衛(wèi)星無線傳能系統(tǒng)主動電場屏蔽效能分析

張玉廷，王振興，董亞凱，劉治鋼

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2. 北京市電磁兼容與天線測試工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

0 引 言

能源系統(tǒng)是衛(wèi)星的重要組成部分，不斷有新技術(shù)被提出來以提升衛(wèi)星的供配電系統(tǒng)性能[1]。無線電能傳輸技術(shù)由于能量傳輸過程不需要傳統(tǒng)的設(shè)備間傳輸導(dǎo)線，提高了供電方式的便捷性，近年來得到了越來越多的關(guān)注和研究[2-3]。近場無線傳能為衛(wèi)星性能及可靠性的提升提供了支撐[4-7]，技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在兩方面：1)近場無線傳能使得功率傳輸無纜化成為可能，在一定程度上能減小衛(wèi)星上電纜的重量，提高供配電的靈活性，從而可使衛(wèi)星獲得額外的重量資源以裝備更多的任務(wù)載荷，實現(xiàn)更多或更強(qiáng)的功能；2)對于諸如深空探測、取樣返回等衛(wèi)星任務(wù)，為保證不影響探測或取樣對象，期望盡可能少的與被探測或取樣對象直接接觸，無線傳能技術(shù)使得該期望成為可能。

由于近場無線傳能技術(shù)通過電磁場或電磁波實現(xiàn)能量的傳輸，不可避免的會對系統(tǒng)的電磁兼容性造成影響，電磁輻射影響也成為無線傳能技術(shù)的研究重點[8-12]。對于電磁輻射的控制，主要通過相應(yīng)的屏蔽技術(shù)來實現(xiàn)[13-16]，文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]分別研究了電屏蔽和磁屏蔽對電磁輻射的影響，是其中比較有代表性的工作。對于衛(wèi)星應(yīng)用而言，一方面上述研究主要采取被動屏蔽方式提高屏蔽效能(Shielding effectiveness，SE)，這種增加屏蔽體的方式因會增加無線傳能系統(tǒng)的重量，從而會降低其對于重量有嚴(yán)重控制要求的衛(wèi)星應(yīng)用的吸引力；另一方面，上述研究一般主要對磁場或諧振基頻的屏蔽進(jìn)行研究，而大部分衛(wèi)星更關(guān)注的是對電場輻射的控制，并且控制頻率是包括諧振頻率的寬頻段，單頻點磁場屏蔽不能滿足衛(wèi)星電磁兼容性的應(yīng)用需求。

基于上述問題，本文針對近場無線傳能系統(tǒng)的主動屏蔽方式[19-20]，研究了屏蔽效能分析方法，建立了近場無線傳能主動屏蔽系統(tǒng)的壓控電壓源等效電路模型及等效屏蔽效能計算方法。通過仿真分析，證明所建模型及方法可對空間點和面位置的電場輻射進(jìn)行寬頻段的分析，從而可得出相應(yīng)的等效屏蔽效能。同時對一無線傳能系統(tǒng)進(jìn)行了試驗研究，通過測量對比其在采用主動屏蔽前后的30～100 MHz電場輻射，獲得了等效屏蔽效能并驗證了分析方法。相關(guān)方法可為主動屏蔽方式的設(shè)計實施提供參考。

1 電場屏蔽效能分析

1.1 主動屏蔽防護(hù)模型

對近場無線傳能系統(tǒng)的電磁屏蔽，除采用增加屏蔽殼體的厚度或改變屏蔽殼體的材料外，還可以通過采用一個電流方向與近場無線傳能系統(tǒng)電流方向相反的線圈以實施主動電磁屏蔽。由于電流方向相反，由電磁場定律可知，增加的線圈產(chǎn)生的空間電磁場與無線傳能系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場方向相反，從而可以實現(xiàn)等效的電磁屏蔽?；镜闹鲃悠帘问疽鈭D如圖1所示。此時，在空間S中的電場分布是由近場無線傳能系統(tǒng)的源邊產(chǎn)生的電場ES、負(fù)載邊產(chǎn)生的電場EL和主動屏蔽線圈產(chǎn)生的電場Ei的疊加。

圖1 主動屏蔽示意圖Fig.1 Active shielding configuration

對于圖1所示的主動屏蔽線圈產(chǎn)生的磁場，在一定程度上會減小無線傳能系統(tǒng)中的感應(yīng)磁場，從而會降低無線傳能效率。因此在設(shè)計主動屏蔽線圈時，除要對所關(guān)注的位置及頻率的電磁輻射進(jìn)行屏蔽外，還要注意盡量減小對無線傳能系統(tǒng)線圈中的磁通量影響。此時可采用圖2所示的改進(jìn)的主動屏蔽方式。在文獻(xiàn)[20]中更是將主動屏蔽線圈等分為兩個半環(huán)線圈以降低對傳能效率的影響。

圖2 改進(jìn)的主動屏蔽示意圖Fig.2 Improved active shielding configuration

對于圖2所示的主動屏蔽方式，如果將主動屏蔽環(huán)分為N個扇形環(huán)，則帶有主動屏蔽方式的無線傳能系統(tǒng)等效電路如圖3所示。

圖3 等效電路Fig.3 Equivalent circuit

圖3中，VS為源邊的激勵電壓，rS為源邊內(nèi)阻，RS和LS分別為源邊線圈電阻和自感，IS為源邊電流。rL為負(fù)載電阻，RL和LL分別為負(fù)載邊線圈電阻和自感，IL為負(fù)載邊電流。Vi為第i個主動屏蔽扇形環(huán)的激勵電壓，Ri和Li分別為其中線圈的電阻和自感，Ii為其中的電流。M表示各線圈之間的互感。C及下標(biāo)表示對應(yīng)各邊為實現(xiàn)諧振所設(shè)計的電容。

1.2 電場輻射分析

對于圖3所示的等效電路，其系統(tǒng)方程為：

(1)

式中：

(2)

由圖1可知，空間電場E是由無線傳能系統(tǒng)與主動屏蔽部分產(chǎn)生電場輻射的矢量疊加，即：

(3)

式中：Ei表示無線傳能和主動屏蔽中第i個線圈產(chǎn)生的輻射電場。

將空間的電場輻射與電路中的電流以一傳輸矩陣T(x,y,z)=[x,y,z]·[tx,ty,tz]T聯(lián)系起來，有：

Ei(x,y,z)=Ti(x,y,z)Ii

(4)

式中：Ii表示式(1)中的電流矩陣中的元素。

于是，在直角坐標(biāo)系中，空間(x,y,z)處的電場幅值E(x,y,z)可表示為：

(5)

屏蔽的目的是為使得空間電場盡可能小，通過設(shè)計主動屏蔽得到minE(x,y,z)]。對于在空間某個位置的方向矢量p=(px,py,pz)，理想情況下期望：

(6)

于是，根據(jù)式(1)可得：

(7)

式(7)表明，存在一組系數(shù)α，使得：

-α1V1-α2V2-…-αNVN=VS

(8)

即通過調(diào)整主動屏蔽線圈的激勵電壓，可實現(xiàn)空間某個位置輻射電場的有效衰減。其中α為：

[α]=[P][T][Z]-1

(9)

不失一般性，同時在衛(wèi)星應(yīng)用中，通常要求限制的是某個面的電場輻射，而非某個點的電場輻射。若所要控制電場輻射平面S的切向量為n，則由式(3)和式(4)可得空間輻射電場為：

(10)

令：

(11)

為使平面S的電場輻射盡可能小，理想情況下使得：

(12)

式(12)表明，存在一組系數(shù)β，使得：

-β1V1-β2V2-…-βNVN=VS

(13)

即通過調(diào)整主動屏蔽線圈的激勵電壓，可實現(xiàn)空間某個面輻射電場的有效衰減。其中β為：

[β]=[ρ][Z]-1

(14)

通過式(8)和式(13)設(shè)置主動屏蔽線圈的激勵電壓，由式(7)和式(12)的等式左側(cè)可計算空間電場輻射。

1.3 主動屏蔽防護(hù)效能分析

式(8)和式(13)表明，主動屏蔽線圈的激勵電壓可與無線傳能系統(tǒng)的電壓源相關(guān)聯(lián)，即屏蔽線圈的激勵電壓源可采用一個由無線傳能系統(tǒng)電壓源控制的壓控電壓源。實際工程應(yīng)用過程中，為簡化系統(tǒng)設(shè)計，主動屏蔽線圈通常設(shè)計為等分尺寸，每個線圈的電壓相同，此時圖3所示的等效電路可表示成圖4所示的形式。其中Ra和La分別為主動屏蔽線圈的電阻和自感，Ca為電容。

圖4 壓控電壓源等效電路Fig.4 Voltage controlled voltage source equivalent circuit

此時，為求空間某個位置和某個面的輻射電場的電路方程為：

(15a)

(15b)

空間電場輻射幅值為：

(16a)

(16b)

則等效電磁屏蔽效能可由下式計算：

(17a)

(17b)

式中：KP和KS分別為對應(yīng)空間某個位置和某個面的屏蔽效能。

對于所關(guān)注頻率的屏蔽效能，可對源電壓VS做傅里葉變換，根據(jù)所關(guān)注頻率處的電壓分量按照上式可得到對應(yīng)的等效屏蔽效能。

2 分析驗證

為驗證第1節(jié)所述的方法，建立分析驗證模型，其中無線傳能系統(tǒng)線圈半徑為50 mm，間距為50 mm，線圈為10匝，諧振頻率為85 kHz。主動屏蔽線圈內(nèi)徑為180 mm，外徑為350 mm。

在平行于線圈所在平面上，垂直距離為500 mm處，分析屏蔽效能，結(jié)果如表1所示。其中壓控系數(shù)α為0.28，分析頻率為85 kHz。

表1 不同位置屏蔽效能分析結(jié)果Table 1 SE analysis results in on different positions

從表1的分析結(jié)果可知，第1節(jié)所述的方法可對主動屏蔽方式的等效屏蔽效能進(jìn)行有效分析。在所分析的四個位置，屏蔽效能大于15 dB。同時系統(tǒng)傳輸效率降低2.2%。相對系統(tǒng)效率減小所帶來的屏蔽效能優(yōu)化，證明主動屏蔽方式是有效和可行的。

在垂直于線圈所在平面上，距離線圈500 mm處，分析所在平面的屏蔽效能，分析結(jié)果如圖5所示。其中壓控系數(shù)β為0.05，分析頻率為85 kHz。

圖5 系數(shù)0.05時85 kHz屏蔽效能分析結(jié)果Fig.5 SE analysis result at 85 kHz with β=0.05

由圖5可知，在所分析平面上，等效屏蔽效能在5～30 dB，相應(yīng)系統(tǒng)傳輸效率降低1.9%。

優(yōu)化壓控系數(shù)β為0.29，分析結(jié)果如圖6所示。對比圖5和圖6可知，通過調(diào)整壓控系數(shù)，屏蔽效能可以提升3～10 dB。相應(yīng)的系統(tǒng)傳輸效率降低2.6%。因此，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)所要控制位置的輻射電場強(qiáng)度，以及系統(tǒng)傳輸效率的允許降低程度，調(diào)整壓控系數(shù)以改變等效屏蔽效能。

圖6 系數(shù)0.29時85 kHz屏蔽效能分析結(jié)果Fig.6 SE analysis result at 85 kHz with β=0.29

將源電壓做傅里葉變換，得到30 MHz和100 MHz的電壓分量，分析屏蔽效能如圖7所示。

圖7 不同頻率的屏蔽效能Fig.7 SE of different frequencies

由圖7可知，通過獲取所要分析頻率的電壓源分量，可對所要關(guān)注頻率的屏蔽效能進(jìn)行分析。同時也說明主動屏蔽方式可在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)對空間輻射電場的屏蔽，這將適用于衛(wèi)星的應(yīng)用需求。

3 試驗驗證

為驗證相關(guān)方法，對一無線傳能裝置進(jìn)行測試。測試場地為標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性實驗室，被測無線傳能設(shè)備功率為100 W，電壓為42 V，頻率為300 kHz。主動屏蔽線圈內(nèi)徑為150 mm，外徑為250 mm的環(huán)形。測試現(xiàn)場如圖8所示。測試方法及測試系統(tǒng)按照GJB151B-2013中RE102的測試要求執(zhí)行和布置。在距離被測設(shè)備1 m遠(yuǎn)處進(jìn)行電場輻射發(fā)射測試。

圖8 測試照片F(xiàn)ig.8 Test graph

測試頻段為30～100 MHz，分別在不采用和采用主動屏蔽的方式下進(jìn)行電場輻射測試，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 電場輻射測試結(jié)果Fig.9 Electric field radiation test results

從測試結(jié)果來看，在所測試的30～100 MHz頻段內(nèi)，除在57～63 MHz采取屏蔽后的電場輻射略高于未屏蔽后的電場輻射，以及90～100 MHz電場輻射量級相當(dāng)外，在其他頻段，主動屏蔽方式起到了較好的屏蔽效果，尤其是對系統(tǒng)中一些顯著頻點的電場輻射進(jìn)行了抑制。從總體效果來看，主動屏蔽措施可以提高設(shè)備的電磁兼容性能。表2中給出了典型頻點屏蔽效能試驗和分析對比結(jié)果。

表2 屏蔽效能分析和試驗對比Table 2 SE analysis and test comparison

相對測試結(jié)果，分析得到的等效屏蔽效能偏大，主要原因來自于分析時未考慮主動屏蔽電路引入的附加電場輻射，以及未考慮系統(tǒng)其它部分的電場輻射情況。從對比結(jié)果來看，分析結(jié)果與測試結(jié)果的誤差在4.6 dB以內(nèi)，滿足相關(guān)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中分析相對試驗6 dB裕度的要求[21]，因此分析方法可以滿足工程應(yīng)用需求。

圖9中，對于主動屏蔽未發(fā)揮明顯作用的兩個頻段，主要原因是系統(tǒng)增加相關(guān)的電路后，會引入額外的電場輻射，從而造成等效屏蔽效能的下降。這是采用主動屏蔽設(shè)計所帶來的一個代價。系統(tǒng)在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮額外增加的電磁輻射頻段不要與衛(wèi)星射頻接收頻段重合。主動屏蔽帶來的另一個代價是會抵消近場無線傳能線圈中的磁通量，造成系統(tǒng)效率降低。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，采用主動屏蔽后，近場無線傳能效率會由90%下降到87.7%。為評估主動屏蔽設(shè)計代價對衛(wèi)星的影響，驗證了傳統(tǒng)的無源屏蔽對改善近場無線傳能系統(tǒng)電磁輻射的作用。通過采用近場探頭測試發(fā)現(xiàn)，圖8所示的近場無線傳能裝置的電磁輻射主要來自于接插件及電纜的電磁輻射，因此對除功率線外，其它各接插件及電纜采用雙面鍍鋁聚酰亞胺膜屏蔽包覆。為確保供電安全性，衛(wèi)星上功率電纜一般不允許額外做屏蔽處理。屏蔽后的測試對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 無源屏蔽輻射對比結(jié)果Fig.10 Radiation comparison results of passive shielding

從結(jié)果來看，在30～100 MHz頻段內(nèi)很難通過無源屏蔽的方式降低系統(tǒng)的電磁輻射。在衛(wèi)星實際電磁干擾抑制中也發(fā)現(xiàn)，低頻段的電磁輻射很難單純通過無源屏蔽的設(shè)計來抑制。而在諸如深空探測等應(yīng)用近場無線傳能系統(tǒng)的衛(wèi)星，往往會配置高靈敏度的低頻探測系統(tǒng)。此時，為確保系統(tǒng)在良好的電磁環(huán)境中工作，降低對其電磁干擾的幾率，采用主動屏蔽設(shè)計方式是有效的，所付出的代價是可以接受的。

4 結(jié) 論

本文針對衛(wèi)星近場無線傳能系統(tǒng)寬頻段電場屏蔽效能分析評估問題，針對主動屏蔽方式，建立了分析模型并給出了分析方法。主要結(jié)論為：

1) 采用主動屏蔽的近場無線傳能系統(tǒng)可建為帶壓控電壓源的電路模型，主動屏蔽線圈的電壓源由無線傳能系統(tǒng)激勵源電壓控制，空間電場輻射可由電路特性和傳輸矩陣計算得到，寬頻段的屏蔽效能通過對激勵源進(jìn)行傅里葉變換，由關(guān)注頻率的電壓分量計算得到。

2) 主動屏蔽方式的等效屏蔽效能與所要求的空間位置和頻率有關(guān)，在設(shè)計主動屏蔽過程中，應(yīng)根據(jù)該約束選擇合適的壓控系數(shù)，以獲取期望的屏蔽效能。從分析示例和試驗驗證來看，主動屏蔽方式可提供約5～30 dB的屏蔽效能。同時需要注意主動屏蔽電路引入的額外電場輻射會在一定程度上降低屏蔽效能。

3) 需要注意的是，采用主動屏蔽方式會抵消一定的近場無線傳能系統(tǒng)線圈內(nèi)的磁通量，從而影響傳輸效率。從分析示例來看，傳輸效率降低不超過2.6%。因此，在實施主動屏蔽設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮所需達(dá)到的屏蔽效能要求和傳輸效率容許要求。