抑制星上穿舱电缆电磁泄漏的包覆工艺技术

郝佳，张名毅，丁勤，周传君，魏泽军，杨争光



抑制星上穿舱电缆电磁泄漏的包覆工艺技术

郝佳，张名毅，丁勤，周传君，魏泽军，杨争光

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

对于某些装配有高灵敏度设备的卫星，其舱内设备的非期望辐射发射通过穿舱电缆、过孔等耦合到舱外，被高灵敏度设备在卫星舱外的天线接收，可能干扰高灵敏度设备对正常信号的接收。文章提出了抑制卫星穿舱电缆电磁泄漏的包覆及过孔封堵的方案，同时进行了包覆方法研究和效果分析，验证了该方案可以减小穿舱电缆和穿舱孔的电磁辐射泄漏对接收系统的影响，使卫星的电磁兼容性得到改善。

穿舱电缆；电磁泄漏；包覆；封堵；电磁兼容性

0 引言

高、低频电缆是卫星上的通用关键组件，用来连接器上的电子仪器设备。为满足各种设备正常工作以及某些设备的特殊安装要求，需要将不同的设备安装在舱段内、外的特定位置，一些设备间的高、低频电缆需要穿舱连接，这就要在卫星本体上开孔以提供电缆的穿舱路径[1]。

目前，对某些装有高灵敏度设备的卫星来说，在EMC试验过程中发现，穿舱电缆可能将舱内设备的电场辐射耦合到舱外，被高灵敏度载荷系统在舱外的天线接收[2]，某些频段的噪偏高，频谱分量复杂，形成了各种干扰谱线，从而影响设备对正常信号的接收[3]。因此，需找到一种抑制卫星穿舱电缆电磁泄漏的方法，以减小其对接收系统的影响，使卫星电磁兼容性得到改善。

1 机理分析及方案设计

1.1 电磁干扰源及传播途径分析

卫星在进行EMC试验时，载荷系统接收到较多的非期望信号，原因可能有2种：测试环境问题和卫星自身兼容性问题。如果是环境中存在这些非期望信号，在卫星不开机状态下载荷同样能够收到，而经测试并未发现这些信号，可排除试验室背景噪声原因。卫星自身兼容性问题又分为传导发射问题和辐射发射问题，可通过无线和有线测试状态对比的方法进行排查。如整星经过较长时间有线测试后，未发现EMC试验中的非期望信号，可以认为试验时观察到的非期望信号不是经电缆线传导发射进入载荷接收系统的，而很有可能为设备使用电缆直接向空间辐射后由天线接收，最后进入接收系统的。

通过对试验室非期望信号进行仔细分析及相关载荷设备验证试验，进一步确认了干扰源主要来自于载荷舱设备及电缆本身。对设备间连接电缆采用金属镀层热控薄膜包覆或屏蔽布进行屏蔽处理对比试验，发现电缆包覆前问题复现明显，电缆包覆后干扰谱线显著减少。因此，可以确认通过设备间的电缆辐射是干扰的主要传播途径。

对电缆过孔进行封堵处理对比试验，测试后发现基本解决了干扰问题。因此辐射发射的另一个可能途径是星体舱壁的操作孔或电缆过孔。当孔的长度达到/2时（不管孔的宽度），就会成为一种非设计的天线，即调谐偶极子，把内部的能量全部重新辐射出去，甚至会表现出很小的增益（约3dB）。但是这种辐射能力会随着孔长度的减小而急剧衰减。其衰减量（dB）[4]为

≈100-20lg-20lg+20lg[1+2.3lg(/)]+30/，

(＜2)， (1)

式中：为孔的长度，mm；为电磁辐射频率，MHz；为孔的宽度，mm；为孔的深度，mm；为频率对应的波长，mm。式(1)的前3项表示孔的反射损耗，由入射波阻抗和孔缝阻抗失配引起；第4项是孔缝的“肥胖因子”，用于考虑的影响；最后1项是导行波衰减项。

根据上述试验工作和机理分析，明确了干扰源来自于卫星系统，特别是载荷舱设备。由于航天器舱内设备的非期望辐射发射缺少良好的自身抑制，在设备的电缆上产生了共模电流。且共模电流方向相同，产生的电磁场互相叠加，通常幅度比差模电流小几个数量级的共模电流就可以产生相同幅度的辐射场。共模电流产生的辐射发射在穿舱孔洞边缘和穿舱电缆上会产生感应电流[5]，该电流产生二次辐射到航天器外，被接收天线收到，最后进入接收系统，造成各种干扰谱线，从而影响设备对正常信号的接收，使整星电磁兼容性受到影响。

1.2 抑制电磁泄漏方案设计

对照处理电磁兼容性问题的基本原则，干扰源、干扰传播途径定位后，主要解决方案为抑制干扰源的发射，切断干扰传播途径[6]。可以从单机层面及系统层面分别进行优化。

对于单机设备[7]，通过改善模块间电缆绑扎、增加滤波网络、实施多点接地，设备内部模块分离以增加屏蔽效果等方法，可从设备本体减少一定的电磁辐射。

系统层面在整星总装过程中，考虑到星上结构紧凑，增加隔板的方案可行性较差，因此拟采取以下3种方案：第一，包覆载荷舱电缆（包括高、低频电缆）、并对包覆薄膜双端进行接地处理，包覆材料有金属镀层的热控薄膜；第二，采用法兰盘解决高频电缆穿舱问题，同时用金属镀层的热控薄膜材料封堵缝隙；第三，封堵其他星体结构板处开孔。

按照式(1)，结合卫星上的各种孔缝进行理论分析，计算各种孔缝的远场衰减。

1）高频电缆穿舱孔（60mm×20mm×20mm），=100-20lg60-20lg+20lg[1+2.3lg(60/20)]+30lg(20/60)=100-35-20lg+6-14=57-20lg。

2）低频电缆穿舱孔（60 mm×60mm×20mm），=100-20lg60-20lg+20lg[1+2.3lg(60/60)]+30lg(20/60)=100-35-20lg+0-14=51-20lg。

3）舱板接缝（1000mm×2mm ×20mm），=100-20lg1000-20lg+20lg[1+2.3lg(1000/2)]+30lg(20/1000)=100-60-20lg+17-50=7-20lg。

4）操作孔（100mm×100mm ×20mm），=100-20lg100-20lg+20lg[1+2.3lg(100/100)]+30lg(20/100)=100-40-20lg+0-50=10-20lg。

由以上分析计算可知，舱板接缝和操作孔是最突出的泄漏孔缝，应予以重点处理。低频电缆和高频电缆穿舱孔的孔缝本身的电磁泄漏相对较低，重点是对电缆进行包覆处理。

2 包覆及封堵工艺

2.1 电缆包覆

2.1.1 高、低频电缆包覆

对于简单分支的高、低频电缆，首先在每条剪裁好的金属镀层的热控薄膜上打放气孔，然后对整根电缆进行包覆。薄膜沿着电缆由一端向另一端缠绕包覆，前后两圈互叠宽度约为带宽的45%～50%，露出放气孔，包覆松紧适度。若薄膜长度不够则允许搭接，搭接时注意保持薄膜间的电连续性。电缆插接后，在电缆的两端继续包覆金属镀层的热控薄膜到设备表面的插座上[8]，并将薄膜固定。在电缆弯折处用3M胶带包扎固定，防止缝隙出现。

对高频电缆舱外部分，再用单面镀铝聚酯胶带沿着电缆由天线一端向结构板一端缠绕包覆，包至结构板处时，将胶带翻边粘贴在结构板上。

2.1.2 复杂多分支电缆包覆

对于有复杂分支的电缆，首先用两面金属镀层的热控薄膜在距分叉点约50mm处从每个分支逆向到主干包覆，在分叉点处尽量包覆严实，然后再沿主干向分支方向包覆，一直包覆到过分叉点约20mm处，继续搭接薄膜，包覆分支，搭接要求同上。确保前后2段薄膜的镀铝面搭接牢固。

其余方法同低频电缆包覆方法。

2.2 结构过孔封堵

2.2.1 法兰盘式封堵

采用安装天线孔法兰的方式，可缩小过孔尺寸、衰减辐射、减少泄漏。电缆从法兰穿过后，在法兰过孔上再逐层粘贴5层金属镀层热控胶带，可改善干扰影响。法兰盘安装效果见图1。

图1 法兰盘安装效果图

2.2.2 多层薄膜式封堵

对于不便于安装法兰的电缆穿舱孔位置，电缆包覆后将包覆的金属镀层热控薄膜搭接至结构板，采取逐层粘贴5层金属镀层的热控胶带的方式进行封堵（扎放气孔），效果见图2。对于星体结构板上的精测孔、操作孔等，也采用此种方式。

图2 穿舱孔薄膜封堵效果

2.3 检验方法

2.3.1 高、低频电缆包覆

高、低频电缆包覆后，需对阻值、放气孔、疏密度等进行检查。检验方法如下：包覆前，对包覆材料阻值进行测量，并检查放气孔。然后对电缆（线缆段）包覆后的阻值、疏密度及放气孔进行检查。待两端电连接器连接并包覆后，检查薄膜与电连接器金属壳体搭接情况并测量导通阻值；最后检查电缆弯折处缝隙是否被封堵。对于低频多分支电缆，须逐一测量每段分支的导通阻值。

2.3.2 过孔封堵

过孔封堵后，对阻值、放气孔等进行检查。检查每层薄膜接缝是否错开，保证封堵严实、可靠。

2.3.3 导通阻值量化

高、低频电缆包覆时，薄膜在多次揉搓后阻值会变大，降低电连续性，因此包覆前要保证每条薄膜的阻值良好。薄膜按照后圈压前圈1/2圈缠绕包覆，根据多次包覆试验的经验得出，每米金属镀层的薄膜阻值约20Ω，可缠绕电缆的长度约350mm，即缠绕比约3︰1，因此，电缆缠绕薄膜后的阻值标准应为约60Ω/m，考虑到搭接阻值损耗，最终检验标准定为高、低频电缆包覆后导通阻值为不大于80Ω/m。单根电缆包覆后薄膜阻值测量方法见图3。

(a) 高频电缆 (b) 低频电缆

3 效果分析

包覆后的电缆经某型号整星电磁兼容性试验验证，在不改变电缆路径的情况下成功将舱内设备的无意辐射发射电平降低15～20dB，包覆后较之包覆前，干扰谱线数量明显减少，符合型号电磁兼容性试验要求。电缆包覆前后效果对比见图4。

(a) 电缆包覆前

(b) 电缆包覆后

图4 电缆包覆前后某频段干扰情况对比图

Fig. 4 Comparison of interferences before and after cable coating

由图4可以看出，电缆包覆前，底噪在频段低端超过了-120dBm，最大接近-110dBm，谱线数量较多，有30多根，最高的谱线超过-90dBm；而电缆包覆后，底噪得到了很好的抑制，抑制到-130dBm左右，谱线数量大大减少，只有10几根，幅度都降低到-90dBm以下。

以上验证表明，孔缝处理和电缆包覆之后，电磁干扰耦合抑制效果良好。但由于电缆本身特别是功率电缆本身具有功率损耗会产生热量，需要散热，包裹层恐不利于电缆特别是功率电缆的散热。所以，须对整星进行热真空、热平衡试验验证，以保证采取的包覆工艺措施不会使电缆的温升超过允许范围。

另外，本文阐述的是在系统级层面采取孔缝封堵和穿舱电缆包覆的工艺措施来抑制电磁干扰耦合，实际操作中在单机层面也对产生电磁干扰的主要干扰源（例如时钟电路、DC/DC等）进行了屏蔽加固，多方面措施相互结合的综合治理使得卫星的电磁兼容性能得到提高。

4 结束语

本文通过对穿舱电缆造成系统的电磁兼容性影响问题的机理分析，提出了一种抑制卫星穿舱电缆电磁泄漏的包覆及过孔封堵方案，同时进行了优化试验和试验效果分析，验证了该优化方案可以减小穿舱电缆和穿舱孔的电磁辐射泄漏对接收系统的影响。此方法已在后续卫星型号上全面应用，使卫星的电磁兼容性能得到优化。

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（编辑：冯露漪）

A coating method for reducing electromagnetic radiation leakage of cross-cabin cable on spacecraft

HAO Jia, ZHANG Mingyi, DING Qin, ZHOU Chuanjun, WEI Zejun, YANG Zhengguang

(DFH Satellite Co. Ltd., Beijing 100094, China)

For a spacecraft installed with high sensitivity equipment, the accidental radiation of the equipment inside the cabin, coupled with that outside the spacecraft cabin through the cable and through the hole, can be received by the high sensitive equipment antenna outside the spacecraft cabin. The reception of the normal signal by the high sensitive device is disturbed in this case. In view of this situation, a new method of cable coating and hole plugging is presented to reduce the influence of electromagnetic radiation leakage on the receiving system. It is shown that the method improves the EMC of the satellite.

cross-cabin cable; electromagnetic radiation leakage; coating; plugging; electromagnetic compatibility

V416.6; O441.5

A

1673-1379(2017)04-0451-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.020

郝佳（1986—），女，主要从事卫星总装工艺设计工作。E-mail: 390160045@qq.com。

2017-04-21；

2017-07-21