衛星外部電磁環(huán)境效應控制分析

衛星在運行過(guò)程中，不管是發(fā)射狀態(tài)，還是在軌運行狀態(tài)，都會(huì )在其外部產(chǎn)生一個(gè)復雜的電磁環(huán)境，該電磁環(huán)境既包括由衛星大功率發(fā)射機產(chǎn)生的有意強電場(chǎng)分布，也包括其它設備工作時(shí)所產(chǎn)生的無(wú)意電場(chǎng)分布，頻譜分布通常從幾十KHz，一直到射頻設備的最高工作頻率，甚至是其諧波。該電磁環(huán)境的存在，可能會(huì )導致衛星射頻接收機，如測控接收機、轉發(fā)器接收機，以及安裝于衛星表面的設備，如紅外地球敏感器、太陽(yáng)敏感器等，受到電磁干擾而無(wú)法正常工作，這樣的問(wèn)題在以往的衛星型號上也確實(shí)發(fā)生過(guò)。

衛星外部的電磁環(huán)境看似復雜，但實(shí)際上是可預測分析的，也是可以通過(guò)相關(guān)的技術(shù)手段進(jìn)行控制的，尤其是在衛星的方案設計階段，通過(guò)有效的分析和控制，能夠提前發(fā)現潛在的電磁干擾問(wèn)題并對其進(jìn)行有效的控制，避免衛星投產(chǎn)后才暴露出電磁干擾而導致研制成本的增加和計劃進(jìn)度的延誤。

1.衛星外部電磁環(huán)境的構成和效應

衛星外部電磁環(huán)境由多種因素構成，既由來(lái)自衛星自身的電磁發(fā)射，也有來(lái)自運載火箭或其它同軌道臨近航天器的電磁發(fā)射，本文僅考慮衛星自身工作時(shí)在其外部產(chǎn)生的電磁環(huán)境，該電磁環(huán)境的構成及其產(chǎn)生的效應如下。

1.1大功率射頻發(fā)射機產(chǎn)生的有意強電場(chǎng)分布

大多數衛星都會(huì )使用大功率的射頻發(fā)射設備，如數傳、通信轉發(fā)器、遙感等設備，功率從幾十W到幾百W之間，這些射頻發(fā)射機工作時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)所輻射的射頻能量，主要集中在工作要求的主瓣區域內，其它能量則分布在天線(xiàn)與星體之間的天線(xiàn)旁瓣和后瓣區域，該區域內的電場(chǎng)強度通常在幾十V/m至幾百V/m之間。

這種惡劣的電磁環(huán)境，對于安裝與星外的單機設備而言，尤其是地球紅外敏感器這種靈敏度較高的設備，是一種嚴重的威脅，同時(shí)也對這些設備的抗電磁干擾能力提出了更高的要求。

1.2普通單機設備產(chǎn)生的無(wú)意弱電場(chǎng)分布

普通單機設備，如供配電、推進(jìn)、控制、結構、熱控等分系統所使用的設備，在正常工作時(shí)，會(huì )通過(guò)設備機殼的縫隙、互聯(lián)電纜等將設備內部的電磁信號輻射到設備周?chē)?，這些電磁信號的能量很低，幅度通常在幾mV/m到幾十mV/m，但其頻譜覆蓋范圍很寬，可以從幾十kHz一直到幾GHz。

這種弱電場(chǎng)分布看似能量很低，但考慮到衛星射頻接收機高靈敏度，有些接收機靈敏度高達-135dBm，仍然可能會(huì )發(fā)生弱電場(chǎng)環(huán)境被接收天線(xiàn)耦合到接收機內，導致接收機受干擾的問(wèn)題。圖1給出了衛星內部設備無(wú)意電磁輻射發(fā)射導致衛星射頻接收機受擾的示例。

圖1 單機設備無(wú)意電磁發(fā)射對射頻接收設備的干擾示例

2. 衛星外部電磁環(huán)境的分析

我們可以使用多種方法對衛星外部的電磁環(huán)境進(jìn)行分析，包括對工程經(jīng)驗數據的總結歸納、理論預估和電磁場(chǎng)仿真軟件的精確分析等。

對于大功率射頻發(fā)射機產(chǎn)生的有意強電場(chǎng)分布，我們可以使用一個(gè)公式對其進(jìn)行粗略預估，即根據發(fā)射機的發(fā)射功率、發(fā)射天線(xiàn)在某方向上的增益估算衛星外部特定區域的電場(chǎng)強度，計算公式[2]為：

其中Pin為射頻發(fā)射機的發(fā)射功率，r為關(guān)注區域距離發(fā)射天線(xiàn)的距離，G為發(fā)射天線(xiàn)在關(guān)注區域方向上的絕對增益。

需要注意的是，該計算公式僅適用于天線(xiàn)的遠場(chǎng)區，且在天線(xiàn)與關(guān)注區域之間沒(méi)有明顯的金屬結構遮擋，對于天線(xiàn)的近場(chǎng)輻射區域，或者飛行結構較為復雜時(shí)，該公式預估的結果會(huì )有較大的誤差，此時(shí)可使用電磁場(chǎng)仿真分析軟件(如Ansoft HFSS， CST， FEKO等)進(jìn)行更為精確的分析。

使用電磁場(chǎng)數值仿真分析軟件對星外的有意強電場(chǎng)分布進(jìn)行計算時(shí)，所使用的模型必須包括完整的衛星星體模型，以及其它星外天線(xiàn)和大尺寸結構部件，而模型中微小的細節則可以簡(jiǎn)化或忽略。

圖2給出了使用FEKO軟件對發(fā)射天線(xiàn)在星外某區域產(chǎn)生的電場(chǎng)環(huán)境分布的分析結果?？梢钥吹綀A形反射面天線(xiàn)在其后部區域產(chǎn)生的電場(chǎng)分布情況，該區域的場(chǎng)強最高值為25V/m。