航天器弱电磁信号处理设备综合防护技术

邓凯文

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

随着航天器业务领域的不断拓展，载荷设备的种类越来越丰富，其中包含一些用于接收地面小功率终端所发射的微弱电磁信号的卫星通信、信标/数据采集等载荷设备。这类载荷设备接收机灵敏度较高（通常在-140～-110 dBm之间），频率相对较低（通常为VHF、UHF和L频段），属于弱电磁信号处理设备，极易受到来自航天器平台数据管理、姿态控制与供配电等电子设备的噪声信号的辐射干扰：在航天器地面测试和在轨飞行期间均发生过此类问题。在航天器研制过程中，通过采取一系列有效的干扰防护措施，有效抑制航天器平台设备对弱电磁信号处理载荷设备的干扰噪声电平，对保证航天器在轨业务的顺利开展十分必要。

本文对干扰航天器弱电磁信号处理设备的噪声信号的来源和干扰途径进行全面分析，给出干扰源识别的基本方法，提出低频电缆整束屏蔽、穿舱电缆孔缝屏蔽、舱外设备支架屏蔽和舱体结构电磁隔离等一系列防护措施，并通过实际工程应用验证这些措施的有效性。

1 干扰机理分析

任何电磁干扰现象的存在都是干扰源、干扰传播途径和受扰设备3个根本要素同时作用的结果[1]，航天器弱电磁信号处理设备受扰时，也通常是器上某台设备产生的电磁噪声信号通过特定的辐射通道耦合进入弱电磁信号处理设备的射频接收通道（通常为接收天线）。因此，对干扰源和干扰传播途径进行分析识别，有助于航天器总体设计时有针对性地采取有效防护措施。

航天器上潜在的干扰源大多数情况为综合电子单元、数据管理单元、姿态控制计算机、供配电单元等使用了低频晶体振荡器、CPU、FPGA等电子器件的设备。虽然CPU、FGPA一般被认为是易受干扰的器件，但其运行时的高速数字信号在频域的覆盖范围可以达到上GHz，虽然单个频点的能量不高，但整体频谱非常丰富，极易覆盖弱电磁信号处理设备的工作频段；晶体振荡器的高次谐波通常很难被有效抑制，频谱上看都是规律的谐波点频分布，但在单个谐波频率上的能量较高，产生的干扰通常更为严重[2]，比如工程上曾经发现工作频率为40 MHz的晶体振荡器的高次谐波频率进入GPS接收机1565～1585 MHz工作频带的情况。另外，应答机、数传、通信机等射频设备的高频本地振荡器也是重要的干扰信号源。

电磁干扰信号的传播途径主要是辐射传播，即干扰源设备内部电路板上的电磁噪声信号通过设备的互联电缆向外辐射。如果互联电缆在航天器内，则这些信号会通过航天器舱板上的孔缝泄漏效应或穿舱电缆的二次发射效应，耦合进入弱电磁信号处理设备的接收天线；如果互联电缆在航天器外，则这些射频信号在舱外直接耦合进入弱电磁信号处理设备的接收天线，进而对弱电磁信号处理设备的工作造成影响[3-4]。

弱电磁信号处理设备受扰的机理如图1所示，图中：途径1为航天器舱外设备及其互联电缆辐射的电磁噪声信号，直接耦合进入弱电磁信号处理设备天线的过程；途径2为舱内设备及其互联电缆辐射的电磁噪声信号，通过舱壁上的孔缝耦合进入弱电磁信号处理设备天线的过程；途径3为舱内设备及其互联电缆辐射的电磁噪声信号，通过射频同轴电缆的二次辐射效应耦合进入弱电磁信号处理设备天线的过程。

图1 弱电磁信号处理设备干扰机理Fig. 1 Illustration of interference mechanism for equipment in processing weak electromagnetic signals

2 干扰源识别

为了在航天器研制过程中对弱电磁信号处理设备采取有针对性的防护措施，需要对航天器内部的相关干扰源进行识别，在航天器研制阶段早期可通过信号频率特征分析进行初步识别，在航天器装配完成后可进行实测识别。

1）分析识别

在航天器单机研制阶段，对各单机设备使用的晶体振荡器的工作频率进行统计，凡是工作频率的谐波落入弱电磁信号处理设备工作频段的晶体振荡器，其所在单机设备均应被视为潜在的干扰源。也可能存在某些晶体振荡器或CPU等器件的杂波电磁噪声信号落入弱电磁信号处理设备工作频段的情况，一般不易通过分析判定，需要实测识别。

2）实测识别

在航天器装配完成后进行加电测试的典型工况下，使用测量天线和频谱仪（或EMI接收机）测量弱电磁信号处理设备接收工作频段内的电磁噪声信号，观察是否存在超出接收机灵敏度的信号，若存在，则可通过对单机设备逐个断电的方式排查出对应的干扰源设备，进而还可使用电场近场探头对发射干扰信号的电缆束进行定位。

3 综合防护措施

为了对弱电磁信号处理设备进行有效防护，通常需要从抑制干扰源、提高弱电磁信号处理设备抗干扰能力、切断干扰传播途径等3方面着力，干扰源与弱电磁信号处理设备的单机层面EMC相关工作需要由其对应的研制单位负责实施，相关技术不在本文赘述，本文主要从航天器系统总体工程的角度出发，考虑从切断干扰传播途径方面采取相关防护措施，包括航天器舱内外电缆处理、舱外结构电磁泄漏防护和电磁隔离等。

3.1 舱内电缆处理

对于航天器舱内低频电缆电磁噪声信号，可通过对其互联电缆进行布局优化和整束屏蔽加强，来降低耦合进入弱电磁信号处理设备接收天线的干扰信号强度。

1）电缆布局优化

在进行干扰源设备互联电缆布局设计和航天器总装时，应尽量加大此类电缆与接收天线的间隔距离，必要时需要调整干扰源设备的安装位置。该项操作需要航天器总体设计在设备布局设计阶段，就能够对舱内干扰源设备进行较为准确的识别定位。

2）电缆屏蔽加强

航天器设计师一般都会对遥测遥控高频、数据传输低频、总线1553B等电缆进行屏蔽处理，但若不能充分考虑屏蔽的完整性，如线束仅进行单根电缆屏蔽、屏蔽层在接插件尾罩处采用抽头式搭接等，最终屏蔽效果可能并不理想。理想的屏蔽措施是：电缆整束屏蔽（也可同时采取用于线束间去耦的单根屏蔽），屏蔽层在线缆两端的接插件尾罩处进行360°紧密的电搭接[5]，不能填充非导电的橡胶衬垫；在屏蔽材料的选择上，尽量使用较为柔软且屏蔽效果好的铜网或铜布胶带，可以进行人工缠绕包覆，也可以使用成型的屏蔽网套进行包覆。铜网或铜布胶带的屏蔽性能要比目前常用的镀铝热控多层材料或铝箔高很多[6]。工程上最终选用哪种屏蔽材料，取决于整器重量控制要求、工艺要求和对屏蔽效果的实际要求等。需要注意的是，电缆屏蔽包覆后应在屏蔽层上每间隔20 cm左右设置一些直径1～2 mm的放气孔，这些放气孔不会影响电缆的整体屏蔽效能。图2所示即为屏蔽效果最为理想的屏蔽处理方式，但目前这种处理方式在航天器工程上应用得不够——即使进行了整束电缆包覆处理，也往往忽略了接插件尾罩处的360°良好电搭接处理。

图2 航天器内部电缆屏蔽处理方式Fig. 2 Illustration of shielding effect for cables inside spacecraft

3.2 穿舱电缆处理

对于通过低频与射频电缆穿舱孔缝向舱外泄漏的电磁噪声信号，可分别使用屏蔽材料包覆、法兰盘封堵和专用转接接插件实现对穿舱孔缝的整体屏蔽，其中采用专用接插件的方式具有最理想的屏蔽效果。下面分别说明2类电缆的处理方法：

1）穿舱低频电缆束处理

对于通过舱壁打孔连接舱外设备的电缆，首先需要对穿舱低频电缆进行整束电缆的屏蔽处理，在穿舱位置的舱内、舱外两侧，使用屏蔽材料将电缆与舱板进行360°良好搭接，实现对穿舱孔缝的严密包覆，防止舱内的辐射干扰信号通过穿舱孔缝泄漏到航天器外部。如果舱板开口过大，还可以使用专用法兰盘来缩小开口尺寸，然后再进行相应的屏蔽处理[7]。屏蔽效果更为理想、也更为可靠的处理方式是使用穿舱转接接插件，接插件两端分别连接舱内、外的电缆，此措施需要在舱板加工时就将转接接插件的安装孔预埋进舱板内，且为尽量阻挡舱外电缆的电磁噪声信号，穿舱转接接插件应尽量选用带有滤波功能的类型。图3显示了穿舱低频电缆转接方式，使用螺钉将带有安装面的低频电缆转接接插件安装到航天器舱板外侧，电缆转接接插件对供电和低频信号的损耗极低，可以忽略不计。但需要注意的是：选取的接插件主结构力学强度需满足航天器力学环境要求，其电导通特性还需满足航天器外部热环境要求；在接插件安装使用过程中，不仅要保持插针、插孔的清洁，还应保证接插件与舱板连接牢靠，接插件两端所连的电缆都能在航天器结构上进行有效固定，以最大限度降低电缆对接插件施加的应力；安装完成后舱外部分的低频电缆仍需进行屏蔽处理，以达到最理想的屏蔽效果。

图3 穿舱低频电缆转接方式Fig. 3 Connections of low frequency cables through the panel

2）穿舱射频电缆处理

由于穿舱射频电缆是将舱内辐射干扰信号耦合到舱外的一个重要媒介，同样需要对其进行专门处理。屏蔽效果最佳的方式是使用穿舱射频转接头，转接头分别连接舱内与舱外的射频电缆，但此措施需要在航天器研制前期舱板加工时就将转接头安装孔预埋进舱板内，若后期技术状态变更，在已经开孔的舱板上进行位置调整或临时加装则较为困难。图4显示了穿舱射频电缆转接方式，使用螺钉将带有安装面的射频转接头安装到航天器舱板内侧。如果无法使用穿舱转接头，则需要使用与穿舱低频电缆束相同的屏蔽材料包覆方法进行屏蔽处理；另外，舱外部分的电缆也需要进行屏蔽处理。在工程应用时还需要考虑射频转接头插入损耗对相关分系统射频链路的影响：插入损耗通常在18 GHz频率下不会超过0.15 dB，且频率越低，插损越小。

图4 穿舱射频电缆转接方式Fig. 4 Connections of radio frequency cables through the panel

3.3 舱外设备支架的电磁防护处理

舱外设备互联电缆的电磁噪声信号，部分会通过天线、星敏感器、太阳敏感器等设备的支架镂空处向外泄漏，因此需要对这些镂空部位进行专门的屏蔽处理。可用屏蔽材料将支架整体包覆，且屏蔽材料与航天器舱板支架360°良好搭接。航天器外天线支架屏蔽处理方式如图5所示，需要进行屏蔽包覆的区域通常包括天线支架的减重镂空区域和隔热衬垫的裸露区域。目前在工程上，由于对舱外射频电缆二次辐射效应的忽视，以及对舱外低频电缆的屏蔽效果估计过高，对舱外设备支架进行屏蔽处理的措施实施得较少。

图5 航天器外天线支架屏蔽处理方式Fig. 5 Shielding for antenna bracket outside spacecraft

3.4 舱体结构电磁隔离设计

对于因工作环境要求而无法单独进行屏蔽处理的一些舱外设备互联电缆，可进行舱体结构电磁隔离设计。通常可在舱板上适当位置安装一定宽度的金属挡板或具有一定硬度的金属网（如图6所示），利用金属阻碍物对电磁波的衍射效应，干扰电磁噪声信号的传播路径，起到衰减辐射的作用，从而降低耦合进入弱电磁信号设备接收天线的电磁噪声信号强度。需要注意的是：在使用金属挡板时，挡板的安装位置和尺寸不能影响器上天线的辐射方向图指标，须通过电磁仿真分析和实际测试进行验证调校。

图6 使用电磁隔离金属挡板防护弱电磁信号处理设备Fig. 6 Protection of equipment in processing weak electromagnetic signal by an isolation metal panel

4 防护措施应用效果评价

上述的航天器弱电磁信号处理设备综合防护措施近年来在多个卫星平台上进行了实际工程应用，其防护有效性得到成功检验。对重量从几十kg的皮纳卫星至数千kg的大型卫星，根据其实际情况，如研制进度、总装工艺、舱体布局、发射重量等限制条件，选择以上1种或多种防护措施后，都有效解决了多型航天器弱电磁信号处理设备的电磁噪声信号干扰问题。如，某型卫星工作频率为156～162 MHz的 AIS（船舶自动识别系统）设备受到平台设备在舱外的低频电缆噪声信号的辐射干扰，实测灵敏度为-100 dBm。根据其舱外布局实际情况采取单独防护措施，通过在AIS和低频电缆之间的舱板上加装长40 cm、宽20 cm的金属挡板，有效阻挡了噪声信号传播途径，灵敏度提高到-108 dBm，实现了AIS的正常工作。又，某型电磁环境较为复杂的卫星采取多种防护措施：通过对舱内低频电缆进行整束铜布包覆，接插件处进行360°搭接处理；低频电缆穿舱位置使用转接接插件；舱外天线、星敏感器、太阳敏感器的安装支架镂空位置和隔热衬垫位置均进行严密的屏蔽包覆处理，最终实现了工作频率为401～403 MHz的DCS（数据采集系统）、工作频率为1085～1095 MHz的ADS-B（广播式自动相关监视系统）和工作频率为156～162 MHz的AIS设备的正常运行，各设备的灵敏度分别由采取措施前的-120 dBm、-85 dBm 和-90 dBm 提高到-130 dBm、-95 dBm 和-105 dBm，成功保证了此类弱电磁信号处理设备的在轨正常工作。

5 结束语

航天器弱电磁信号处理设备受平台数据管理、姿态控制、供配电等电子设备的噪声干扰而无法正常工作的案例屡见不鲜。本文基于此类干扰的机理分析与干扰源识别定位，提出了舱内电缆屏蔽、穿舱电缆处理、舱外设备支架屏蔽处理和舱体结构电磁隔离处理等多种弱电磁信号处理设备的防护措施。经过工程实践证明，这些措施能够对来自航天器内、外部的电磁噪声信号进行明显抑制，可实现对弱电磁信号处理设备的有效防护，保证设备在轨正常工作。