运载火箭电磁环境测量方法研究

李云



运载火箭电磁环境测量方法研究

李云

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

目的 研究运载火箭所面临电磁环境的特点，提出外部电磁环境和内部电磁环境的测量方法。方法 针对运载火箭面临的外部电磁环境，研究对未知电磁环境的测量方法和测量数据的评估方法。针对内部的电磁环境，研究小型测量天线和测量时天线的修正系数。结果 通过实验验证了对未知电磁环境测量方法的可行性，验证了使用小型化天线开展内部电磁环境测量的可行性。结论 设计的电磁环境测量方法可以实现对未知环境的测量，可以实现对狭小空间电磁环境的测量，能为运载火箭电磁兼容性设计提供数据依据。

运载火箭；电磁环境；电磁兼容性

运载火箭构成复杂，主要设备的构成有控制系统、动力系统、测量系统的设备，电子设备品种繁多，工作频带宽，放置设备的仪器舱结构密集，因此火箭内部电磁环境复杂。为了保证火箭的安全，在火箭发射前需要开展各种测试，测试有可能在调试现场、匹配试验室、发射场的技术工位、发射场的发射工位开展，所处的外界电磁环境复杂。

电磁兼容性是设计出来的。从大的方面说，系统设计需要考虑电磁兼容性，系统所面临的电磁环境是系统设计时必须考虑的因素之一。从小的方面说，设备的设计也需要考虑与其他设备的电磁兼容性，该设备所面临的电磁环境也是设备设计时必须要考虑的因素之一。

如何进行电磁环境的测量，了解未知的电磁环境，文中从外界电磁环境入手，从外至内介绍了运载火箭外部未知电磁环境、火箭内部电磁环境的测量方法，并通过实例验证了方法的可行性。

1 总体技术思路

运载火箭所面临的电磁环境测量方法总体技术思路如图1所示，包括测量需求、方法设计、结果评估。

测量需求主要是分析运载火箭所处的研制阶段，根据研制阶段的不同，确定需要开展外部电磁环境测量还是内部电磁环境测量。明确了测量需求，再根据需要测量的电磁环境设计测量方法。测试完成后，需要对测量数据进行分析，对测试结果进行评估，以便有针对性的给出电磁兼容性设计的依据。

2 外部电磁环境测量方法

2.1 测量需求分析

运载火箭在研制阶段需要开展各种大型电气系统试验，主要有桌面散装状态试验，一般在匹配试验场地进行；总装状态试验，一般在运载火箭总装厂房进行；还有一种是发射前的试验，一般是在发射试验场进行。根据运载火箭的研制情况、产品的成熟情况，这些试验可以全做，也可以不做。

外部电磁环境，主要是在开展上述试验时，所在试验场地附近产生的电磁环境。这些电磁环境可能会干扰运载火箭的工作，影响试验的顺利进行。如果是发射场出现影响运载火箭工作的电磁环境，有可能导致发射的失败，所以了解外部电磁环境非常重要，为开展电磁环境控制提供了必要的数据支撑。

2.2 测量方法设计

测量方法是根据测量的需求而设计的。对于匹配试验场地、总装厂房试验场地，这些属于内部的试验场地，一般电磁环境可控，采用的测量方法是已知电磁环境测量方法，主要是检查周围的环境是否发生变化。文中主要介绍未知电磁环境的测量方法。

1）简化未知信号。作为未知电磁环境，电磁信号的大小、方位、信号类型、信号出现的时间点等都未知，但是可以知道运载火箭敏感的频率段、敏感设备所处的方向、敏感设备所在的距地高度等信息。根据已知信息，首先确定测量天线的高度、放置的位置，把运载火箭关心的电磁环境位置点作为一个需要测试的点源，围绕这个点形成的球状未知电磁信息（如图2所示）开展电磁环境测量。为减小测量难度，还可以根据运载火箭上天线的方向图、测试频段等信息，进一步简化成面信息（如图3所示）开展测量。

2）确定测量设备。首先根据所关心的频段确定天线的种类、再根据时间进度确定天线的数量，按照主要测量面信息的思路配置可以调整方向的天线架，按照长时间不间断测量的方案配置频谱测量设备如频谱分析仪或接收机、存储装置、天线控制装置等组成测量系统，如图4所示。

2.3 结果评估

1）数据采集。测量电磁环境主要记录的数据有频率、天线极化方式、天线方向角、天线系数、测量设备记录的频谱信息、所用电缆的损耗、使用的衰减器或低噪声放大器系数、电磁信号出现的时间点等。

2）测量结果计算。对于运载火箭敏感设备所处位置的电磁信号信息，通过测量数据采集到的信息计算未知的电磁信号场强、功率密度。对于接收设备处的电磁信号，计算接收天线口面的功率电平值。

测量的未知电磁环境场强计算方法为[1]：

＝+(1)

式中：为场强值，dBµV/m；为频谱分析仪或接收机测量到的电压值，dBμV；为天线系数，dB/m。

考虑到测量时使用的电缆损耗、衰减器衰减值、低噪声放大器的放大值，场强计算方法为：

＝++w+a－(2)

式中：w为电缆损耗，dB；a为衰减器衰减值，dB；为低噪放大器增益，dB。

测量的未知电磁环境功率密度计算方法为[2]：

＝－90－10lgZ (3)

式中：为功率密度，dBmW/m2；为波阻抗，在远场条件下，=377 Ω。

接收天线口面的功率电平计算方法为：

S＝－a+－(4)

式中：S为接收天线口面功率电平，dBm；为频谱仪或接收机测量到的电平值，dBm；a为接收天线增益，dB；为电缆损耗，dB。

3）结果评估。根据测量的结果，首先对比测量到的外界电磁信号频率与运载火箭所使用的频率是否相同，是否在接收机带宽内，是否为运载火箭有用频率的谐波。再分析电磁信号的大小是否能干扰运载火箭的信号传输，进一步分析运载火箭接收天线口面收到的信号大小是否影响接收机的正常工作，给出测量结果评估报告。如果评估的结论是会干扰运载火箭的正常工作，需要对电磁环境进行控制。对于已经成熟的运载火箭，控制方法是找到发射源，控制发射源的辐射。对于正在研制的运载火箭，测量的电磁环境数据作为运载火箭电磁兼容性设计时的输入条件，通过电磁兼容性设计方案进行抗干扰防护设计。

2.4 应用案例

本测量方法应用于某未知相控阵雷达电磁环境测量中。

相控阵雷达具有天线波束快速扫描、波束形状灵活变化、信号功率在空间进行合成、易于形成多个波束等特点。这些工作特性决定了其电磁环境特性的多变性和不确定性，因此需要采用上述测量方法来对其工作时所产生的电磁环境进行测量。

在所要求的测量位置点附近放置接收天线，实时监测并记录频谱分析仪示值，考虑到天线波瓣宽度有限，在水平面360°范围内进行多次测量。捕捉到所观测位置有明显的电磁信号，确定此信号方位，得到一个确定的场强强度，达到测量目的。

3 内部电磁环境测量方法

3.1 测量需求分析

运载火箭系统除避免外界电磁环境的干扰外，很重要的工作是避免系统内部的电磁干扰。系统内部的电磁干扰需要各个组成设备承担相应的工作。对于设备进行电磁兼容性考核的标准是依据GJB 151A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》、GJB 152A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》或GJB 151B—2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》，而这些标准是个普适的标准，通过了这些标准考核的设备在系统中有时仍然会干扰其他设备或受到其他设备的干扰。标准对此专门有说明，对于在特定系统或平台内使用的设备或分系统，当具体电磁环境和工程分析表明本标准的要求不完全适用时，可对本标准的要求进行剪裁，加严或放宽要求，以满足整个系统的性能，提高效费比，降低成本[3]。

运载火箭的内部电磁环境主要有控制系统关键设备处的电磁环境、电类设备如发射机产生的电磁环境、非电类设备如发动机产生的电磁环境等。

3.2 测量方法设计

测量方法设计前先分析电磁环境测量的需求。从以往运载火箭发射的情况分析，非电类设备产生的电磁环境有可能影响某些传感器的测量精度，不会影响飞行的成败。电类设备作为单个设备考核，可以采用GJB 152A/GJB 151B中的方法。文中主要讨论运载火箭安装完成后如何对火箭内部的电磁环境进行测量。

1）火箭内部有足够的空间放置测量天线的测量方法。测量设备基本是频谱分析仪或接收机，采用的天线和电场探头一般为标准天线和标准探头，测量方法的主要关键点是天线的布置，选择最能反映关键设备处电磁环境的位置。应用实例如图5所示。

2）火箭某个关键设备处不能放置大型天线的测量方法。火箭某些舱段结构紧凑，不能放置大型电磁兼容性测量天线；或位置有限，电磁兼容性测量天线的放入会引起电磁场的变化，测量数据不能真实反映测量位置的电磁环境。解决的办法是，首先分析运载火箭上狭小位置的最小尺寸，再考虑此处所关心的电磁环境频率范围，进一步分析电磁兼容性常规测量方法的适用性，通过这些分析明确了小型化天线的研制是实施狭小空间电磁环境测量的关键之一，测量方法围绕这一关键点进行设计。

根据运载火箭关心的频段研制小型天线，天线形式有薄板超宽带天线、双“T”型缝隙微带天线、柔性线缆天线、分离式有源天线等。

薄板超宽带天线外形尺寸如图6所示，辐射方向如图7所示。

双“T”型缝隙微带天线外形结构如图8所示。

柔性线缆天线仿真模型如图9所示。

分离式有源天线结构外形如图10所示。

图8 双“T”型缝隙微带天线外形结构

图9 柔性线缆天线仿真模型

图10 分离式有源天线结构外形

狭小空间电磁环境测量的另一个关键点是小型化天线测量数据的处理。通过小型化天线的远场测试、近场测试、与电磁兼容性标准天线的结果比对，给出小型天线的测量修正系数。

具体方法为，首先在全波暗室对上述各类小型天线进行方向图测试、天线系数测试，考虑到狭小空间对天线的影响，测试时旋转天线的角度，得到天线口面在不同角度的天线系数。再分别放置上述各类小型天线在狭小空间中，在固定位置施加经标定的标准电场，小型天线在狭小空间中进行360°旋转，得到不同角度的接收值。通过在全波暗室得到的天线系数与狭小空间得到的测量值进行比对补偿，得到可以最终使用的天线转换系数。

通过综合电场探头测量值与小型天线应用天线转换系数转换后得到的电场值比较，可以得出，电场探头测量值与天线转换的测量值总体趋势吻合良好，天线转换后的测量值与电场探头标定值的偏差小于4 dB（测量结果对比见表1）。初步表明，该测量方法可在工程上应用于狭小空间内电场的测量。

表1 测量结果对比

3.3 应用案例

将此方法应用于某运载火箭仪器舱内部电磁环境的测量与分析。测量天线选用薄板超宽带天线，测量数据如图11所示。

图11 小型化天线应用测量数据

为进一步分析和验证测量结果，对舱内电磁环境进行了仿真，从仿真和测量的比对情况看，仿真和测量的偏差在10 dB以内。通过测量和分析，反映出仪器舱内电磁环境的分布情况、不同工况状态下的场强变化，该方法可以达到测量目的。

4 结语

文中介绍的运载火箭电磁环境测量总体技术思路，经过多年的应用证明是有效的。对未知环境的测量方法经过实际测量验证也是有效的，所提出的测量结果评估方法通过实践也证明可以为运载火箭开展电磁兼容性工作提供数据支撑。运载火箭内部狭小空间的电磁环境测量方法解决了长期以来仪器舱内电磁环境未知的难题，达到了对狭小空间电磁环境的掌握从定性到定量的飞跃。

[1] 闻映红. 电磁兼容导论[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

[2] 顾希如. 电磁兼容的原理､规范和测试[M]. 北京: 国防工业出版社, 1988.

[3] GJB 151B—2013, 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量[S].

Electromagnetic Environment Measuring Method for Launch Vehicle

LI Yun

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

Objective To research characteristics of the electromagnetic environment of the launch vehicle, put forward a measuring method for external and internal electromagnetic environment. Methods In view of the external electromagnetic environment, the measuring method of unknown electromagnetic environment and evaluation method of measured data for the launch vehicle were researched; in view of the internal electromagnetic environment, the correction factor of the small antenna and the measurement was studied. Results The feasibility of the method was verified by experiment. The feasibility of measuring the internal electromagnetic environmentwith small antenna was also verified. Conclusion The measuring method designed for electromagnetic environment could be used to measure unknown environment and narrow and small space electromagnetic environment. It provides a data basis for electromagnetic compatibility design of launch vehicle..

launch vehicle; electromagnetic environment; electromagnetic compatibility

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.006

TJ711.06

A

1672-9242(2017)04-0026-06

2016-10-28；

2016-11-28

李云（1965—），女，北京人，研究员，主要从事运载火箭系统电磁兼容性、雷电防护、静电防护设计、试验、分析、评估等方面的研究。