陳 卓，楊曉寧，楊 勇

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 航天機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗(yàn)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

0 引言

星敏感器作為一類高靈敏度光電集成部件，易受空間輻射的影響造成性能退化和工作異常[1]。同時(shí)，空間強(qiáng)電磁環(huán)境耦合導(dǎo)致的異常也應(yīng)引起重視。GEO 衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，會(huì)遭遇嚴(yán)酷的表面帶電和內(nèi)帶電環(huán)境，當(dāng)帶電達(dá)到一定程度之后將發(fā)生靜電放電（ESD），進(jìn)而產(chǎn)生電磁脈沖（EMP）信號(hào)；這些信號(hào)耦合進(jìn)入在軌衛(wèi)星的電子產(chǎn)品后，可能使通信設(shè)備中金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）電路的柵氧化層或金屬化線間造成介質(zhì)擊穿致使電路失效，對(duì)系統(tǒng)自檢儀器和敏感器件的工作可靠性造成影響[2]。靜電放電脈沖對(duì)單片機(jī)外部RAM 的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，在ESD/EMP 的作用下，RAM 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非常容易被改寫[3]。以多顆GEO 衛(wèi)星在軌發(fā)生的異常統(tǒng)計(jì)結(jié)果為例，約70%的異常與空間強(qiáng)電磁干擾有關(guān)，主要表現(xiàn)為星上電子類設(shè)備由于強(qiáng)電磁干擾而出現(xiàn)異常，其中一類典型的異常模式就是星敏感器工作模式跳變。因此，有必要針對(duì)星敏感器，開展在空間強(qiáng)電磁環(huán)境下的耦合效應(yīng)研究。

電磁干擾三要素包括干擾源、耦合通道和敏感設(shè)備[4]。由于空間帶電環(huán)境和衛(wèi)星本身技術(shù)狀態(tài)的復(fù)雜性，尚無法完全做到抑制在軌充放電效應(yīng)導(dǎo)致的電磁干擾脈沖信號(hào)發(fā)生；通過改進(jìn)設(shè)計(jì)或者使用高等級(jí)器件增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗擾能力將涉及大量電磁敏感設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)更改，牽涉面甚廣且代價(jià)高昂。相比較而言，通過采取電磁屏蔽的防護(hù)手段構(gòu)建完整的“法拉第籠”結(jié)構(gòu)，以阻擋電磁干擾耦合通道，是空間強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)的高效途徑之一。而星敏感器光學(xué)窗口的存在破壞了結(jié)構(gòu)“法拉第籠”的完整性，對(duì)于一些特定的輻射頻率，由于金屬腔體的諧振，可能使腔體內(nèi)某些區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度比外部的電場(chǎng)強(qiáng)度還要大，產(chǎn)生局部電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，進(jìn)一步增大破壞性。

本文利用CST（computer simulation technology）軟件，從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)強(qiáng)電磁場(chǎng)下星敏感器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布和屏蔽效能進(jìn)行仿真分析，并對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試的掃頻實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)星敏感器結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)。

1 星敏感器結(jié)構(gòu)的物理模型及簡(jiǎn)化建模

星敏感器是航天器中廣泛采用的一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測(cè)量器件，通過探測(cè)天球上不同位置的恒星來確定航天器相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三軸姿態(tài)。其基本工作原理為：由圖像傳感器拍攝恒星圖像；由數(shù)據(jù)處理電路對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行處理，提取出所需的星點(diǎn)位置和亮度信息；進(jìn)行星圖匹配，計(jì)算出星敏感器的三軸姿態(tài)。

星敏感器總體上由光學(xué)鏡頭組件和電子學(xué)組件2 大部分組成[5]，如圖1 所示。

圖1 星敏感器組成Fig.1 The star tracker

光學(xué)鏡頭組件包括光學(xué)鏡頭和遮光罩2 部分，遮光罩位于光學(xué)系統(tǒng)前部，用來抑制地球、太陽(yáng)和月球等的雜散光[6]。目前對(duì)于星敏感器所受的雜散輻射抑制，往往采用在遮光罩內(nèi)壁放置一定梯度、間距的擋光環(huán)的方案設(shè)計(jì)。為盡可能地保留結(jié)構(gòu)所需的基本特征參數(shù)，同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的非必要特征，本文采用遮光罩的正樣產(chǎn)品和加工的線路盒模擬件組成星敏感器的結(jié)構(gòu)模型，并按其進(jìn)行1∶1 仿真建模，如圖2 和圖3 所示。其中，遮光罩長(zhǎng)167 mm，上、下開口直徑分別為110 mm 和43 mm，擋光環(huán)和遮光罩內(nèi)壁涂敷黑色的吸光材料，底部線路盒模擬件為166 mm×166 mm×100 mm 的開孔矩形腔體（底蓋可拆卸），組合后盒體密封完整，模型材料均為鋁（相對(duì)介電常數(shù) ε=1、電導(dǎo)率σ =3.56×107S/m）。

圖2 星敏感器結(jié)構(gòu)實(shí)物模型Fig.2 Physical model of star tracker structure

圖3 星敏感器仿真模型Fig.3 Simulation model of star tracker

2 強(qiáng)電磁耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬仿真

2.1 星敏感器模型內(nèi)部電耦合場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分析

根據(jù)IEC61000-2-13[7]的定義，電磁場(chǎng)的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度超過100 V/m 即為強(qiáng)電磁環(huán)境。為模擬靜電放電電磁脈沖形成的強(qiáng)電磁場(chǎng)，利用峰值場(chǎng)強(qiáng)為100 V/m 的高斯脈沖形成的平面電磁波對(duì)模型進(jìn)行輻照，激勵(lì)信號(hào)頻率范圍為10 kHz～5 GHz，考慮最為嚴(yán)苛的情況，沿-z 方向垂直入射，電場(chǎng)方向沿x 方向，如圖4 所示。

圖4 平面波入射方向Fig.4 Incident direction of the plane wave

通過仿真得到模型內(nèi)部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布及變化，耦合過程的幾個(gè)典型狀態(tài)如圖5 所示。其中：圖5(a)表示脈沖初次通過遮光罩開口的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布，第一圈擋光環(huán)及傾斜的遮光罩內(nèi)壁對(duì)入射波進(jìn)行了反射，在中心聚集后繼續(xù)向內(nèi)輻射能量；圖5(b)表示脈沖經(jīng)過幾次反射—聚集—傳播后形成的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布，此時(shí)腔體內(nèi)的能量部分反射出結(jié)構(gòu)，電場(chǎng)幅值逐漸衰減，其余能量多次振蕩并逐漸向內(nèi)傳遞；圖5(c)表示經(jīng)過多次振蕩和反射后，電磁能量散布于腔體，幅值有較大的衰減。最終形成的各截面峰值電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布如圖6 所示。

圖5 不同時(shí)間步長(zhǎng)下x=0 截面場(chǎng)強(qiáng)分布圖Fig.5 Distribution of electric field intensity on x=0 plane in different time steps

圖6 各截面峰值場(chǎng)強(qiáng)分布圖Fig.6 Distribution of peak electric field intensity on each plane

電磁波在多次反射—聚集—傳播后耦合到矩形腔體內(nèi)部，再經(jīng)過多次振蕩和小孔泄漏后形成諧振，腔體內(nèi)中心軸線上不同位置的電場(chǎng)如圖7 所示。從場(chǎng)強(qiáng)分布及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)波形可以看出，遮光罩的擋光環(huán)形成的開孔逐漸縮小，使得向內(nèi)傳播的能量逐漸降低，其功能類似于截止頻率逐漸增加的級(jí)聯(lián)的開孔圓柱諧振腔，故可起到高通濾波的作用。但由于入射信號(hào)的頻譜很寬，依然有大部分能量耦合進(jìn)入了矩形腔體內(nèi)部，在最小開孔處的峰值場(chǎng)強(qiáng)仍可達(dá)到35 V/m。最終在矩形腔體中心處的峰值場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)16 V/m，高于大部分敏感電子器件的電場(chǎng)輻射敏感度要求，將對(duì)腔體內(nèi)部的電子電路和敏感設(shè)備構(gòu)成威脅。

圖7 矩形腔體內(nèi)中心軸線上不同點(diǎn)處的電場(chǎng)Fig.7 Electric field at different points on the central axis of the rectangular cavity

2.2 星敏感器結(jié)構(gòu)電磁屏蔽效能仿真分析

根據(jù)屏蔽效能的計(jì)算公式[8]，電場(chǎng)屏蔽效能指無屏蔽體時(shí)某處電場(chǎng)強(qiáng)度E0與增加屏蔽體后同處的電場(chǎng)強(qiáng)度Es的比值，取分貝表示為SE=-20lg(Es/E0)。

為確定腔體內(nèi)是否會(huì)在特定頻率下產(chǎn)生負(fù)的屏蔽效能，即產(chǎn)生電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，分別采用垂直入射、30°入射、45°入射的平面波對(duì)模型進(jìn)行掃頻。為便于與后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，掃頻范圍為10 kHz～3 GHz。得到腔體中心點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)如圖8 所示。后處理得到模型的屏蔽效能如圖9 所示。

掃頻結(jié)果表明：

1）腔體的電磁屏蔽效能隨著入射信號(hào)頻率的增加逐漸降低，在頻率為1.91 GHz 時(shí)腔體內(nèi)出現(xiàn)了首次諧振，在諧振點(diǎn)腔體內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)高于外部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，即產(chǎn)生了顯著的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)。

2）隨著入射信號(hào)頻率的上升，腔體內(nèi)的諧振點(diǎn)逐漸增多，且在大部分的高頻頻段內(nèi)屏蔽效能低于衛(wèi)星電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中20 dB 的要求。

3）場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)不會(huì)受入射角度改變的影響，各個(gè)入射角度下屏蔽效能下降的趨勢(shì)基本一致。在1.91 GHz、2.69 GHz 等頻點(diǎn)，各個(gè)入射角度都出現(xiàn)了顯著的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，且隨著入射角度的偏移，還會(huì)出現(xiàn)一些新的諧振點(diǎn)。

圖8 不同入射角度下腔體中心點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)Fig.8 Field intensity at the center point of cavity at different incident angles

圖9 不同入射角度下腔體中心點(diǎn)的屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness at the center point of cavity at different incident angles

3 星敏感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)電磁耦合實(shí)驗(yàn)研究

3.1 電磁屏蔽效能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，利用遮光罩的正樣產(chǎn)品和加工的線路盒模擬件組成星敏感器結(jié)構(gòu)模型，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用SMB100A 型信號(hào)發(fā)生器、功率放大器（NTWPA-000001013500E、0081020001000E、1025200、2560200）、接收機(jī)和電場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在微波暗室中進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試的掃頻實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)配置如圖10 所示。其中，用于測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)的小探頭采用光纖傳輸信號(hào)，通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備后進(jìn)入接收機(jī)，對(duì)腔體內(nèi)部電磁場(chǎng)的干擾可以忽略，不會(huì)影響對(duì)屏蔽效能的研究。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將1 個(gè)監(jiān)測(cè)探頭固定在屏蔽盒體內(nèi)并合上后蓋將盒體密封，如圖11 所示，然后在距離盒體30 cm 且與監(jiān)測(cè)探頭等高的位置放置1 個(gè)對(duì)照探頭；發(fā)射天線置于2 個(gè)探頭前面垂直入射，電場(chǎng)水平極化；天線設(shè)置好后調(diào)整信號(hào)發(fā)生器，使對(duì)照探頭的監(jiān)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到100 V/m，記錄此時(shí)監(jiān)測(cè)探頭測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)，如圖12 所示。按照這種方法依次更換各個(gè)頻段內(nèi)所用的天線完成10 kHz～3 GHz 頻段內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試。為避免探頭放置位置對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾，分別選擇腔體中心和屏蔽盒體的前角點(diǎn)（角點(diǎn)1）和后角點(diǎn)（角點(diǎn)2）為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，完成一組測(cè)試后，拆開屏蔽盒體后蓋調(diào)整探頭位置，依次完成各位置的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試。

圖10 屏蔽效能實(shí)驗(yàn)配置示意Fig.10 Configuration of experimental system for shielding effectiveness

圖11 線路盒內(nèi)探頭固定方式Fig.11 Probe fixation in circuit box

圖12 天線及實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置方式Fig.12 Arrangement of antenna and experimental equipment

3.2 屏蔽效能測(cè)試的掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照屏蔽效能的計(jì)算公式整理測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得星敏感器結(jié)構(gòu)腔體的屏蔽效能如圖13 所示。

需要說明的是，實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)所用的探頭的量程在500 V/m 以下，超量程后測(cè)得的數(shù)值將失準(zhǔn)，超過800 V/m 后探頭將被燒毀，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，這里只給出2.5 GHz 以下的數(shù)據(jù)；而1 GHz 以下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)在2 V/m 左右波動(dòng)，測(cè)量精度不高且不在諧振范圍內(nèi)，因此重點(diǎn)關(guān)注的頻率范圍為1～2.5 GHz。各測(cè)試位置屏蔽效能的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖14 所示。

圖13 各測(cè)試位置的屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness for each test position

圖14 各測(cè)試位置屏蔽效能的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Simulation and experimental results of shielding effectiveness at each test location

從圖14 可以看出，盡管實(shí)驗(yàn)中主諧振頻率有所偏移，但仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體趨勢(shì)大致相同，即隨著入射信號(hào)頻率的增加，腔體的整體屏蔽效能均顯著下降，在第一個(gè)諧振點(diǎn)處產(chǎn)生了顯著的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，且大部分頻段內(nèi)腔體的電場(chǎng)屏蔽效能均低于20 dB。這說明，當(dāng)入射電磁脈沖信號(hào)的高頻部分通過星敏感器的光學(xué)窗口耦合進(jìn)入星敏感器內(nèi)部后，將在星敏感器電子學(xué)組件部分形成高強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，在諧振頻點(diǎn)，腔體內(nèi)形成的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)還將遠(yuǎn)高于入射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)；這些能量一旦耦合進(jìn)入高靈敏度的電子學(xué)組件，將對(duì)星敏感器的正常工作造成干擾。因此有必要對(duì)星敏感器進(jìn)行電磁加固。而星敏感器防護(hù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于必須兼顧電磁屏蔽效能和可見光波段的透光率，需要采用新技術(shù)和新方法實(shí)現(xiàn)星敏感器窗口的有效防護(hù)[9]。比如在星敏感器的遮光罩和腔體內(nèi)部涂敷吸波材料[10]，或是在光學(xué)鏡頭上加裝兼具高透光率和一定導(dǎo)電性能的薄膜，如ITO 膜或D/M/D 結(jié)構(gòu)多層導(dǎo)電薄膜。

4 結(jié)論及展望

本文通過時(shí)域和頻域的數(shù)值模擬仿真以及相應(yīng)的屏蔽效能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明了在強(qiáng)電磁脈沖源形成的強(qiáng)場(chǎng)下星敏感器內(nèi)部形成了較強(qiáng)的耦合場(chǎng)，星敏感器線路盒內(nèi)部的電子電路存在較大的受擾風(fēng)險(xiǎn)。綜合比較仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）星敏感器的遮光罩不能對(duì)強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)行有效的抑制，只能起到高通濾波的作用，高頻的電磁能量會(huì)通過星敏感器的光學(xué)窗口耦合進(jìn)入星敏感器電子組件部分的腔體內(nèi)部。

2）特定諧振點(diǎn)的電磁脈沖耦合進(jìn)入腔體后將產(chǎn)生顯著的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，使得腔體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)高于外部的場(chǎng)強(qiáng)。高強(qiáng)度的電場(chǎng)一旦通過輻射耦合到線路盒內(nèi)敏感的電子電路，將影響星敏感器的正常運(yùn)行。

基于以上結(jié)論，需要采取相應(yīng)的電磁加固手段以提高星敏感器結(jié)構(gòu)的屏蔽效能。下一步作者將開展對(duì)星敏感器的電磁防護(hù)方法及其有效性驗(yàn)證的研究工作。