星載某設備高阻接地設計對整星電磁兼容性的影響

程麗麗，陽 彪

（北京空間飛行器總體設計部 北京市電磁兼容與天線測試工程技術研究中心，北京 100094）

0 引言

接地是決定衛星平臺系統電磁兼容（EMC）性能優劣的關鍵因素。良好的接地可以抑制電磁噪聲，提高系統抗擾度；而不良的接地可能導致電路系統工作不穩定，降低屏蔽層的屏蔽效能，產生靜電積累等不良效應[1]。為了降低機殼短路風險，星載某設備的接地方式由機殼直接接地改為高阻接地，并需對設計變更對整星電磁兼容性能的影響進行仿真分析與試驗驗證。

本文首先對所采用的高阻接地設計方法進行介紹和理論分析；然后利用電磁仿真軟件CST 根據實際物理模型進行建模仿真，分析不同接地方式對整星屏蔽效能和傳導特性的影響；最后在故障模 擬衛星平臺上對采用直接接地與高阻接地對整星EMC 特性的影響進行比較驗證試驗。

1 某設備高阻接地設計及其對EMC 影響 分析

1.1 高阻接地設計

某設備內部電源正母線對機殼的安全距離較小，存在對機殼短路的隱患。如果設備機殼直接接地，則有可能在整星地上引入電源正電位，因此必須在設備的機殼與整星結構地之間插入一個合適的阻抗進行隔離，并建立電荷泄放通路，以防止設備外殼靜電積累。此即高阻接地電路[2]。

高阻接地中的阻抗必須足夠大，以避免故障引起的短路；同時也要足夠小，以便能夠提供一個穩定的參考電位。例如，對于28 V 的電源系統，2 kΩ的阻抗可以將整星地電流限制在mA 級（28 V/ 2 kΩ=14 mA，最高功率損耗為0.39 W）。這可以讓設備機殼與整星地的電位非常接近，同時又可避免上述電源正線對機殼短路之類的故障。但采取高阻接地的方式，有可能在電源總線上產生較大的共模噪聲。為了濾除共模噪聲，需要在阻抗兩端并聯電容，具體的高阻接地電路形式見圖1。

圖1 電阻并聯+電容串聯的高阻接地設計Fig.1 Leak circuit of parallel resistance and serial capacitance

1.2 高阻接地設計對EMC 影響分析

某設備嵌入安裝在艙板中，設備機箱可作為整星艙體的一部分保證整星艙體的屏蔽效能。如果此設備機箱采用高阻接地設計，將使整星艙板不連續，在正常工作模式下也可能影響整星艙體的屏蔽效能，對應的仿真分析見2.1 節。在故障模式下，母線正端與設備的機殼短路，母線中的干擾信號通過高阻接地電路進入整星地回路，可能會對整星傳導特性造成影響，對應的仿真分析見2.2 節。此外，設備機箱上會有靜電積累，采用高阻接地設計可能會影響設備機箱上累積靜電電荷的泄放[3]。

2 仿真分析

2.1 高阻接地設計對整星艙體屏蔽效能影響

流經某設備的電源線與信號線以10～12 V 的直流線或低頻線為主，且在此設備處無接地。利用電磁仿真軟件CST[4]，并根據設備的實際物理模型進行建模仿真分析。

將設備機殼簡化成一個金屬筒，其外表面與星體結構地的最短垂直距離為5 cm。設備機殼內布設20 根非屏蔽信號線，信號線呈自由捆扎狀態（仿真模型見圖2），且自成回路不接地。假設線上傳輸信號幅度為0.1 V，頻率為10 MHz（電源線上的干擾多為低頻干擾），設備直接接地和采用高阻接地的等效電路分別見圖3(a)和圖3(b)。可通過對整星艙體外電場觀測點處（設備機殼外表面正上方210 mm）的電場強度變化仿真[5]（如圖4所示）來比較設備機箱直接接地與采用高阻接地對整星艙體屏蔽性能的影響情況。

圖2 設備內信號線的仿真模型Fig.2 Simulation model of signal wires inside the device

圖3 設備機箱不同接地方式等效電路Fig.3 The equivalent circuit for different shieldings of the device box

圖4 空間電場的仿真結果Fig.4 The simulation results of spatial electric field for different shieldings

從仿真結果可以看出，由于線纜傳輸的信號強度及頻率很低，在機殼表面感應的電流十分微弱，所以由感應電流引起的電場輻射非常微弱，外部電場強度的變化幾乎可以忽略。因此設備采用高阻接地設計后對整星艙體的屏蔽效能影響不明顯。

2.2 高阻接地設計在故障模式下對整星傳導特性 影響

某設備的控制線纜中包含25 根屏蔽信號線（仿真模型見圖5），其中8 根信號線屏蔽層的一端通過高阻接地，另外17 根信號線的屏蔽層在此設備驅動線路盒端直接接地。故障情況下，8 根通過高阻接地的信號線屏蔽層上可能帶電42 V，并攜帶低頻的電源紋波。在這8 根信號線的屏蔽層上模擬故障模式，注入激勵信號（42 V 直流電壓源，同時疊加幅度400 mV、頻率10 Hz 的正弦信號模擬 電源紋波），等效電路如圖6所示。

圖5 故障模式下某設備采用高阻接地設計對傳導信號 的影響仿真模型Fig.5 Simulation model of conduction signal for float-grounding device in failure mode

圖6 故障模式下某設備采用高阻接地設計對傳導信號的影響等效電路Fig.6 Equivalent circuit of conduction signal for float-grounding device in failure mode

仿真后得到故障模式下8 根信號線芯線上感應到的干擾電壓及電流[6]（見圖7）。

圖7 芯線上感應到的干擾電壓和電流Fig.7 Interference voltage and current coupled in the eight data wires

從圖中可見，干擾電壓不大于25 μV，說明此 設備采用高阻接地設計不會對整星傳導特性造成明顯影響。

3 比較驗證試驗

與某設備有聯系的只有供配電分系統和控制分系統，因此在只包含這2 個分系統的衛星故障模擬仿真平臺上進行整星EMC 試驗，此平臺機械結構同實際整星。

為了驗證此設備采用高阻接地設計以后對整星電磁兼容性的影響，以仿真分析的結果為依據，有針對性地設計了驗證項目（見表1）[7]。

在衛星故障模擬平臺上進行了表1所列的試驗項目[10]，試驗限值參考型號技術規范實施。在ESD 試驗中，設備正常工作狀態和故障模式下采用直接接地和高阻接地，供配電和控制分系統均未出 現受擾現象。RS103、CS114 試驗中供配電分系統出現了受擾現象，控制分系統未出現受擾現象；在RS103、CS114、CS115、CS116 試驗中供配電和控制分系統都出現了受擾現象，但是采用直接接地和高阻接地這2 種狀態下受擾現象基本相當。以上整星EMC 試驗驗證了仿真結果的正確性，并且可以看出某設備采用高阻接地設計不會對整星電磁兼容特性造成明顯影響。

4 結束語

某設備的高阻接地設計首次在衛星平臺上采用。通過對此設備采用高阻接地設計后對整星屏蔽效能及傳導特性影響的仿真分析，以及在衛星故障模擬平臺上實施的試驗驗證，充分證明此設備采用高阻接地設計對整星EMC 沒有明顯影響，對后續型號類似設備采用高阻接地設計具有借鑒意義。

（References）

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