)體器件和集成電路器件

半導(dǎo)體器件和集成電路器件能敏感瞬時(shí)過(guò)載，此類過(guò)載能燒壞半導(dǎo)體器件或細(xì)導(dǎo)線。由于起二極管作用的結(jié)點(diǎn)對(duì)射頻有整流作用，所以少量的射頻能量就可能改變集成電路的偏壓和工作狀態(tài)。

為使半導(dǎo)體和集成電路對(duì)電磁干擾不敏感，引線處須加濾波；同時(shí)組件或外殼要適當(dāng)加以屏蔽。若電源線上的脈沖干擾難以濾掉，可采用電壓調(diào)節(jié)器作為保護(hù)設(shè)備。

8.3 電磁干擾途徑控制措施

8.3.1 接地

接地就是在電路間相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)建立一個(gè)電的通路，其目的是為了保證系統(tǒng)中所有部分都處于同一個(gè)電位上，多余的電磁能量可在系統(tǒng)中平衡掉。航天器系統(tǒng)的電氣部件和結(jié)構(gòu)件都必須保持在相同的參考電位上，以使用有效的接地系統(tǒng)來(lái)抑制干擾。工程上一般先把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件和電氣部件分別接地，然后使它們組合在一個(gè)公共參考點(diǎn)或平面上來(lái)完成接地。為了實(shí)現(xiàn)良好的接地，連接點(diǎn)不應(yīng)對(duì)通過(guò)導(dǎo)體流到連接點(diǎn)上的電流呈現(xiàn)出更多阻礙。

接地系統(tǒng)包括靜電地、結(jié)構(gòu)地、交直流功率地以及屏蔽地；靜電地和結(jié)構(gòu)地并不是為走電流而設(shè)計(jì)的，但須與航天器所有導(dǎo)電部分相連。

通常，對(duì)于有效接地系統(tǒng)，電流的作用、氧化速率和對(duì)偶材料等因素均應(yīng)視為可能引起性能衰退的干擾源，其中任一因素都可產(chǎn)生附加的假頻率。由此設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)將取得一個(gè)比地高的電位，且像天線一樣接受或者發(fā)送能量，這種現(xiàn)象可引起設(shè)備工作異常。此外，對(duì)于用作地回路的電纜不應(yīng)采用屏蔽。

8.3.2 電連接

電連接是一種把某些金屬部件機(jī)械地連接起來(lái)使其構(gòu)成良好低電阻接觸的方法，按照連接的質(zhì)量要求，可采用熔焊、釬焊和壓力連接等方式。

良好的電連接須使兩種金屬導(dǎo)體牢固地結(jié)合，對(duì)流經(jīng)它的電流呈現(xiàn)一個(gè)均勻的電阻；且在連接處不至產(chǎn)生干擾的附加電位梯度。良好的連接與接觸程度的好壞有關(guān)，它是由接觸面積、壓力及被結(jié)合的接觸表面狀態(tài)所決定。當(dāng)不同化學(xué)成分的材料結(jié)合在一起時(shí)，則須避免發(fā)生腐濁。連接的幾何尺寸是很重要的參數(shù)，因其影響射頻阻抗；阻抗正比于搭接片的長(zhǎng)度，而與接觸截面積成反比。此外，電流傾向于沿著連接處外層流動(dòng)（集膚效應(yīng)），當(dāng)其頻率增加時(shí)，這種效應(yīng)會(huì)變得越來(lái)越明顯；將導(dǎo)致有效電阻隨頻率增加，且使導(dǎo)體電感略增。工程上，為了使這種影響減小到允許值的范圍，通常搭接片長(zhǎng)與寬之比可取5或更小。

8.3.3 屏蔽

屏蔽是另一種減小電磁干擾的有效方法，屏蔽主要靠衰減干擾信號(hào)而抑制由干擾源發(fā)出的干擾，或保護(hù)敏感的設(shè)備免受干擾。由于在輸入與輸出的連接中會(huì)出現(xiàn)屏蔽間斷點(diǎn)，因此，在設(shè)計(jì)屏蔽時(shí)，必須考慮這些間斷點(diǎn)的存在，使其不致顯著地減小整個(gè)屏蔽效果。

通常，屏蔽是把設(shè)備封閉起來(lái)，使得由設(shè)備產(chǎn)生的或與設(shè)備發(fā)生干擾的那些假信號(hào)均被全部隔離；一般根據(jù)能獲得給定屏蔽效應(yīng)的最低頻率來(lái)決定選用屏蔽材料的類型。高導(dǎo)電材料（如銅、鋁）和高阻抗電路結(jié)合使用，對(duì)電場(chǎng)通常有較好的屏蔽效應(yīng)；而與低阻抗電路結(jié)合使用時(shí)，磁場(chǎng)較難屏蔽。對(duì)非磁性材料（如鋁），其吸收和反射損耗隨著頻率的下降而不斷下降，因而用非磁性材料屏蔽磁場(chǎng)是非常困難的。在低頻時(shí)（低于150kHz），必須采用高導(dǎo)磁率材料（如金屬或坡莫合金），其對(duì)磁場(chǎng)能提供滿意的屏蔽效率。屏蔽的衰減和反射是決定屏蔽效果的兩個(gè)主要參數(shù)，當(dāng)用屏蔽來(lái)抑制干擾逸出時(shí)，則衰減（吸收）損耗是主要；相反當(dāng)在敏感設(shè)備上用屏蔽來(lái)防護(hù)外來(lái)干擾時(shí)，則反射損耗變得更重要。

8.3.4 濾波

濾波器經(jīng)常和屏蔽技術(shù)一起用來(lái)衰減從導(dǎo)線屏蔽間斷點(diǎn)進(jìn)入或者發(fā)出的干擾。干擾衰減濾波器對(duì)建立兼容性提供了另一種有效方法。

當(dāng)利用接地和屏蔽使干擾減小以后，剩余的傳導(dǎo)和輻射干擾可進(jìn)一步采用濾波加以抑制。濾波器是一種能衰減多種頻率的特殊電路或網(wǎng)絡(luò)，所要求的衰減量通常與有害信號(hào)或假信號(hào)的幅度有關(guān)，也與附近設(shè)備的敏感度或適用的電磁干擾技術(shù)規(guī)范限制有關(guān)。在敏感設(shè)備中要降低假信號(hào)的能量一般是較困難的，因?yàn)樵肼曤娢荒芡ㄟ^(guò)傳導(dǎo)和輻射或二者的組合進(jìn)入到設(shè)備中；為了消除或使干擾信號(hào)降到最小程度，或限制所要求的功能信號(hào)的帶寬，最好的方法是在電磁干擾源處使用濾波技術(shù)。

信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后會(huì)增加數(shù)字脈沖的上升或下降時(shí)間，從而減小d/d的噪聲，濾波也有助于減小脈沖序列的諧波頻率。濾波器有多種形式，最簡(jiǎn)單的是并聯(lián)電容器，它跨接在載有假信號(hào)噪聲電壓的導(dǎo)體與地之間。經(jīng)常用鐵氧體磁環(huán)濾波器來(lái)衰減信號(hào)高頻分量的振幅，顯著的效果是減小振幅上升時(shí)間和波形前沿震蕩。

8.3.5 導(dǎo)線的處理和走線

合理的走線和電纜布局有助于對(duì)干擾的控制。走線包括物理上隔離、電纜的排列和分股包扎等。在分股時(shí)把導(dǎo)線和電纜分成彼此可兼容的幾組，每組均為屏蔽。在一股線中成對(duì)的相鄰導(dǎo)線由于其電感和電容耦合可引起干擾，采用把兩根發(fā)送或者接收導(dǎo)線扭合起來(lái)使干擾顯著下降，這種方法的效果是在兩個(gè)扭合線路之間減少了公共電路面積。

為了估算電路和分系統(tǒng)之間相互作用的有害性，針對(duì)其干擾和敏感度特性，分析系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間的走線、并以此來(lái)布置連接電纜和走線。在此基礎(chǔ)上，用絞合線、屏蔽、束捆、引入?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)和接地等方法消除或減小相互作用的影響。

通常根據(jù)敏感度、信號(hào)幅度和頻率等參數(shù)把線路分類處理。在一定試驗(yàn)范圍內(nèi)火工電路均須隔離，功率電路?？僧?dāng)作單獨(dú)電纜來(lái)處理。線路的分類如下：a.電源電路：一次和二次直流電源、交流電源；b.小噪聲電路：靈敏電路、小信號(hào)電路、高阻抗電路；c.大噪聲電路：控制電路、大信號(hào)電路、火工點(diǎn)火電路。

9 航天器電磁干擾測(cè)試要求和方法

航天器上設(shè)備和系統(tǒng)的電磁干擾測(cè)量，包括受干擾靈敏度和干擾發(fā)射強(qiáng)度兩大主要內(nèi)容。大多數(shù)試驗(yàn)為系統(tǒng)兼容性試驗(yàn)，其目的是確定航天器各分系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)的抗干擾能力，即a.分系統(tǒng)的干擾試驗(yàn)，是測(cè)量單個(gè)航天器上設(shè)備或其相關(guān)輔助設(shè)備中發(fā)射出的干擾信號(hào)大?。籦.分系統(tǒng)受干擾靈敏度試驗(yàn)，為確定存在有害外部干擾信號(hào)時(shí)單個(gè)航天器上設(shè)備或其相關(guān)輔助設(shè)備抗干擾工作能力。

一般電磁發(fā)射強(qiáng)度測(cè)試和受干擾靈敏度試驗(yàn)均包括輻射測(cè)試和傳導(dǎo)測(cè)試。

9.1 電磁干擾發(fā)射強(qiáng)度測(cè)試要求和方法

輻射干擾的測(cè)試主要是用近場(chǎng)測(cè)量方法，利用測(cè)量接收機(jī)，在近場(chǎng)中須分別測(cè)量場(chǎng)中的磁場(chǎng)（）和電場(chǎng)（）的分量。磁場(chǎng)（）用環(huán)狀天線測(cè)量，而電場(chǎng)（）用棒或偶極子測(cè)量。

傳導(dǎo)干擾測(cè)試主要是利用測(cè)量接收機(jī)，線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）及電源探測(cè)器這兩種不同傳感器測(cè)量電源線和信號(hào)線上的傳導(dǎo)干擾。

電磁干擾發(fā)射強(qiáng)度測(cè)試的原則：設(shè)備必須以產(chǎn)生最高干擾水平的方式工作，從而獲得最大干擾值。

9.2 受干擾靈敏度測(cè)試要求和方法

輻射受干擾靈敏度測(cè)試干擾的測(cè)量主要是用近場(chǎng)測(cè)量方法，利用干擾信號(hào)源，在近場(chǎng)中須分別測(cè)量磁場(chǎng)（）和電場(chǎng)（）的輻射受干擾靈敏度。

傳導(dǎo)受干擾靈敏度測(cè)試主要是利用干擾信號(hào)源，線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）等設(shè)備測(cè)量電源線和信號(hào)線上的傳導(dǎo)受干擾靈敏度。

受干擾靈敏度測(cè)試的原則：設(shè)備必須以最大靈敏度的方式工作，從而獲得受干擾靈敏度。

9.3 電磁干擾測(cè)試引用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在航天器電磁干擾測(cè)試要求和方法主要參照如下標(biāo)準(zhǔn)：GJB 151A明確了軍用設(shè)備EMC的要求，提出了每個(gè)項(xiàng)目的適用范圍和設(shè)計(jì)限值要求；GJB 152A規(guī)定了GJB 151A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的每個(gè)項(xiàng)目的具體測(cè)試方法，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的配套使用，是針對(duì)所有軍用設(shè)備的范圍較寬的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。GJB 3590和QJ 2266主要針對(duì)航天器EMC提出具體要求，其以GJB 151A/152A為支撐，并對(duì)GJB 151A標(biāo)準(zhǔn)中要求進(jìn)行了適當(dāng)補(bǔ)充；GJB 1389A提出了大系統(tǒng)級(jí)EMC要求[4]。

航天器整器、分系統(tǒng)和單機(jī)EMC試驗(yàn)的要求和方法主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 151A、GJB 152A、GJB 3590、GJB 1389A；發(fā)射機(jī)、接收機(jī)EMC試驗(yàn)要求和方法主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 151A、GJB 1143；電源品質(zhì)測(cè)試主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 3590，該標(biāo)準(zhǔn)提出了對(duì)電壓紋波、電壓尖峰和浪涌電壓的基本測(cè)試要求；靜電放電（ESD）試驗(yàn)要求和方法主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 3590、GB/T 17626.2；雷電防護(hù)試驗(yàn)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 3590、GJB 1804，其中GJB 3590規(guī)定了該類試驗(yàn)一般采用分析方法，可不再具體進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

航天器電磁干擾測(cè)試引用標(biāo)準(zhǔn)主要如下：

a. GJB 151A—1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求；

b. GJB 152A—1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量；

c. GJB 3590—1999航天系統(tǒng)電磁兼容性要求；

d. GJB 1389A—2005系統(tǒng)電磁兼容性要求；

e. GJB 1143—1991天線電頻譜特性的測(cè)量；

f. GJB 1804—1993運(yùn)載火箭雷電防護(hù)；

g. GB/T 17626.2—1998靜電放電抗擾度試驗(yàn)；

h. QJ 2266—1992航天系統(tǒng)電磁兼容性要求。

10 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)軍民衛(wèi)星制造事業(yè)的蓬勃發(fā)展，航天隊(duì)伍（技術(shù)和管理人員）不斷壯大，廣大科研人員都非常迫切地想了解和掌握航天器電磁干擾、控制、試驗(yàn)等相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。針對(duì)一些基本的、常識(shí)性的問(wèn)題和概念，本文作了較為系統(tǒng)分析、概括和總結(jié)，可對(duì)廣大從事航天器研制的工程技術(shù)人員有所指導(dǎo)和幫助。

1 陳淑鳳. 航天器電磁兼容技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2007

2 Smith E J. Proceedings of the Spacecraft Electromagnetic Interference [R]. NASA, Tech Memo 33 402, 1992(2)：101～109

3 Paul C R. Electromagnetic Compatibility Prediction [R]. IEEE Symposium Record, 1999(7)：21～30

4 李玉蘭，鐘繼紅. GJB 3590 航天系統(tǒng)電磁兼容性要求[S]. 1999：4～20

A Brief Analysis of Electromagnetic Interference and Control of Spacecraft

Wu Weiquan1Zhang Guosheng2

(1. Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

In order to control EMI, the design, experimental technique and method, plan management procedure of on-board electronic equipment must comply with their standard. In this paper, aiming at this EMI problem produced during design, development and experiment for spacecraft, electromagnetic resource and EMI way were introduced; the equipment which is susceptible to interference, interference phenomena and effects on electromagnetic environment were analyzed; EMI control design and estimation method, EMI control technology and measurements for spacecraft were described; EMI testing requirements, methods and quoted standard for spacecraft were normalized. They can provide technical support and references for researchers of space engineering.

spacecraft；EMI；control

吳衛(wèi)權(quán)（1965），研究員，電磁測(cè)量專業(yè)；研究方向：航天器磁設(shè)計(jì)、磁測(cè)試。

2019-11-29