火箭无线系统电磁兼容性研究

周 萍,宋永生,陈志红,李 帆,吕英华

(1.北京宇航系统工程研究所,北京 100076；2.北京邮电大学 电子工程学院,北京 100876)



火箭无线系统电磁兼容性研究

周 萍1，2,宋永生1,陈志红1,李 帆1,吕英华2

(1.北京宇航系统工程研究所,北京 100076；2.北京邮电大学 电子工程学院,北京 100876)

无线系统作为火箭的关键分系统，其电磁兼容性制约了火箭的可靠性。以某固体火箭为例，通过仿真分析研究了天线的电磁辐射特性、无线设备间的耦合程度以及装舱后系统整体的电场分布，分析结果预示系统可能存在电磁不兼容趋势。基于仿真结果，设计实施了单机电磁兼容性验证试验、桌面散态系统试验(不含火箭结构影响因素)和系统匹配试验(含火箭结构影响因素)，分别从设备级、桌面散态(分系统)级和全系统级依次验证了无线系统的电磁兼容性，得到了该火箭无线系统满足电磁兼容的结论。通过仿真与试验的结合，形成了火箭无线系统电磁兼容性研究方法。结果表明，研究方法可行，且具有较高的工程应用价值，可为复杂系统的电磁兼容性设计与验证提供参考。

火箭；无线系统；电磁兼容；可靠性

0 引言

火箭系统的电磁兼容性是指其在全寿命期所处的电磁环境中正常工作的能力。作为火箭关键分系统的无线系统，其电磁兼容性制约了火箭的可靠性。近年来，随着火箭轻便化、小型化设计的普及，使得火箭构造日趋复杂，舱内布局空间狭小，仪器设备安装密集，造成无线系统电磁环境复杂，电磁兼容问题凸显。从电磁兼容角度分析，火箭无线系统存在以下问题[1-2]：(1)无线系统发射天线上箭安装后，由于火箭材料、结构及设备布局的影响，会使天线辐射方向发生改变，波束范围部分覆盖到其他设备的波束范围，造成信号的伪发射或伪接收；(2)由于火箭舱内布局空间的约束，多台收发设备在狭小的空间共存，使设备之间极易产生电磁干扰，甚至影响其他分系统的电磁敏感设备；(3)无线系统各收发设备同时工作时，不同收发设备的电磁信号量级及形式不同，造成电场分布不平均；(4)无线系统工作时，不同发射频点不同调制方式的信号易产生非线性作用，形成乱真信号、谐波信号、交调信号和互调信号，对正常传输信号造成干扰；(5)箭上无线系统工作时形成的复杂电磁环境可能会影响火箭测量、控制、收星、定位等功能，对火箭可靠性和安全性造成不良影响。基于上述种种问题，开展火箭无线系统的电磁兼容性研究十分必要。

美国是最早开启电磁仿真预测技术研究的国家，设计了可实现系统内、间电磁效应分析的程序，其中SEMCAP(系统间电磁兼容分析程序)曾应用于阿波罗载人飞船、先锋号-木星飞船等系统。前苏联、德国、英国和法国等也都先后开展了相应的研究[3]。近几十年，国内航天领域的相关研究院所围绕型号需求，开展了电磁仿真分析的研究。北京宇航系统工程研究所开展的运载器仿真研究涉及电场辐射强度分析、空间耦合性能分析、频率干扰分析、线缆耦合分析、雷电效应分析等。中国空间技术研究院与国防科技大学合作开发的“电磁辐射发射预测分析应用软件”，用于计算分析航天器上天线之间的耦合性能。哈尔滨工业大学也围绕卫星平台开展了卫星射频系统谐波、互调等非线性干扰的仿真分析研究。

在试验方面，美国于20世纪60年代就开展了电磁兼容试验研究，并于1967年就推出了专门用于军用系统电磁兼容试验的标准，并成为国际上参考最多的电磁兼容试验标准之一。欧盟等国在此基础上也纷纷制定不同类型的电磁兼容试验规范。我国于20世纪80年代推出了军用系统的试验标准[4-5]，规范了军用系统的电磁兼容试验工作。

本文以某固体火箭为例，对无线系统天线装舱前后的电磁特性参数、设备间的电磁耦合程度和装舱后的系统整体电场分布分别进行了仿真分析，对系统的电磁兼容性进行预测评估；而后基于仿真预测结果，设计并实施无线系统电磁兼容性验证试验，分别从单机性能、桌面散态(不含箭体结构影响因素)和全系统(含箭体结构影响因素)逐层验证了系统的电磁兼容性。通过仿真与试验相结合的方法，研究了固体火箭无线系统的电磁兼容性。

1 火箭无线系统电磁兼容设计思路

考虑到可能存在的干扰源和抗干扰的薄弱环节，在进行火箭无线系统电磁兼容性设计时，为抑制电磁干扰，实现电磁兼容，需遵循以下思路。

(1)单机电路设计思路。在进行单机电路设计时，按照电平等级分类进行隔离，以减少元器件之间的干扰；采用平衡对称电路、滤波电路以减少干扰信号；对感性负载加消反峰电路。

(2)天线设计思路。通过共载体天线布局及天线衍射电磁特性分析，确定天线布局；在天线和低噪声放大器之间使用低插入损耗的带通滤波器。

(3)结构设计思路。设备与火箭结构各部件之间应具有良好的电接触，确保电气连续；仪器外壳与箭体外壳相连，使仪器外壳成为良好的屏蔽罩；敏感器件外壳尽量采用屏蔽涂层处理。

(4)空间布局思路。在进行箭上电气设备布局安装位置设计时，在保证性能的前提下，应使干扰源、敏感设备及其电缆在空间上尽量相对隔离，且隔离的越远越好。

按照以上的设计思路，完成设计的无线系统已能够很大程度地回避或抑制电磁干扰，但是由于近年来固体火箭在质量控制、材料选型、结构布局等方面的限制愈加严格，使得无线系统布局空间更为紧凑、电磁环境更为复杂。因此，系统仍会存在电磁兼容性隐患，还需要采用一定的方法对完成设计后的火箭无线系统进行电磁兼容性研究与验证。

2 火箭无线系统电磁兼容性仿真分析

考虑到实际情况，火箭无线系统主要安装于控制舱或仪器舱中，其他结构对无线系统电磁兼容性不会产生太大影响，因此仅选取火箭无线系统的安装舱段，按照1∶1的结构尺寸在仿真平台中建立舱体模型，舱体外壳设置为金属铝材料，外部按照真实布局情况预留无线系统收发天线布局位置。考虑到天线安装、设备组成及整体布局对系统电磁兼容性可能产生的影响，仿真将从这些角度出发，分析系统的电磁特性。

2.1 天线安装影响仿真分析

完成天线上箭安装后，由于火箭结构、天线布局等因素的影响，会使天线固有的电磁特性发生改变。仿真时，按照真实情况在平台中设计了几款S波段无线收发天线。以某S波段遥测发射天线为例，给出天线安装影响的仿真分析结果。按照要求，该遥测发射天线采用线极化方式，发射功率设置为1 W，端口阻抗为50 Ω。天线辐射特性仿真结果见图1。从图1可看出，该遥测发射天线在未上箭安装时的最大增益为1.1 dB，最大辐射方向3 dB波束宽度为174.3°，距离天线口径1 m处的远场强度约为15.7 dBV/m。在天线安装在舱体上以后，最大增益变为6.2 dB，最大辐射方向3 dB波束宽度变为2.2°，距离天线口径1 m处的远场强度变为22.2 dBV/m。天线上箭安装前后，方向图和波束范围发生明显变化，天线增益和辐射强度也发生一定改变。由此可确定天线安装会影响其固有特性。

(a) 装舱前

(b) 装舱后

2.2 设备组成影响仿真分析

无线系统设备在箭上同时工作时，由于设备之间的组成形式和布置距离的不同，易在设备之间形成互耦，耦合示意图见图2。一般用耦合度来衡量设备之间的耦合情况，耦合度的大小决定了设备间相互干扰的强弱。设备间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为第m副发射天线产生的功率值，dBW；Pt为无线发射系统的输出总功率值，dBW；Pr为无线接收系统的耦合的总功率值，dBW；Lm为发射功分器系数,dB；lm为发射机到第m副发射天线线缆的损耗值，dB；prn为第n副接收天线接收到的功率值，dBW；Snm为第m副发射天线与第n副接收天线之间的耦合度，dB；Ln为接收功分器系数，dB；ln为接收机到第n副接收天线线缆的损耗值，dB；S为2台收发设备之间的耦合度，dB。

对于只考虑1台发射设备和1台接收设备的情况，可简化为二端口网络耦合问题，上面的公式就可简化为如下形式:

(5)

式中S12为发射设备与接收设备之间的耦合度，dB；P1为发射设备产生的功率值，dBW；P2为接收设备接收到的功率值， dBW。

图2 无线系统收发设备空间耦合示意图

以由2台发射装置和1台接收装置所构成的2对收发设备组合为例，按照设备在真实火箭内部的连接情况，计算2对收发设备之间的耦合度，见图3所示。

(a) 设备1

(b) 设备2

从图3可看出，收发设备1在某一频点附近耦合度为-70 dB，明显低于收发设备2的在相同频点处-24 dB的耦合度。证明在该频点处，收发设备1之间的耦合程度较弱，收发设备2之间的耦合程度较强，初步判定收发设备1之间构成电磁干扰的可能性很小，而收发设备2之间构成电磁干扰的可能性较大。图中由于得到耦合度值的对应频点属于火箭无线系统设计敏感参数，因此图中不对其进行标注。

2.3 整体布局影响仿真分析

在进行整体布局影响分析时，需要将收发设备按照真实连接关系和空间布局情况设置于舱体模型中，通过对系统进行综合电磁特性仿真，可观察系统的整体布局是否合理，评估无线系统能否满足电磁兼容。

考虑到无线系统设备在箭上工作时会在有限空间内不同形式不同功率的电磁信号，造成电场分布不平均的现象。本文在进行整体布局影响分析时，主要关心无线系统工作时在火箭舱体上的电场分布情况。图4分别给出了2台对外产生1 W功率的发射设备在火箭舱体一、三象限对称布局时，舱体不同剖面的电场分布情况[7]。

(a)一象限最高场强50 V/m (b)一象限最高场强20 V/m

(c) 一象限最高场强10 V/m (d) 三象限最高场强50 V/m

(e)三象限最高场强20 V/m (f)三象限最高场强10 V/m

从图4可看出，当无线系统设备工作，舱体存在不均匀的电场分布，最大电场辐射强度达到50 V/m，部分位置辐射强度较高，对于灵敏度低的接收设备可能会造成电磁干扰。

2.4 仿真研究总结

通过仿真可看出，天线安装、设备组成和整体布局都会影响系统的电磁特性。本文所建立的舱体模型和设备模型均参照真实火箭设计，模型结构尺寸为实物的等比例模拟，只是为了便于仿真计算，对部分不影响电磁特性的精细结构进行了简化处理，得到的仿真结果基本能够反映真实火箭无线系统的电磁兼容趋势。

对于该固体火箭而言，天线电磁特性参数在装舱前后发生改变，个别收发设备之间存在一定的电磁耦合，舱体个别位置存在高达50 V/m的电场辐射，无线系统电场分布不平衡，可能存在电磁不兼容的趋势[8-11]。

3 火箭无线系统电磁兼容性试验验证

仿真无法给出系统是否满足电磁兼容的确定性结论，因此就需要开展验证对系统的真实性能加以验证。考虑到火箭无线系统的组成、位置、布局等因素，进行系统电磁兼容试验设计，见图5[12]。

图5 电磁兼容试验项目设计

3.1 关键单机电磁兼容验证试验

收发设备单机性能制约了火箭无线系统的整体性能。按照图5所设计的试验项目分别进行乱真无用信号测试、互调信号发射测试、交调信号发射测试、电磁辐射发射测试和电磁敏感度测试，具体试验方法和量级(极限值)参考了GJB 151A—97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB 152A—97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》中CS103、CS104、CS105、RE102和RS103这个对应的描述[4-5]。

通过试验，验证了无线系统关键单机设备的电磁兼容性，在乱真无用信号、互调信号、交调信号和谐波信号发射抑制及敏感度方面性能较好，在外界存在20 V/m电场辐射的环境中能够正常工作，不会产生故障或性能降级(20 V/m为标准中对于空间设备设定的试验量级)。但是，在电磁辐射发射试验中，参试设备在10 kHz～18 GHz均存在不同程度的辐射超标(极限值曲线按照空间设备进行选取)。这就表明，当无线收发设备全部放置在一起时，会产生复杂的电磁辐射环境，当环境强度低于20 V/m时，系统应能实现电磁兼容，若超出20 V/m的试验量级，就有可能会造成电磁干扰，若考虑设备组合后的影响就需要进行系统桌面散态试验。

3.2 系统桌面散态电磁兼容试验

系统桌面散态试验，即将火箭全部电气设备(含无线系统设备)按照在火箭上的大体布局在试验桌面上平铺放置，考核全系统的电磁兼容性。在进行试验时，发射装置需开启全功率模式发射模式，接收装置开启信号接收模式，同时监测各设备工作时的性能。对于无线系统的试验验证，主要为 10 kHz～18 GHz电磁辐射发射测试(试验方法参考RE102)和20 V/m量级的电场敏感度测试(试验方法参考RS103)。

在电磁辐射发射测试中，首先保持全部无线收发设备处于关机状态，使用电磁兼容试验设备测试背景电磁环境数据，然后再按照火箭飞行工作状态开启无线系统设备，进行工作状态下的电磁辐射发射测试。测试后，将测试数据与背景环境数据进行对比分析，即可判断是否存在较大的电磁发射。通过试验发现，无线设备开启后，100 kHz～100 MHz的电磁信号与背景环境相比整体提升了约25 dB，而无线系统设备主要工作在S波段，因此不是产生低频电磁发射的主因，这部分的发射可能与电源、电缆泄露有关。在1～18 GHz频段上，可明显发现在个别点频上存在较高发射，这正是无线系统S波段的遥测发射信号。试验过程中，除个别接收数据出现跳变以外，各设备工作性能正常。

在电场辐射敏感度测试中，在无线系统附近位置施加20 V/m外界电场，使无线设备在此环境中同时工作。通过监测设备性能，发现属于无线系统的脉冲应答机在试验过程中出现了几次误响应，经过后期排查分析，确认此问题属于该设备自身的设计裕度问题，不会影响系统整体的性能，不属于设备性能降级或故障。除此以外，其他收发设备均未出现问题。

由此，经过桌面散态试验可判断无线系统各设备在完成连接之后，同时工作时性能正常，未出现系统整体性能降级的现象，能够实现电磁兼容。

3.3 系统装舱状态匹配试验

桌面散态试验可验证设备组成之后的电磁兼容性，而系统装舱状态下的匹配试验则能够在包含火箭结构、材料及设备空间布局等因素的条件下，真实验证火箭无线系统整体的电磁兼容性。

系统匹配试验分为地面状态系统匹配测试和吊挂状态系统匹配测试2部分，前者是将安装有无线系统设备的火箭舱段垂直放置于地面，模拟火箭发射待飞姿态，进行系统匹配和电磁环境测试；后者是将火箭试验舱段悬空吊挂，模拟火箭发射后在空中飞行时的不同姿态，进行系统匹配和电磁环境测试。通过试验结果，判断完成装配后的无线系统是否电磁兼容。由于火箭其他舱段结构对无线系统的电磁兼容性影响不大，因此出于便于实施的目的，这里也仅选取无线系统安装舱段作为试验对象。

3.3.1 地面状态系统匹配测试

进行地面状态系统匹配测试时，参试舱段垂直放置于地面，使用固体设备支撑。在舱体上设置电场强度观测点，放置电场传感器，测试无线系统工作时的综合电场强度，在距离舱体5 m处放置电磁辐射接收天线测试无线系统工作时的电磁环境，同时通过在地面运行收星检查流程进行系统匹配，监测无线系统设备性能和火箭收星定位情况。测试布局见图6所示。

图6 地面支撑状态试验布局图

通过试验，放置于2个位置处的电场探头探测到的最大电场强度分别为33 V/m和50 V/m，这与上一章关于整体布局影响仿真分析中得到的最大电场强度趋势一致。在几个关键点频也测到了无线设备的发射信号。除个别接收数据出现跳变以外，系统整体性能正常，未出现不兼容的现象。

3.3.2 吊挂状态系统匹配测试

分别将试验舱段距离地面5 m以上悬空吊挂，按照火箭典型飞行姿态将吊挂状态分别设置为垂直吊挂、水平吊挂和倾斜吊挂。在此状态下，将无线系统开启工作，测试无线系统工作时的综合电场强度，同时通过在地面运行收星检查流程进行系统匹配，监测无线系统设备性能和火箭收星定位情况。测试布局图见图7。

(a) 垂直、倾斜

(b) 水平

通过试验，放置于2个位置处的电场探头探测到的最大电场强度均为50 V/m左右，这与上一章关于整体布局影响仿真分析中得到的最大电场强度趋势一致。除个别接收数据出现跳变以外，系统整体性能正常，未出现不兼容的现象。

3.4 试验研究总结

通过试验发现，虽然在系统个别位置测到了较大的电场辐射，但通过对系统性能检查结果看，未出现整体性能降级的现象，可认为该火箭无线系统满足电磁兼容。

4 结论

(1)通过数值仿真，分析了无线系统的电磁特性，发现天线在装舱前后的辐射特性参数发生变化，设备间的耦合程度随距离远近有很大的差别，受舱体布局影响系统整体电场分布不平衡，个别部位出现最大50 V/m的电场强度，给出系统可能存在电磁不兼容趋势的预测。

(2)验证试验中，针对系统特点完成了电磁兼容试验设计，实现了从单机级、桌面散态级、系统级不同角度逐层验证系统的电磁兼容性。在无线系统设备同时工作的情况下，测得S波段的遥测发射信号，发现舱体部分位置确实存在50 V/m左右的辐射电场，除个别设备出现可允许的的失误以外，未出现影响系统整体性能降级的现象。

(3)结合仿真与试验结果，可判断该火箭无线系统满足电磁兼容。同时，由此形成的研究方法可行，研究结果可靠，具有较高的工程应用价值，可为复杂系统的电磁兼容性设计与验证提供参考。

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(编辑：吕耀辉)

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。

国家“十二五”重点攻关课题。

周萍(1984—)，女，博士生，研究方向为航天运载器电磁环境效应。E-mail:ana0072@163.com

V528;TJ7

A

1006-2793(2015)03-0433-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.026