陶成華 李延?xùn)|

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

以多星編隊(duì)和多組衛(wèi)星組網(wǎng)模式運(yùn)行的小衛(wèi)星星座，是小衛(wèi)星發(fā)展和應(yīng)用的重要方向[1-3]。衛(wèi)星配置多種并行工作的載荷、衛(wèi)星更高的功能密度比、多星協(xié)同工作、星間互連互通等，是小衛(wèi)星及其星座發(fā)展的重要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)所在。在此背景下，小衛(wèi)星星座的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證問(wèn)題變得更加突出和困難[4-9]。其主要問(wèn)題和難點(diǎn)如下。

(1)單顆小衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸鏈路主要包括對(duì)地測(cè)控鏈路和對(duì)地?cái)?shù)傳鏈路，而小衛(wèi)星星座為了便于星座的在軌管理和數(shù)據(jù)傳輸，往往要增加星間測(cè)控鏈路和星間數(shù)傳鏈路，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的互連互通功能。星間鏈路的增加，加大了衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)在頻域分配和隔離的難度。

(2)小衛(wèi)星星座一般采用一箭多星發(fā)射、在軌快速組網(wǎng)，需要盡量壓縮衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量，因此衛(wèi)星集成度要進(jìn)一步提高，功能密度比要進(jìn)一步擴(kuò)大。衛(wèi)星大量功能設(shè)備安裝在狹小的空間內(nèi)，特別是各類(lèi)射頻天線往往都集中安裝在面積只有1～2 m2的結(jié)構(gòu)板上，天線之間的距離很近。同時(shí)，為了滿足各天線的視場(chǎng)需求，天線之間的安裝高度沒(méi)有大的差異，導(dǎo)致天線之間的互相耦合比以往衛(wèi)星更加嚴(yán)重，由此更是加大了衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)在空域分配和隔離的難度。

(3)小衛(wèi)星星座在軌工作時(shí)，還經(jīng)常要進(jìn)行多顆衛(wèi)星和多種載荷的協(xié)同配合，需要在任務(wù)載荷工作的同時(shí)通過(guò)星間鏈路將多顆衛(wèi)星的載荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯集到星座中某一顆衛(wèi)星上進(jìn)行快速處理、下傳，需要多臺(tái)具有不同任務(wù)功能、不同電磁輻射特性的載荷設(shè)備同時(shí)開(kāi)機(jī)工作，配合完成既定的復(fù)雜任務(wù)。因此，多臺(tái)載荷設(shè)備之間、載荷設(shè)備與星間鏈路之間，無(wú)法通過(guò)分時(shí)工作的方式規(guī)避彼此之間可能存在的電磁兼容問(wèn)題，由此加大了衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)在時(shí)域分配和隔離的難度。

文獻(xiàn)[4-9]中介紹了衛(wèi)星EMC設(shè)計(jì)中相關(guān)技術(shù)，包括收發(fā)潛在干擾頻率分析、干擾抑制和隔離、接收設(shè)備屏蔽處理、收發(fā)天線隔離設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù)。其中，強(qiáng)調(diào)了頻域、空域和時(shí)域隔離對(duì)于EMC的重要性，但是沒(méi)有提出面向衛(wèi)星系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)及驗(yàn)證難題的解決措施或可供借鑒的措施。在不改變星載各單機(jī)EMC設(shè)計(jì)特性的前提下，本文根據(jù)前述3個(gè)難點(diǎn)，提出了基于最小資源占用的星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)理念和基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證策略，并通過(guò)具體應(yīng)用證明了其可行性和有效性。

1 基于最小資源占用的星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)

基于最小資源占用的星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)理念，是針對(duì)小衛(wèi)星星座在頻域、空域和時(shí)域的分配和隔離難題，通過(guò)整合頻率資源和設(shè)備資源，確保在星座層面的頻域、空域和時(shí)域的資源需求最小化，從而降低資源分配和隔離的難度，達(dá)到系統(tǒng)電磁兼容的目的。

1.1 設(shè)計(jì)流程

由于小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)存在頻域、空域和時(shí)域分配和相互隔離的難度，系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)不能再像以往衛(wèi)星一樣，依照衛(wèi)星功能設(shè)備需求，對(duì)3個(gè)域進(jìn)行簡(jiǎn)單的需求分配和隔離設(shè)計(jì)。在此情況下，系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)要同時(shí)完成資源占用的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保在頻域、空域和時(shí)域不僅完成資源的分配，還要盡可能實(shí)現(xiàn)足夠的隔離度，提高設(shè)備間的電磁兼容裕度，給最終的工程實(shí)現(xiàn)留下更多的余量。圖1是小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)的流程，在其中2處流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了頻域資源和設(shè)備資源的占用最小化設(shè)計(jì)。

圖1 基于最小資源占用的EMC設(shè)計(jì)流程Fig.1 EMC design flow based on minimum resources occupied

從圖1可見(jiàn)，首先要完成功能梳理和列表分析，進(jìn)行時(shí)域的分配，明確各功能在時(shí)域的重疊情況。對(duì)于時(shí)域非重疊的功能，需要開(kāi)展頻域資源占用最小化設(shè)計(jì)，即對(duì)于分時(shí)工作的功能設(shè)備，可以將其頻率進(jìn)行部分或者完全的復(fù)用設(shè)計(jì)。頻域資源占用最小化，可以減少頻率申請(qǐng)和報(bào)批，壓縮整星頻率的數(shù)量和頻段的數(shù)量；可以在頻率分配和隔離設(shè)計(jì)時(shí)，具有更大的靈活性，具備更好的隔離度，提高最終設(shè)備間的電磁兼容裕度；可以壓縮整星各設(shè)備射頻器件、材料的規(guī)格，實(shí)現(xiàn)盡可能多的器件和材料的統(tǒng)一選用。此后，可以開(kāi)展各功能在頻域的分配，明確頻率重疊的功能。對(duì)于頻域重疊的功能，需要開(kāi)展設(shè)備資源占用最小化設(shè)計(jì)，即盡可能考慮整臺(tái)單機(jī)或功能模塊、組件的復(fù)用設(shè)計(jì)，以減少整星的功能設(shè)備數(shù)量。設(shè)備資源占用最小化，可以節(jié)省質(zhì)量、功耗和經(jīng)費(fèi)；可以方便進(jìn)一步的空域分配和隔離設(shè)計(jì)。系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)還要結(jié)合衛(wèi)星的構(gòu)型布局設(shè)計(jì)，完成空域的分配和隔離設(shè)計(jì)，從而保證各功能模塊和設(shè)備間的電磁兼容。上述設(shè)計(jì)完成后，就能實(shí)現(xiàn)單顆衛(wèi)星對(duì)頻率資源和設(shè)備資源的最小占用。最后，還要統(tǒng)籌考慮星座多顆衛(wèi)星，統(tǒng)一進(jìn)行資源占用最小化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)星座的設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)一、成本降低，滿足星座統(tǒng)一設(shè)計(jì)、組批生產(chǎn)的要求，以更加符合現(xiàn)代小衛(wèi)星工業(yè)化和商業(yè)化的特點(diǎn)。

1.2 典型設(shè)計(jì)案例

為了進(jìn)一步闡述基于最小資源占用的星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)理念，下面結(jié)合某小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)，舉例說(shuō)明。該小衛(wèi)星星座中每顆衛(wèi)星需要具備獨(dú)立的對(duì)地測(cè)控鏈路和獨(dú)立的對(duì)地?cái)?shù)傳鏈路，這2條鏈路與以往衛(wèi)星相同，其中測(cè)控鏈路包括上行、下行各1個(gè)頻點(diǎn)，使用S頻段。對(duì)地?cái)?shù)傳僅1個(gè)下行頻點(diǎn)，使用X頻段。此外，為了完成星座功能，需要具備與其他衛(wèi)星雙向通信的星間測(cè)控鏈路，以及向其他衛(wèi)星傳送載荷數(shù)據(jù)的高速的單向星間數(shù)傳鏈路，這2條鏈路均使用X頻段。

按照以往衛(wèi)星的系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)前已經(jīng)完成了頻率資源的申請(qǐng)和分配。一顆衛(wèi)星需要申請(qǐng)和占用的頻率資源為：對(duì)地測(cè)控占用S頻段2個(gè)頻點(diǎn)(上行/下行各1個(gè)頻點(diǎn))，對(duì)地?cái)?shù)傳占用X頻段1個(gè)頻點(diǎn)，星間測(cè)控占用X頻段2個(gè)頻點(diǎn)(前向/返向各1個(gè)頻點(diǎn))，星間數(shù)傳占用X頻段1個(gè)頻點(diǎn)。對(duì)于由N顆衛(wèi)星組成的小衛(wèi)星星座，需要申請(qǐng)和占用的頻率資源為：S頻段頻點(diǎn)數(shù)2N，X頻段頻點(diǎn)數(shù)4N。如果星座衛(wèi)星數(shù)N很大時(shí)，大量的頻率資源占用申請(qǐng)很難獲得批準(zhǔn)。此外，頻點(diǎn)數(shù)量過(guò)多，需要相應(yīng)配備的濾波器、放大器的種類(lèi)和規(guī)格也多；星上射頻諧波和雜波特性會(huì)更加復(fù)雜，從而產(chǎn)生更多的組合干擾頻率，導(dǎo)致頻率隔離和抑制更加復(fù)雜和困難。頻率資源占用過(guò)多，會(huì)降低設(shè)備間的電磁兼容裕度，導(dǎo)致最終電磁兼容問(wèn)題難以解決。本文的小衛(wèi)星星座采用基于最小資源占用的小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)思想，解決了該難題。

(1)按照?qǐng)D1的流程，經(jīng)過(guò)時(shí)域分配，星座各衛(wèi)星的對(duì)地?cái)?shù)傳和星間數(shù)傳是分時(shí)工作的，在時(shí)域上是非重疊的。因?yàn)樾亲餍l(wèi)星要么直接通過(guò)對(duì)地?cái)?shù)傳鏈路將載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫赐ㄟ^(guò)星間數(shù)傳鏈路將載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌l(wèi)星，再通過(guò)其他衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面，因此不會(huì)出現(xiàn)這2條鏈路同時(shí)工作的情形。因此，在實(shí)現(xiàn)頻域資源占用最小化設(shè)計(jì)時(shí)，可將星間數(shù)傳的頻率設(shè)置成與對(duì)地?cái)?shù)傳的頻率相同。

(2)在頻域分配設(shè)計(jì)時(shí)，星座各衛(wèi)星的星間數(shù)傳頻點(diǎn)分配在X頻段，而星間測(cè)控頻點(diǎn)也分配在X頻段，從功能上看，星間數(shù)傳的頻點(diǎn)為發(fā)射頻點(diǎn)，星間測(cè)控的前向頻點(diǎn)也為發(fā)射頻點(diǎn)，兩者之間不存在電磁兼容問(wèn)題，因此可以將這2個(gè)頻點(diǎn)設(shè)置成相鄰的頻點(diǎn)。同時(shí)，為了提高設(shè)備間的電磁兼容裕度，盡可能實(shí)現(xiàn)頻率域的隔離，衛(wèi)星的星間測(cè)控返向頻點(diǎn)作為接收頻點(diǎn)，選擇與這2個(gè)發(fā)射頻點(diǎn)差異盡可能大的X頻段其他頻點(diǎn)。以進(jìn)行相互通信的2顆衛(wèi)星為例：A衛(wèi)星的星間測(cè)控發(fā)射和星間數(shù)傳發(fā)射頻點(diǎn)選擇在X頻段的低端，如8 GHz附近；A衛(wèi)星的星間測(cè)控接收頻點(diǎn)則選擇在X頻段的高端，如9 GHz附近。B衛(wèi)星的星間測(cè)控接收頻點(diǎn)選擇在A衛(wèi)星的發(fā)射頻點(diǎn)上，B衛(wèi)星的星間測(cè)控發(fā)射和星間數(shù)傳發(fā)射頻點(diǎn)選擇在A衛(wèi)星的接收頻點(diǎn)上。這樣設(shè)計(jì)之后，單顆衛(wèi)星上的收發(fā)頻點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)盡可能大的隔離，提高電磁兼容裕度，減少后續(xù)空域分配的難度。更重要的是，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的共享，例如可以共用發(fā)射天線，可以共用接收天線、共用前級(jí)放大器、濾波器等，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源占用的最小化。

(3)由于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了星間數(shù)傳和對(duì)地?cái)?shù)傳的頻率復(fù)用設(shè)計(jì)，因此可進(jìn)一步考慮兩者的設(shè)備資源復(fù)用設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮將衛(wèi)星的星間數(shù)傳幀格式、碼速率、編碼方式等設(shè)計(jì)成與對(duì)地?cái)?shù)傳完全相同，而對(duì)地?cái)?shù)傳的相關(guān)參數(shù)僅需要與地面接收系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致即可。在功能設(shè)計(jì)上，由于不需要考慮星間數(shù)傳和對(duì)地?cái)?shù)傳同時(shí)工作的模式，因此在鏈路參數(shù)和頻率完全相同的情況下，可以設(shè)計(jì)成星間數(shù)傳和對(duì)地?cái)?shù)傳設(shè)備盡可能的復(fù)用。其原理框圖如圖2所示，星間數(shù)傳和對(duì)地?cái)?shù)傳通過(guò)一個(gè)微波開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)分時(shí)工作在星間數(shù)傳或?qū)Φ財(cái)?shù)傳模式。選擇通過(guò)開(kāi)關(guān)切換，是因?yàn)閷?duì)地?cái)?shù)傳和星間數(shù)傳在具體通信鏈路的方向上有區(qū)別，對(duì)地?cái)?shù)傳是面向地面站傳輸，星間數(shù)傳是面向衛(wèi)星間傳輸，因此天線的朝向存在差異。另外，對(duì)地?cái)?shù)傳和星間數(shù)傳的通信距離存在差異，對(duì)發(fā)射天線的增益要求不同，因此很難設(shè)計(jì)成一副天線，這樣就需要通過(guò)微波開(kāi)關(guān)在2副天線間進(jìn)行切換。經(jīng)過(guò)以上設(shè)備的復(fù)用設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)星間數(shù)傳和對(duì)地?cái)?shù)傳設(shè)備絕大部分設(shè)備的共用，達(dá)到設(shè)備資源最小占用的目的。

圖2 星間數(shù)傳和對(duì)地?cái)?shù)傳統(tǒng)一設(shè)計(jì)Fig.2 Unified design of data transmission to intersatellite and ground

(4)在小衛(wèi)星星座層面，盡可能考慮頻率資源的最小占用。采取的主要措施是，相同功能的鏈路選擇相同的頻點(diǎn)，通過(guò)采用不同擴(kuò)頻碼進(jìn)行碼分的方式實(shí)現(xiàn)星座不同衛(wèi)星間的干擾抑制。星座所有衛(wèi)星的對(duì)地測(cè)控頻點(diǎn)選擇相同的上行/下行頻點(diǎn)對(duì)，各衛(wèi)星對(duì)地測(cè)控的發(fā)射功率和接收靈敏度均相同，優(yōu)選相關(guān)特性良好的擴(kuò)頻碼，不同擴(kuò)頻碼間具有不低于15 dB的抗干擾能力。通過(guò)碼分的方式，避免星座內(nèi)各衛(wèi)星間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)一個(gè)測(cè)控站對(duì)星座多顆衛(wèi)星的同時(shí)測(cè)控，節(jié)省對(duì)地面測(cè)控站資源的占用。由于星座內(nèi)不同衛(wèi)星的對(duì)地測(cè)控頻點(diǎn)一致，除了與擴(kuò)頻碼相關(guān)的數(shù)字基帶軟件外，星座內(nèi)所有星載應(yīng)答機(jī)的射頻組件、下位機(jī)、測(cè)控天線，均統(tǒng)一設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)、高度互換，從而實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)計(jì)概率的抽樣環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證、批次驗(yàn)收，以及星座內(nèi)不同衛(wèi)星間星載設(shè)備研制生產(chǎn)資源的最大共用。星座所有衛(wèi)星的星間測(cè)控頻點(diǎn)選擇相同的前向/返向頻點(diǎn)對(duì)，與對(duì)地測(cè)控鏈路相同，通過(guò)擴(kuò)頻碼分的方式實(shí)現(xiàn)星座不同衛(wèi)星間的干擾抑制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星座內(nèi)不同衛(wèi)星的星間測(cè)控鏈路設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)一。

采用基于最小資源占用的小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)后，對(duì)于由N顆衛(wèi)星組成的星座，其頻率規(guī)劃優(yōu)化情況見(jiàn)表1。

圖3對(duì)不同衛(wèi)星數(shù)量下頻率規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的星座頻點(diǎn)占用數(shù)量進(jìn)行了比對(duì)。結(jié)果表明：在星座衛(wèi)星數(shù)量越多時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)的益處越明顯。因此，對(duì)于多顆衛(wèi)星組網(wǎng)的小衛(wèi)星星座而言，星座規(guī)模越大，衛(wèi)星數(shù)量越多，基于最小資源占用的EMC設(shè)計(jì)在解決系統(tǒng)EMC難題的同時(shí)，更能顯著降低衛(wèi)星的頻率和設(shè)備(含模塊、組件、器件)資源需求，有利于衛(wèi)星研制時(shí)的設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)一和批量生產(chǎn)，以及基于統(tǒng)計(jì)概率的抽樣驗(yàn)證和測(cè)試，顯著節(jié)約衛(wèi)星研制成本。

表1 基于最小資源占用的星座頻率規(guī)劃

圖3 不同衛(wèi)星數(shù)量下的星座頻率規(guī)劃比對(duì)Fig.3 Contrast of constellation frequency layout for different amount of satellites

2 基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證

基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證策略，是針對(duì)小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC特性復(fù)雜，頻域、空域和時(shí)域上隔離難度大，各功能設(shè)備間的電磁兼容裕度小的難題，采用不同于以往集中在整星測(cè)試驗(yàn)證的策略，通過(guò)分級(jí)、分步的EMC特性模擬和EMC驗(yàn)證，大大降低了整星集中驗(yàn)證所存在的各設(shè)備間電磁不兼容的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 驗(yàn)證流程

以往衛(wèi)星通常在進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)EMC仿真分析、設(shè)計(jì)后，編制系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)規(guī)范，各單機(jī)和分系統(tǒng)按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，最終通過(guò)衛(wèi)星研制總體單位組織的驗(yàn)收測(cè)試，功能性能符合之后交付衛(wèi)星研制總體單位，由衛(wèi)星研制總體單位組織完成整星總裝、測(cè)試與試驗(yàn)(AIT)后，通過(guò)整星EMC試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于小衛(wèi)星星座，上述EMC驗(yàn)證流程已經(jīng)不太適用。從第1節(jié)分析可知，即使采取了基于最小資源占用的系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)，由于星座增加了星間通信鏈路等功能，星座的射頻設(shè)備和頻點(diǎn)數(shù)量也比一般的衛(wèi)星要多，EMC特性更加復(fù)雜，設(shè)備間的頻域隔離特性更差，最終導(dǎo)致星座EMC設(shè)計(jì)裕度較小，EMC設(shè)計(jì)結(jié)果往往比較臨界。如果按照一般小衛(wèi)星的EMC驗(yàn)證流程執(zhí)行，則很大可能是在完成星座AIT后，通過(guò)星座EMC試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)EMC問(wèn)題，而系統(tǒng)EMC問(wèn)題在后期發(fā)現(xiàn)時(shí)，可供采取的措施很有限，需要付出的代價(jià)也更大。為了降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，本文的小衛(wèi)星星座采用基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證思想，流程如圖4所示。

圖4 基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證流程Fig.4 EMC verification flow based on simulated boundary conditions

2.2 EMC驗(yàn)證實(shí)施

按照?qǐng)D4的流程，在完成系統(tǒng)EMC仿真分析后，進(jìn)行系統(tǒng)EMC初步設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)EMC重點(diǎn)設(shè)備和EMC薄弱環(huán)節(jié)，作為開(kāi)展EMC設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)證時(shí)的關(guān)注重點(diǎn)。

小衛(wèi)星星座通信天線數(shù)量較多，在優(yōu)先滿足各天線輻射特性需求的前提下，通過(guò)優(yōu)化天線布局提高接收和發(fā)射設(shè)備的天線隔離度，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)EMC的重要措施。而天線布局的優(yōu)化需要依據(jù)輻射模型(RM)星測(cè)試結(jié)果作為支撐。在各天線單元設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出工藝件之后，可以安排第一階段的系統(tǒng)級(jí)EMC驗(yàn)證——RM星測(cè)試。RM星是在真實(shí)星體的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)各天線輻射邊界條件的準(zhǔn)確模擬。各單元天線按照設(shè)計(jì)結(jié)果，安裝在RM星星體對(duì)應(yīng)位置。在RM星上既要測(cè)試各單元天線及天線陣在星體輻射邊界條件下的方向圖，判斷其結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，還要測(cè)試各單元天線間的隔離度，為系統(tǒng)級(jí)EMC分析提供必要的參數(shù)。

圖5是本文小衛(wèi)星星座2副天線之間的隔離度測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯哼@些天線在不同頻點(diǎn)處的隔離度變化很大，變化范圍為46～80 dB，而在小衛(wèi)星上大部分設(shè)備之間的電磁兼容裕度都不足10 dB，因此必須要保證RM星測(cè)試時(shí)對(duì)各天線輻射邊界條件模擬的真實(shí)性，并且參加試驗(yàn)的天線單元也要與正樣天線技術(shù)狀態(tài)一致，以保證在RM星上進(jìn)行天線隔離度測(cè)試的有效性。

圖5 某小衛(wèi)星星座2副天線在RM星上天線隔離度測(cè)試結(jié)果Fig.5 Isolation test results between two antennas on one RM satellite

在RM星測(cè)試后，還要分步驟進(jìn)行多次模擬邊界條件下的EMC驗(yàn)證，尤其對(duì)EMC裕度較小的項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證，以便在出現(xiàn)裕度超差時(shí)提前采取補(bǔ)救措施。某對(duì)收發(fā)設(shè)備的EMC裕度仿真結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)，這對(duì)收發(fā)設(shè)備間的EMC裕度偏小。如果在最后的整星EMC試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)這2臺(tái)設(shè)備電磁不相容，再采取補(bǔ)救措施，往往需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行返廠修改，甚至要重新投產(chǎn)設(shè)備，代價(jià)很大，并且會(huì)影響整星研制進(jìn)度。因此，有必要盡可能早安排專(zhuān)項(xiàng)EMC驗(yàn)證，而進(jìn)行驗(yàn)證的前提是準(zhǔn)確模擬邊界條件。在生產(chǎn)完發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備及相應(yīng)天線工藝件后，安排這2臺(tái)設(shè)備的專(zhuān)項(xiàng)EMC驗(yàn)證。試驗(yàn)在RM星上進(jìn)行，采用的射頻電纜比實(shí)際電纜短1～2 m，從而將試驗(yàn)狀態(tài)加嚴(yán)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：2臺(tái)設(shè)備電磁兼容良好。為了實(shí)現(xiàn)最終的電磁兼容，在這2臺(tái)設(shè)備的正樣產(chǎn)品研制時(shí)，將發(fā)射設(shè)備的帶外雜波抑制度指標(biāo)和接收設(shè)備的濾波器帶外抑制指標(biāo)作為強(qiáng)制檢驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果都沒(méi)有出現(xiàn)超差。

圖6 某對(duì)收發(fā)設(shè)備間的EMC裕度仿真結(jié)果Fig.6 EMC abundance ratio simulation result between transmitting and receiving equipments

基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證的目標(biāo)，是順利通過(guò)整星EMC試驗(yàn)驗(yàn)證。整星EMC試驗(yàn)驗(yàn)證的具體做法比較成熟，本文不再贅述。針對(duì)小衛(wèi)星星座的特點(diǎn)，對(duì)整星EMC試驗(yàn)驗(yàn)證有如下建議：小衛(wèi)星星座經(jīng)過(guò)前面的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證之后，在整星EMC試驗(yàn)驗(yàn)證階段可以考慮抽樣2顆衛(wèi)星進(jìn)行整星EMC試驗(yàn)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)2顆衛(wèi)星的整星EMC試驗(yàn)，可以確認(rèn)整星EMC設(shè)計(jì)正確無(wú)誤，同時(shí)經(jīng)過(guò)2顆衛(wèi)星的試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，可以確認(rèn)與整星EMC結(jié)果相關(guān)的工藝和過(guò)程操作的穩(wěn)定性、一致性。整星EMC試驗(yàn)與此前的RM星測(cè)試和專(zhuān)項(xiàng)EMC驗(yàn)證相同，同樣重視對(duì)電磁邊界條件的模擬：整星推入EMC暗室中進(jìn)行，保證了周?chē)姶怒h(huán)境的潔凈度；衛(wèi)星除太陽(yáng)翼等組件外，技術(shù)狀態(tài)與在軌飛行狀態(tài)相同，保證了衛(wèi)星自身電磁輻射的真實(shí)性；地面測(cè)試設(shè)備模擬衛(wèi)星在軌飛行時(shí)相應(yīng)的地面系統(tǒng)狀態(tài)，保證了衛(wèi)星外部接口電磁特性模擬的準(zhǔn)確性。

綜上所述，本文小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC驗(yàn)證工作依次包括RM星測(cè)試、多次專(zhuān)項(xiàng)EMC試驗(yàn)、最終的整星EMC試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)這樣完整的基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證，對(duì)星座系統(tǒng)級(jí)EMC特性進(jìn)行了全面完整的測(cè)試驗(yàn)證，保證了系統(tǒng)在軌運(yùn)行的電磁兼容性。

2.3 典型應(yīng)用案例

本文小衛(wèi)星星座進(jìn)行基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證時(shí)，出現(xiàn)過(guò)具有代表性的事件。這個(gè)事件的出現(xiàn)及最終的解決方法都充分說(shuō)明了開(kāi)展逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證的必要性。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)級(jí)EMC仿真計(jì)算和RM星測(cè)試，獲取了星上各無(wú)線設(shè)備間的EMC裕度，雖然裕度較小，但是沒(méi)有互相電磁不兼容的射頻設(shè)備。而在進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)EMC試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有2臺(tái)無(wú)線設(shè)備存在電磁不兼容的情況，其主要EMC參數(shù)如圖7所示。復(fù)查其相關(guān)電磁參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果，并未發(fā)現(xiàn)超差情況，證明2臺(tái)設(shè)備間的電磁干擾信號(hào)不是發(fā)射設(shè)備載波信號(hào)的帶外分量。通過(guò)實(shí)測(cè)和分析，確定干擾信號(hào)是發(fā)射設(shè)備的帶外寬帶噪聲。接收機(jī)實(shí)測(cè)的抗寬帶噪聲的能力為-170 dBm/Hz。對(duì)發(fā)射設(shè)備輸出的帶外噪聲功率譜進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為-80 dBm/Hz，經(jīng)過(guò)天線耦合，到達(dá)接收機(jī)入口的接收機(jī)帶內(nèi)噪聲功率譜密度為-147 dBm/Hz，超過(guò)了接收機(jī)的抗干擾門(mén)限，因此導(dǎo)致2臺(tái)設(shè)備EMC不合格。根據(jù)從干擾源頭解決問(wèn)題的原則，在發(fā)射設(shè)備輸出端增加一個(gè)帶通濾波器，在接收設(shè)備工作頻段內(nèi)提高抑制度30 dB以上。該濾波器是波導(dǎo)型腔體濾波器(見(jiàn)圖8)，其接口與普通波導(dǎo)相同，可以將發(fā)射設(shè)備輸出端的一截波導(dǎo)替換為該濾波器，增加的插入損耗小于0.2 dB。實(shí)測(cè)濾波器對(duì)帶外噪聲的抑制優(yōu)于35 dB。因此，最終這2臺(tái)設(shè)備的電磁兼容裕度優(yōu)于12 dB。經(jīng)過(guò)專(zhuān)項(xiàng)EMC試驗(yàn)復(fù)測(cè)，以及后續(xù)整星EMC試驗(yàn)測(cè)試，2臺(tái)設(shè)備的EMC良好。

圖7 某對(duì)收發(fā)設(shè)備間的EMC參數(shù)Fig.7 EMC parameters of transmitting and receiving equipments

圖8 腔體濾波器外形Fig.8 Figuration of cavum filter

2臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)電磁不兼容的情況，一方面是由于在進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)EMC分析時(shí)，僅進(jìn)行了發(fā)射設(shè)備工作載波信號(hào)的帶外抑制分析，沒(méi)有進(jìn)行寬帶噪聲干擾分析，屬于分析漏項(xiàng)；另一方面說(shuō)明了進(jìn)行逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證的必要性，如果按照以往衛(wèi)星處理，該問(wèn)題會(huì)最終在整星EMC試驗(yàn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，由于此時(shí)星上設(shè)備眾多，寬帶噪聲干擾信號(hào)很難定位其輻射源，排查問(wèn)題很難。此外，需要研制新的濾波器才能解決該問(wèn)題，因此有可能造成整星研制進(jìn)度的延遲；而通過(guò)基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證，在衛(wèi)星研制的初期就發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題和準(zhǔn)確確定了問(wèn)題原因，提前啟動(dòng)了濾波器的研制，避免了對(duì)整星研制進(jìn)度可能造成的不利影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于最小資源占用的星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)理念和基于模擬邊界條件的逐級(jí)分步式EMC驗(yàn)證策略，經(jīng)過(guò)具體衛(wèi)星的工程實(shí)踐驗(yàn)證，系統(tǒng)有效地解決了小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的難題，在優(yōu)化了系統(tǒng)EMC性能的同時(shí)，還優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能，如簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的配置和空間、頻率占用等，降低了衛(wèi)星研制中的EMC相關(guān)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，可為其他小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)提供參考。小衛(wèi)星星座系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)實(shí)踐是一個(gè)系統(tǒng)性的工程課題，需要通過(guò)多個(gè)任務(wù)的不斷探索實(shí)踐才能形成科學(xué)規(guī)范的設(shè)計(jì)實(shí)踐準(zhǔn)則，本文的研究結(jié)果可作為這些準(zhǔn)則形成的基礎(chǔ)。