火箭無線系統電磁兼容性研究

周 萍,宋永生,陳志紅,李 帆,呂英華

(1.北京宇航系統工程研究所,北京 100076；2.北京郵電大學 電子工程學院,北京 100876)

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火箭無線系統電磁兼容性研究

周 萍1，2,宋永生1,陳志紅1,李 帆1,呂英華2

(1.北京宇航系統工程研究所,北京 100076；2.北京郵電大學 電子工程學院,北京 100876)

無線系統作為火箭的關鍵分系統，其電磁兼容性制約了火箭的可靠性。以某固體火箭為例，通過仿真分析研究了天線的電磁輻射特性、無線設備間的耦合程度以及裝艙后系統整體的電場分布，分析結果預示系統可能存在電磁不兼容趨勢。基于仿真結果，設計實施了單機電磁兼容性驗證試驗、桌面散態系統試驗(不含火箭結構影響因素)和系統匹配試驗(含火箭結構影響因素)，分別從設備級、桌面散態(分系統)級和全系統級依次驗證了無線系統的電磁兼容性，得到了該火箭無線系統滿足電磁兼容的結論。通過仿真與試驗的結合，形成了火箭無線系統電磁兼容性研究方法。結果表明，研究方法可行，且具有較高的工程應用價值，可為復雜系統的電磁兼容性設計與驗證提供參考。

火箭；無線系統；電磁兼容；可靠性

0 引言

火箭系統的電磁兼容性是指其在全壽命期所處的電磁環境中正常工作的能力。作為火箭關鍵分系統的無線系統，其電磁兼容性制約了火箭的可靠性。近年來，隨著火箭輕便化、小型化設計的普及，使得火箭構造日趨復雜，艙內布局空間狹小，儀器設備安裝密集，造成無線系統電磁環境復雜，電磁兼容問題凸顯。從電磁兼容角度分析，火箭無線系統存在以下問題[1-2]：(1)無線系統發射天線上箭安裝后，由于火箭材料、結構及設備布局的影響，會使天線輻射方向發生改變，波束范圍部分覆蓋到其他設備的波束范圍，造成信號的偽發射或偽接收；(2)由于火箭艙內布局空間的約束，多臺收發設備在狹小的空間共存，使設備之間極易產生電磁干擾，甚至影響其他分系統的電磁敏感設備；(3)無線系統各收發設備同時工作時，不同收發設備的電磁信號量級及形式不同，造成電場分布不平均；(4)無線系統工作時，不同發射頻點不同調制方式的信號易產生非線性作用，形成亂真信號、諧波信號、交調信號和互調信號，對正常傳輸信號造成干擾；(5)箭上無線系統工作時形成的復雜電磁環境可能會影響火箭測量、控制、收星、定位等功能，對火箭可靠性和安全性造成不良影響。基于上述種種問題，開展火箭無線系統的電磁兼容性研究十分必要。

美國是最早開啟電磁仿真預測技術研究的國家，設計了可實現系統內、間電磁效應分析的程序，其中SEMCAP(系統間電磁兼容分析程序)曾應用于阿波羅載人飛船、先鋒號-木星飛船等系統。前蘇聯、德國、英國和法國等也都先后開展了相應的研究[3]。近幾十年，國內航天領域的相關研究院所圍繞型號需求，開展了電磁仿真分析的研究。北京宇航系統工程研究所開展的運載器仿真研究涉及電場輻射強度分析、空間耦合性能分析、頻率干擾分析、線纜耦合分析、雷電效應分析等。中國空間技術研究院與國防科技大學合作開發的“電磁輻射發射預測分析應用軟件”，用于計算分析航天器上天線之間的耦合性能。哈爾濱工業大學也圍繞衛星平臺開展了衛星射頻系統諧波、互調等非線性干擾的仿真分析研究。

在試驗方面，美國于20世紀60年代就開展了電磁兼容試驗研究，并于1967年就推出了專門用于軍用系統電磁兼容試驗的標準，并成為國際上參考最多的電磁兼容試驗標準之一。歐盟等國在此基礎上也紛紛制定不同類型的電磁兼容試驗規范。我國于20世紀80年代推出了軍用系統的試驗標準[4-5]，規范了軍用系統的電磁兼容試驗工作。

本文以某固體火箭為例，對無線系統天線裝艙前后的電磁特性參數、設備間的電磁耦合程度和裝艙后的系統整體電場分布分別進行了仿真分析，對系統的電磁兼容性進行預測評估；而后基于仿真預測結果，設計并實施無線系統電磁兼容性驗證試驗，分別從單機性能、桌面散態(不含箭體結構影響因素)和全系統(含箭體結構影響因素)逐層驗證了系統的電磁兼容性。通過仿真與試驗相結合的方法，研究了固體火箭無線系統的電磁兼容性。

1 火箭無線系統電磁兼容設計思路

考慮到可能存在的干擾源和抗干擾的薄弱環節，在進行火箭無線系統電磁兼容性設計時，為抑制電磁干擾，實現電磁兼容，需遵循以下思路。

(1)單機電路設計思路。在進行單機電路設計時，按照電平等級分類進行隔離，以減少元器件之間的干擾；采用平衡對稱電路、濾波電路以減少干擾信號；對感性負載加消反峰電路。

(2)天線設計思路。通過共載體天線布局及天線衍射電磁特性分析，確定天線布局；在天線和低噪聲放大器之間使用低插入損耗的帶通濾波器。

(3)結構設計思路。設備與火箭結構各部件之間應具有良好的電接觸，確保電氣連續；儀器外殼與箭體外殼相連，使儀器外殼成為良好的屏蔽罩；敏感器件外殼盡量采用屏蔽涂層處理。

(4)空間布局思路。在進行箭上電氣設備布局安裝位置設計時，在保證性能的前提下，應使干擾源、敏感設備及其電纜在空間上盡量相對隔離，且隔離的越遠越好。

按照以上的設計思路，完成設計的無線系統已能夠很大程度地回避或抑制電磁干擾，但是由于近年來固體火箭在質量控制、材料選型、結構布局等方面的限制愈加嚴格，使得無線系統布局空間更為緊湊、電磁環境更為復雜。因此，系統仍會存在電磁兼容性隱患，還需要采用一定的方法對完成設計后的火箭無線系統進行電磁兼容性研究與驗證。

2 火箭無線系統電磁兼容性仿真分析

考慮到實際情況，火箭無線系統主要安裝于控制艙或儀器艙中，其他結構對無線系統電磁兼容性不會產生太大影響，因此僅選取火箭無線系統的安裝艙段，按照1∶1的結構尺寸在仿真平臺中建立艙體模型，艙體外殼設置為金屬鋁材料，外部按照真實布局情況預留無線系統收發天線布局位置。考慮到天線安裝、設備組成及整體布局對系統電磁兼容性可能產生的影響，仿真將從這些角度出發，分析系統的電磁特性。

2.1 天線安裝影響仿真分析

完成天線上箭安裝后，由于火箭結構、天線布局等因素的影響，會使天線固有的電磁特性發生改變。仿真時，按照真實情況在平臺中設計了幾款S波段無線收發天線。以某S波段遙測發射天線為例，給出天線安裝影響的仿真分析結果。按照要求，該遙測發射天線采用線極化方式，發射功率設置為1 W，端口阻抗為50 Ω。天線輻射特性仿真結果見圖1。從圖1可看出，該遙測發射天線在未上箭安裝時的最大增益為1.1 dB，最大輻射方向3 dB波束寬度為174.3°，距離天線口徑1 m處的遠場強度約為15.7 dBV/m。在天線安裝在艙體上以后，最大增益變為6.2 dB，最大輻射方向3 dB波束寬度變為2.2°，距離天線口徑1 m處的遠場強度變為22.2 dBV/m。天線上箭安裝前后，方向圖和波束范圍發生明顯變化，天線增益和輻射強度也發生一定改變。由此可確定天線安裝會影響其固有特性。

(a) 裝艙前

(b) 裝艙后

2.2 設備組成影響仿真分析

無線系統設備在箭上同時工作時，由于設備之間的組成形式和布置距離的不同，易在設備之間形成互耦，耦合示意圖見圖2。一般用耦合度來衡量設備之間的耦合情況，耦合度的大小決定了設備間相互干擾的強弱。設備間的耦合度可以用下面的公式表示[6]。

ptm=pt-Lm-lm

(1)

(2)

(3)

S=Pt-Pr

(4)

式中ptm為第m副發射天線產生的功率值，dBW；Pt為無線發射系統的輸出總功率值，dBW；Pr為無線接收系統的耦合的總功率值，dBW；Lm為發射功分器系數,dB；lm為發射機到第m副發射天線線纜的損耗值，dB；prn為第n副接收天線接收到的功率值，dBW；Snm為第m副發射天線與第n副接收天線之間的耦合度，dB；Ln為接收功分器系數，dB；ln為接收機到第n副接收天線線纜的損耗值，dB；S為2臺收發設備之間的耦合度，dB。

對于只考慮1臺發射設備和1臺接收設備的情況，可簡化為二端口網絡耦合問題，上面的公式就可簡化為如下形式:

(5)

式中S12為發射設備與接收設備之間的耦合度，dB；P1為發射設備產生的功率值，dBW；P2為接收設備接收到的功率值， dBW。

圖2 無線系統收發設備空間耦合示意圖

以由2臺發射裝置和1臺接收裝置所構成的2對收發設備組合為例，按照設備在真實火箭內部的連接情況，計算2對收發設備之間的耦合度，見圖3所示。

(a) 設備1

(b) 設備2

從圖3可看出，收發設備1在某一頻點附近耦合度為-70 dB，明顯低于收發設備2的在相同頻點處-24 dB的耦合度。證明在該頻點處，收發設備1之間的耦合程度較弱，收發設備2之間的耦合程度較強，初步判定收發設備1之間構成電磁干擾的可能性很小，而收發設備2之間構成電磁干擾的可能性較大。圖中由于得到耦合度值的對應頻點屬于火箭無線系統設計敏感參數，因此圖中不對其進行標注。

2.3 整體布局影響仿真分析

在進行整體布局影響分析時，需要將收發設備按照真實連接關系和空間布局情況設置于艙體模型中，通過對系統進行綜合電磁特性仿真，可觀察系統的整體布局是否合理，評估無線系統能否滿足電磁兼容。

考慮到無線系統設備在箭上工作時會在有限空間內不同形式不同功率的電磁信號，造成電場分布不平均的現象。本文在進行整體布局影響分析時，主要關心無線系統工作時在火箭艙體上的電場分布情況。圖4分別給出了2臺對外產生1 W功率的發射設備在火箭艙體一、三象限對稱布局時，艙體不同剖面的電場分布情況[7]。

(a)一象限最高場強50 V/m (b)一象限最高場強20 V/m

(c) 一象限最高場強10 V/m (d) 三象限最高場強50 V/m

(e)三象限最高場強20 V/m (f)三象限最高場強10 V/m

從圖4可看出，當無線系統設備工作，艙體存在不均勻的電場分布，最大電場輻射強度達到50 V/m，部分位置輻射強度較高，對于靈敏度低的接收設備可能會造成電磁干擾。

2.4 仿真研究總結

通過仿真可看出，天線安裝、設備組成和整體布局都會影響系統的電磁特性。本文所建立的艙體模型和設備模型均參照真實火箭設計，模型結構尺寸為實物的等比例模擬，只是為了便于仿真計算，對部分不影響電磁特性的精細結構進行了簡化處理，得到的仿真結果基本能夠反映真實火箭無線系統的電磁兼容趨勢。

對于該固體火箭而言，天線電磁特性參數在裝艙前后發生改變，個別收發設備之間存在一定的電磁耦合，艙體個別位置存在高達50 V/m的電場輻射，無線系統電場分布不平衡，可能存在電磁不兼容的趨勢[8-11]。

3 火箭無線系統電磁兼容性試驗驗證

仿真無法給出系統是否滿足電磁兼容的確定性結論，因此就需要開展驗證對系統的真實性能加以驗證。考慮到火箭無線系統的組成、位置、布局等因素，進行系統電磁兼容試驗設計，見圖5[12]。

圖5 電磁兼容試驗項目設計

3.1 關鍵單機電磁兼容驗證試驗

收發設備單機性能制約了火箭無線系統的整體性能。按照圖5所設計的試驗項目分別進行亂真無用信號測試、互調信號發射測試、交調信號發射測試、電磁輻射發射測試和電磁敏感度測試，具體試驗方法和量級(極限值)參考了GJB 151A—97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》和GJB 152A—97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量》中CS103、CS104、CS105、RE102和RS103這個對應的描述[4-5]。

通過試驗，驗證了無線系統關鍵單機設備的電磁兼容性，在亂真無用信號、互調信號、交調信號和諧波信號發射抑制及敏感度方面性能較好，在外界存在20 V/m電場輻射的環境中能夠正常工作，不會產生故障或性能降級(20 V/m為標準中對于空間設備設定的試驗量級)。但是，在電磁輻射發射試驗中，參試設備在10 kHz～18 GHz均存在不同程度的輻射超標(極限值曲線按照空間設備進行選取)。這就表明，當無線收發設備全部放置在一起時，會產生復雜的電磁輻射環境，當環境強度低于20 V/m時，系統應能實現電磁兼容，若超出20 V/m的試驗量級，就有可能會造成電磁干擾，若考慮設備組合后的影響就需要進行系統桌面散態試驗。

3.2 系統桌面散態電磁兼容試驗

系統桌面散態試驗，即將火箭全部電氣設備(含無線系統設備)按照在火箭上的大體布局在試驗桌面上平鋪放置，考核全系統的電磁兼容性。在進行試驗時，發射裝置需開啟全功率模式發射模式，接收裝置開啟信號接收模式，同時監測各設備工作時的性能。對于無線系統的試驗驗證，主要為 10 kHz～18 GHz電磁輻射發射測試(試驗方法參考RE102)和20 V/m量級的電場敏感度測試(試驗方法參考RS103)。

在電磁輻射發射測試中，首先保持全部無線收發設備處于關機狀態，使用電磁兼容試驗設備測試背景電磁環境數據，然后再按照火箭飛行工作狀態開啟無線系統設備，進行工作狀態下的電磁輻射發射測試。測試后，將測試數據與背景環境數據進行對比分析，即可判斷是否存在較大的電磁發射。通過試驗發現，無線設備開啟后，100 kHz～100 MHz的電磁信號與背景環境相比整體提升了約25 dB，而無線系統設備主要工作在S波段，因此不是產生低頻電磁發射的主因，這部分的發射可能與電源、電纜泄露有關。在1～18 GHz頻段上，可明顯發現在個別點頻上存在較高發射，這正是無線系統S波段的遙測發射信號。試驗過程中，除個別接收數據出現跳變以外，各設備工作性能正常。

在電場輻射敏感度測試中，在無線系統附近位置施加20 V/m外界電場，使無線設備在此環境中同時工作。通過監測設備性能，發現屬于無線系統的脈沖應答機在試驗過程中出現了幾次誤響應，經過后期排查分析，確認此問題屬于該設備自身的設計裕度問題，不會影響系統整體的性能，不屬于設備性能降級或故障。除此以外，其他收發設備均未出現問題。

由此，經過桌面散態試驗可判斷無線系統各設備在完成連接之后，同時工作時性能正常，未出現系統整體性能降級的現象，能夠實現電磁兼容。

3.3 系統裝艙狀態匹配試驗

桌面散態試驗可驗證設備組成之后的電磁兼容性，而系統裝艙狀態下的匹配試驗則能夠在包含火箭結構、材料及設備空間布局等因素的條件下，真實驗證火箭無線系統整體的電磁兼容性。

系統匹配試驗分為地面狀態系統匹配測試和吊掛狀態系統匹配測試2部分，前者是將安裝有無線系統設備的火箭艙段垂直放置于地面，模擬火箭發射待飛姿態，進行系統匹配和電磁環境測試；后者是將火箭試驗艙段懸空吊掛，模擬火箭發射后在空中飛行時的不同姿態，進行系統匹配和電磁環境測試。通過試驗結果，判斷完成裝配后的無線系統是否電磁兼容。由于火箭其他艙段結構對無線系統的電磁兼容性影響不大，因此出于便于實施的目的，這里也僅選取無線系統安裝艙段作為試驗對象。

3.3.1 地面狀態系統匹配測試

進行地面狀態系統匹配測試時，參試艙段垂直放置于地面，使用固體設備支撐。在艙體上設置電場強度觀測點，放置電場傳感器，測試無線系統工作時的綜合電場強度，在距離艙體5 m處放置電磁輻射接收天線測試無線系統工作時的電磁環境，同時通過在地面運行收星檢查流程進行系統匹配，監測無線系統設備性能和火箭收星定位情況。測試布局見圖6所示。

圖6 地面支撐狀態試驗布局圖

通過試驗，放置于2個位置處的電場探頭探測到的最大電場強度分別為33 V/m和50 V/m，這與上一章關于整體布局影響仿真分析中得到的最大電場強度趨勢一致。在幾個關鍵點頻也測到了無線設備的發射信號。除個別接收數據出現跳變以外，系統整體性能正常，未出現不兼容的現象。

3.3.2 吊掛狀態系統匹配測試

分別將試驗艙段距離地面5 m以上懸空吊掛，按照火箭典型飛行姿態將吊掛狀態分別設置為垂直吊掛、水平吊掛和傾斜吊掛。在此狀態下，將無線系統開啟工作，測試無線系統工作時的綜合電場強度，同時通過在地面運行收星檢查流程進行系統匹配，監測無線系統設備性能和火箭收星定位情況。測試布局圖見圖7。

(a) 垂直、傾斜

(b) 水平

通過試驗，放置于2個位置處的電場探頭探測到的最大電場強度均為50 V/m左右，這與上一章關于整體布局影響仿真分析中得到的最大電場強度趨勢一致。除個別接收數據出現跳變以外，系統整體性能正常，未出現不兼容的現象。

3.4 試驗研究總結

通過試驗發現，雖然在系統個別位置測到了較大的電場輻射，但通過對系統性能檢查結果看，未出現整體性能降級的現象，可認為該火箭無線系統滿足電磁兼容。

4 結論

(1)通過數值仿真，分析了無線系統的電磁特性，發現天線在裝艙前后的輻射特性參數發生變化，設備間的耦合程度隨距離遠近有很大的差別，受艙體布局影響系統整體電場分布不平衡，個別部位出現最大50 V/m的電場強度，給出系統可能存在電磁不兼容趨勢的預測。

(2)驗證試驗中，針對系統特點完成了電磁兼容試驗設計，實現了從單機級、桌面散態級、系統級不同角度逐層驗證系統的電磁兼容性。在無線系統設備同時工作的情況下，測得S波段的遙測發射信號，發現艙體部分位置確實存在50 V/m左右的輻射電場，除個別設備出現可允許的的失誤以外，未出現影響系統整體性能降級的現象。

(3)結合仿真與試驗結果，可判斷該火箭無線系統滿足電磁兼容。同時，由此形成的研究方法可行，研究結果可靠，具有較高的工程應用價值，可為復雜系統的電磁兼容性設計與驗證提供參考。

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(編輯：呂耀輝)

Research on electromagnetic compatibility for wireless system of rocket

ZHOU Ping1,2, SONG Yong-sheng1, CHEN Zhi-hong1, LI Fan1, LV Ying-hua2

(1.Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing 100076, China；2. School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Communications, Beijing 100876, China)

As the key function subsystem, the electromagnetic compatibility (EMC) performance of wireless system directly restrictes the reliability of rocket. To investigate the EMC performance of wireless system of solid rocket, a research method was made. Firstly, the electromagnetic radiation characteristic of antenna, the coupling degree between wireless devices, and the whole E-field distribution of the system were respectively simulative analyzed. Then based on the simulation results, a prediction of the system having not achieve EMC was made. Secondly, a series of EMC tests of system were designed, including EMC validate tests, the tabletop dispersedly system EMC test (without the influence of configuration), and the system matching tests. The implement of these tests respectively validated the EMC performance of system at device level, tabletop (subsystem) level and system level. Based on the test results, a conclusion that the system is EMC was obtained. Combined with the simulation and test results, the method is confirmed to be feasible, and valuable for engineering application，and is applicable for EMC design and validation of complicated system.

rocket；wireless system；electromagnetic compatibility；reliability

2014-11-25；

2015-02-02。

國家“十二五”重點攻關課題。

周萍(1984—)，女，博士生，研究方向為航天運載器電磁環境效應。E-mail:ana0072@163.com

V528;TJ7

A

1006-2793(2015)03-0433-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.026