航天器弱電磁信號(hào)處理設(shè)備綜合防護(hù)技術(shù)

鄧凱文

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著航天器業(yè)務(wù)領(lǐng)域的不斷拓展，載荷設(shè)備的種類(lèi)越來(lái)越豐富，其中包含一些用于接收地面小功率終端所發(fā)射的微弱電磁信號(hào)的衛(wèi)星通信、信標(biāo)/數(shù)據(jù)采集等載荷設(shè)備。這類(lèi)載荷設(shè)備接收機(jī)靈敏度較高（通常在-140～-110 dBm之間），頻率相對(duì)較低（通常為VHF、UHF和L頻段），屬于弱電磁信號(hào)處理設(shè)備，極易受到來(lái)自航天器平臺(tái)數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)控制與供配電等電子設(shè)備的噪聲信號(hào)的輻射干擾：在航天器地面測(cè)試和在軌飛行期間均發(fā)生過(guò)此類(lèi)問(wèn)題。在航天器研制過(guò)程中，通過(guò)采取一系列有效的干擾防護(hù)措施，有效抑制航天器平臺(tái)設(shè)備對(duì)弱電磁信號(hào)處理載荷設(shè)備的干擾噪聲電平，對(duì)保證航天器在軌業(yè)務(wù)的順利開(kāi)展十分必要。

本文對(duì)干擾航天器弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的噪聲信號(hào)的來(lái)源和干擾途徑進(jìn)行全面分析，給出干擾源識(shí)別的基本方法，提出低頻電纜整束屏蔽、穿艙電纜孔縫屏蔽、艙外設(shè)備支架屏蔽和艙體結(jié)構(gòu)電磁隔離等一系列防護(hù)措施，并通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證這些措施的有效性。

1 干擾機(jī)理分析

任何電磁干擾現(xiàn)象的存在都是干擾源、干擾傳播途徑和受擾設(shè)備3個(gè)根本要素同時(shí)作用的結(jié)果[1]，航天器弱電磁信號(hào)處理設(shè)備受擾時(shí)，也通常是器上某臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲信號(hào)通過(guò)特定的輻射通道耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的射頻接收通道（通常為接收天線(xiàn)）。因此，對(duì)干擾源和干擾傳播途徑進(jìn)行分析識(shí)別，有助于航天器總體設(shè)計(jì)時(shí)有針對(duì)性地采取有效防護(hù)措施。

航天器上潛在的干擾源大多數(shù)情況為綜合電子單元、數(shù)據(jù)管理單元、姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)、供配電單元等使用了低頻晶體振蕩器、CPU、FPGA等電子器件的設(shè)備。雖然CPU、FGPA一般被認(rèn)為是易受干擾的器件，但其運(yùn)行時(shí)的高速數(shù)字信號(hào)在頻域的覆蓋范圍可以達(dá)到上GHz，雖然單個(gè)頻點(diǎn)的能量不高，但整體頻譜非常豐富，極易覆蓋弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的工作頻段；晶體振蕩器的高次諧波通常很難被有效抑制，頻譜上看都是規(guī)律的諧波點(diǎn)頻分布，但在單個(gè)諧波頻率上的能量較高，產(chǎn)生的干擾通常更為嚴(yán)重[2]，比如工程上曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)工作頻率為40 MHz的晶體振蕩器的高次諧波頻率進(jìn)入GPS接收機(jī)1565～1585 MHz工作頻帶的情況。另外，應(yīng)答機(jī)、數(shù)傳、通信機(jī)等射頻設(shè)備的高頻本地振蕩器也是重要的干擾信號(hào)源。

電磁干擾信號(hào)的傳播途徑主要是輻射傳播，即干擾源設(shè)備內(nèi)部電路板上的電磁噪聲信號(hào)通過(guò)設(shè)備的互聯(lián)電纜向外輻射。如果互聯(lián)電纜在航天器內(nèi)，則這些信號(hào)會(huì)通過(guò)航天器艙板上的孔縫泄漏效應(yīng)或穿艙電纜的二次發(fā)射效應(yīng)，耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的接收天線(xiàn)；如果互聯(lián)電纜在航天器外，則這些射頻信號(hào)在艙外直接耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的接收天線(xiàn)，進(jìn)而對(duì)弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的工作造成影響[3-4]。

弱電磁信號(hào)處理設(shè)備受擾的機(jī)理如圖1所示，圖中：途徑1為航天器艙外設(shè)備及其互聯(lián)電纜輻射的電磁噪聲信號(hào)，直接耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備天線(xiàn)的過(guò)程；途徑2為艙內(nèi)設(shè)備及其互聯(lián)電纜輻射的電磁噪聲信號(hào)，通過(guò)艙壁上的孔縫耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備天線(xiàn)的過(guò)程；途徑3為艙內(nèi)設(shè)備及其互聯(lián)電纜輻射的電磁噪聲信號(hào)，通過(guò)射頻同軸電纜的二次輻射效應(yīng)耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備天線(xiàn)的過(guò)程。

圖1 弱電磁信號(hào)處理設(shè)備干擾機(jī)理Fig. 1 Illustration of interference mechanism for equipment in processing weak electromagnetic signals

2 干擾源識(shí)別

為了在航天器研制過(guò)程中對(duì)弱電磁信號(hào)處理設(shè)備采取有針對(duì)性的防護(hù)措施，需要對(duì)航天器內(nèi)部的相關(guān)干擾源進(jìn)行識(shí)別，在航天器研制階段早期可通過(guò)信號(hào)頻率特征分析進(jìn)行初步識(shí)別，在航天器裝配完成后可進(jìn)行實(shí)測(cè)識(shí)別。

1）分析識(shí)別

在航天器單機(jī)研制階段，對(duì)各單機(jī)設(shè)備使用的晶體振蕩器的工作頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，凡是工作頻率的諧波落入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備工作頻段的晶體振蕩器，其所在單機(jī)設(shè)備均應(yīng)被視為潛在的干擾源。也可能存在某些晶體振蕩器或CPU等器件的雜波電磁噪聲信號(hào)落入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備工作頻段的情況，一般不易通過(guò)分析判定，需要實(shí)測(cè)識(shí)別。

2）實(shí)測(cè)識(shí)別

在航天器裝配完成后進(jìn)行加電測(cè)試的典型工況下，使用測(cè)量天線(xiàn)和頻譜儀（或EMI接收機(jī)）測(cè)量弱電磁信號(hào)處理設(shè)備接收工作頻段內(nèi)的電磁噪聲信號(hào)，觀察是否存在超出接收機(jī)靈敏度的信號(hào)，若存在，則可通過(guò)對(duì)單機(jī)設(shè)備逐個(gè)斷電的方式排查出對(duì)應(yīng)的干擾源設(shè)備，進(jìn)而還可使用電場(chǎng)近場(chǎng)探頭對(duì)發(fā)射干擾信號(hào)的電纜束進(jìn)行定位。

3 綜合防護(hù)措施

為了對(duì)弱電磁信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行有效防護(hù)，通常需要從抑制干擾源、提高弱電磁信號(hào)處理設(shè)備抗干擾能力、切斷干擾傳播途徑等3方面著力，干擾源與弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的單機(jī)層面EMC相關(guān)工作需要由其對(duì)應(yīng)的研制單位負(fù)責(zé)實(shí)施，相關(guān)技術(shù)不在本文贅述，本文主要從航天器系統(tǒng)總體工程的角度出發(fā)，考慮從切斷干擾傳播途徑方面采取相關(guān)防護(hù)措施，包括航天器艙內(nèi)外電纜處理、艙外結(jié)構(gòu)電磁泄漏防護(hù)和電磁隔離等。

3.1 艙內(nèi)電纜處理

對(duì)于航天器艙內(nèi)低頻電纜電磁噪聲信號(hào)，可通過(guò)對(duì)其互聯(lián)電纜進(jìn)行布局優(yōu)化和整束屏蔽加強(qiáng)，來(lái)降低耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)處理設(shè)備接收天線(xiàn)的干擾信號(hào)強(qiáng)度。

1）電纜布局優(yōu)化

在進(jìn)行干擾源設(shè)備互聯(lián)電纜布局設(shè)計(jì)和航天器總裝時(shí)，應(yīng)盡量加大此類(lèi)電纜與接收天線(xiàn)的間隔距離，必要時(shí)需要調(diào)整干擾源設(shè)備的安裝位置。該項(xiàng)操作需要航天器總體設(shè)計(jì)在設(shè)備布局設(shè)計(jì)階段，就能夠?qū)ε搩?nèi)干擾源設(shè)備進(jìn)行較為準(zhǔn)確的識(shí)別定位。

2）電纜屏蔽加強(qiáng)

航天器設(shè)計(jì)師一般都會(huì)對(duì)遙測(cè)遙控高頻、數(shù)據(jù)傳輸?shù)皖l、總線(xiàn)1553B等電纜進(jìn)行屏蔽處理，但若不能充分考慮屏蔽的完整性，如線(xiàn)束僅進(jìn)行單根電纜屏蔽、屏蔽層在接插件尾罩處采用抽頭式搭接等，最終屏蔽效果可能并不理想。理想的屏蔽措施是：電纜整束屏蔽（也可同時(shí)采取用于線(xiàn)束間去耦的單根屏蔽），屏蔽層在線(xiàn)纜兩端的接插件尾罩處進(jìn)行360°緊密的電搭接[5]，不能填充非導(dǎo)電的橡膠襯墊；在屏蔽材料的選擇上，盡量使用較為柔軟且屏蔽效果好的銅網(wǎng)或銅布膠帶，可以進(jìn)行人工纏繞包覆，也可以使用成型的屏蔽網(wǎng)套進(jìn)行包覆。銅網(wǎng)或銅布膠帶的屏蔽性能要比目前常用的鍍鋁熱控多層材料或鋁箔高很多[6]。工程上最終選用哪種屏蔽材料，取決于整器重量控制要求、工藝要求和對(duì)屏蔽效果的實(shí)際要求等。需要注意的是，電纜屏蔽包覆后應(yīng)在屏蔽層上每間隔20 cm左右設(shè)置一些直徑1～2 mm的放氣孔，這些放氣孔不會(huì)影響電纜的整體屏蔽效能。圖2所示即為屏蔽效果最為理想的屏蔽處理方式，但目前這種處理方式在航天器工程上應(yīng)用得不夠——即使進(jìn)行了整束電纜包覆處理，也往往忽略了接插件尾罩處的360°良好電搭接處理。

圖2 航天器內(nèi)部電纜屏蔽處理方式Fig. 2 Illustration of shielding effect for cables inside spacecraft

3.2 穿艙電纜處理

對(duì)于通過(guò)低頻與射頻電纜穿艙孔縫向艙外泄漏的電磁噪聲信號(hào)，可分別使用屏蔽材料包覆、法蘭盤(pán)封堵和專(zhuān)用轉(zhuǎn)接接插件實(shí)現(xiàn)對(duì)穿艙孔縫的整體屏蔽，其中采用專(zhuān)用接插件的方式具有最理想的屏蔽效果。下面分別說(shuō)明2類(lèi)電纜的處理方法：

1）穿艙低頻電纜束處理

對(duì)于通過(guò)艙壁打孔連接艙外設(shè)備的電纜，首先需要對(duì)穿艙低頻電纜進(jìn)行整束電纜的屏蔽處理，在穿艙位置的艙內(nèi)、艙外兩側(cè)，使用屏蔽材料將電纜與艙板進(jìn)行360°良好搭接，實(shí)現(xiàn)對(duì)穿艙孔縫的嚴(yán)密包覆，防止艙內(nèi)的輻射干擾信號(hào)通過(guò)穿艙孔縫泄漏到航天器外部。如果艙板開(kāi)口過(guò)大，還可以使用專(zhuān)用法蘭盤(pán)來(lái)縮小開(kāi)口尺寸，然后再進(jìn)行相應(yīng)的屏蔽處理[7]。屏蔽效果更為理想、也更為可靠的處理方式是使用穿艙轉(zhuǎn)接接插件，接插件兩端分別連接艙內(nèi)、外的電纜，此措施需要在艙板加工時(shí)就將轉(zhuǎn)接接插件的安裝孔預(yù)埋進(jìn)艙板內(nèi)，且為盡量阻擋艙外電纜的電磁噪聲信號(hào)，穿艙轉(zhuǎn)接接插件應(yīng)盡量選用帶有濾波功能的類(lèi)型。圖3顯示了穿艙低頻電纜轉(zhuǎn)接方式，使用螺釘將帶有安裝面的低頻電纜轉(zhuǎn)接接插件安裝到航天器艙板外側(cè)，電纜轉(zhuǎn)接接插件對(duì)供電和低頻信號(hào)的損耗極低，可以忽略不計(jì)。但需要注意的是：選取的接插件主結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度需滿(mǎn)足航天器力學(xué)環(huán)境要求，其電導(dǎo)通特性還需滿(mǎn)足航天器外部熱環(huán)境要求；在接插件安裝使用過(guò)程中，不僅要保持插針、插孔的清潔，還應(yīng)保證接插件與艙板連接牢靠，接插件兩端所連的電纜都能在航天器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行有效固定，以最大限度降低電纜對(duì)接插件施加的應(yīng)力；安裝完成后艙外部分的低頻電纜仍需進(jìn)行屏蔽處理，以達(dá)到最理想的屏蔽效果。

圖3 穿艙低頻電纜轉(zhuǎn)接方式Fig. 3 Connections of low frequency cables through the panel

2）穿艙射頻電纜處理

由于穿艙射頻電纜是將艙內(nèi)輻射干擾信號(hào)耦合到艙外的一個(gè)重要媒介，同樣需要對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理。屏蔽效果最佳的方式是使用穿艙射頻轉(zhuǎn)接頭，轉(zhuǎn)接頭分別連接艙內(nèi)與艙外的射頻電纜，但此措施需要在航天器研制前期艙板加工時(shí)就將轉(zhuǎn)接頭安裝孔預(yù)埋進(jìn)艙板內(nèi)，若后期技術(shù)狀態(tài)變更，在已經(jīng)開(kāi)孔的艙板上進(jìn)行位置調(diào)整或臨時(shí)加裝則較為困難。圖4顯示了穿艙射頻電纜轉(zhuǎn)接方式，使用螺釘將帶有安裝面的射頻轉(zhuǎn)接頭安裝到航天器艙板內(nèi)側(cè)。如果無(wú)法使用穿艙轉(zhuǎn)接頭，則需要使用與穿艙低頻電纜束相同的屏蔽材料包覆方法進(jìn)行屏蔽處理；另外，艙外部分的電纜也需要進(jìn)行屏蔽處理。在工程應(yīng)用時(shí)還需要考慮射頻轉(zhuǎn)接頭插入損耗對(duì)相關(guān)分系統(tǒng)射頻鏈路的影響：插入損耗通常在18 GHz頻率下不會(huì)超過(guò)0.15 dB，且頻率越低，插損越小。

圖4 穿艙射頻電纜轉(zhuǎn)接方式Fig. 4 Connections of radio frequency cables through the panel

3.3 艙外設(shè)備支架的電磁防護(hù)處理

艙外設(shè)備互聯(lián)電纜的電磁噪聲信號(hào)，部分會(huì)通過(guò)天線(xiàn)、星敏感器、太陽(yáng)敏感器等設(shè)備的支架鏤空處向外泄漏，因此需要對(duì)這些鏤空部位進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的屏蔽處理?？捎闷帘尾牧蠈⒅Ъ苷w包覆，且屏蔽材料與航天器艙板支架360°良好搭接。航天器外天線(xiàn)支架屏蔽處理方式如圖5所示，需要進(jìn)行屏蔽包覆的區(qū)域通常包括天線(xiàn)支架的減重鏤空區(qū)域和隔熱襯墊的裸露區(qū)域。目前在工程上，由于對(duì)艙外射頻電纜二次輻射效應(yīng)的忽視，以及對(duì)艙外低頻電纜的屏蔽效果估計(jì)過(guò)高，對(duì)艙外設(shè)備支架進(jìn)行屏蔽處理的措施實(shí)施得較少。

圖5 航天器外天線(xiàn)支架屏蔽處理方式Fig. 5 Shielding for antenna bracket outside spacecraft

3.4 艙體結(jié)構(gòu)電磁隔離設(shè)計(jì)

對(duì)于因工作環(huán)境要求而無(wú)法單獨(dú)進(jìn)行屏蔽處理的一些艙外設(shè)備互聯(lián)電纜，可進(jìn)行艙體結(jié)構(gòu)電磁隔離設(shè)計(jì)。通?？稍谂摪迳线m當(dāng)位置安裝一定寬度的金屬擋板或具有一定硬度的金屬網(wǎng)（如圖6所示），利用金屬阻礙物對(duì)電磁波的衍射效應(yīng)，干擾電磁噪聲信號(hào)的傳播路徑，起到衰減輻射的作用，從而降低耦合進(jìn)入弱電磁信號(hào)設(shè)備接收天線(xiàn)的電磁噪聲信號(hào)強(qiáng)度。需要注意的是：在使用金屬擋板時(shí)，擋板的安裝位置和尺寸不能影響器上天線(xiàn)的輻射方向圖指標(biāo)，須通過(guò)電磁仿真分析和實(shí)際測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)校。

圖6 使用電磁隔離金屬擋板防護(hù)弱電磁信號(hào)處理設(shè)備Fig. 6 Protection of equipment in processing weak electromagnetic signal by an isolation metal panel

4 防護(hù)措施應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

上述的航天器弱電磁信號(hào)處理設(shè)備綜合防護(hù)措施近年來(lái)在多個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用，其防護(hù)有效性得到成功檢驗(yàn)。對(duì)重量從幾十kg的皮納衛(wèi)星至數(shù)千kg的大型衛(wèi)星，根據(jù)其實(shí)際情況，如研制進(jìn)度、總裝工藝、艙體布局、發(fā)射重量等限制條件，選擇以上1種或多種防護(hù)措施后，都有效解決了多型航天器弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的電磁噪聲信號(hào)干擾問(wèn)題。如，某型衛(wèi)星工作頻率為156～162 MHz的 AIS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）設(shè)備受到平臺(tái)設(shè)備在艙外的低頻電纜噪聲信號(hào)的輻射干擾，實(shí)測(cè)靈敏度為-100 dBm。根據(jù)其艙外布局實(shí)際情況采取單獨(dú)防護(hù)措施，通過(guò)在AIS和低頻電纜之間的艙板上加裝長(zhǎng)40 cm、寬20 cm的金屬擋板，有效阻擋了噪聲信號(hào)傳播途徑，靈敏度提高到-108 dBm，實(shí)現(xiàn)了AIS的正常工作。又，某型電磁環(huán)境較為復(fù)雜的衛(wèi)星采取多種防護(hù)措施：通過(guò)對(duì)艙內(nèi)低頻電纜進(jìn)行整束銅布包覆，接插件處進(jìn)行360°搭接處理；低頻電纜穿艙位置使用轉(zhuǎn)接接插件；艙外天線(xiàn)、星敏感器、太陽(yáng)敏感器的安裝支架鏤空位置和隔熱襯墊位置均進(jìn)行嚴(yán)密的屏蔽包覆處理，最終實(shí)現(xiàn)了工作頻率為401～403 MHz的DCS（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、工作頻率為1085～1095 MHz的ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)）和工作頻率為156～162 MHz的AIS設(shè)備的正常運(yùn)行，各設(shè)備的靈敏度分別由采取措施前的-120 dBm、-85 dBm 和-90 dBm 提高到-130 dBm、-95 dBm 和-105 dBm，成功保證了此類(lèi)弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的在軌正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

航天器弱電磁信號(hào)處理設(shè)備受平臺(tái)數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)控制、供配電等電子設(shè)備的噪聲干擾而無(wú)法正常工作的案例屢見(jiàn)不鮮。本文基于此類(lèi)干擾的機(jī)理分析與干擾源識(shí)別定位，提出了艙內(nèi)電纜屏蔽、穿艙電纜處理、艙外設(shè)備支架屏蔽處理和艙體結(jié)構(gòu)電磁隔離處理等多種弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的防護(hù)措施。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐證明，這些措施能夠?qū)?lái)自航天器內(nèi)、外部的電磁噪聲信號(hào)進(jìn)行明顯抑制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)弱電磁信號(hào)處理設(shè)備的有效防護(hù)，保證設(shè)備在軌正常工作。