卫星星敏感器结构强电磁耦合效应仿真及实验研究

陈 卓，杨晓宁，杨 勇

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 可靠性与环境工程技术国家级重点实验室；3. 航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室：北京 100094）

0 引言

星敏感器作为一类高灵敏度光电集成部件，易受空间辐射的影响造成性能退化和工作异常[1]。同时，空间强电磁环境耦合导致的异常也应引起重视。GEO 卫星在轨运行期间，会遭遇严酷的表面带电和内带电环境，当带电达到一定程度之后将发生静电放电（ESD），进而产生电磁脉冲（EMP）信号；这些信号耦合进入在轨卫星的电子产品后，可能使通信设备中金属氧化物半导体（MOS）电路的栅氧化层或金属化线间造成介质击穿致使电路失效，对系统自检仪器和敏感器件的工作可靠性造成影响[2]。静电放电脉冲对单片机外部RAM 的辐照效应实验表明，在ESD/EMP 的作用下，RAM 存储的数据非常容易被改写[3]。以多颗GEO 卫星在轨发生的异常统计结果为例，约70%的异常与空间强电磁干扰有关，主要表现为星上电子类设备由于强电磁干扰而出现异常，其中一类典型的异常模式就是星敏感器工作模式跳变。因此，有必要针对星敏感器，开展在空间强电磁环境下的耦合效应研究。

电磁干扰三要素包括干扰源、耦合通道和敏感设备[4]。由于空间带电环境和卫星本身技术状态的复杂性，尚无法完全做到抑制在轨充放电效应导致的电磁干扰脉冲信号发生；通过改进设计或者使用高等级器件增强敏感设备的抗扰能力将涉及大量电磁敏感设备的技术状态更改，牵涉面甚广且代价高昂。相比较而言，通过采取电磁屏蔽的防护手段构建完整的“法拉第笼”结构，以阻挡电磁干扰耦合通道，是空间强电磁环境防护的高效途径之一。而星敏感器光学窗口的存在破坏了结构“法拉第笼”的完整性，对于一些特定的辐射频率，由于金属腔体的谐振，可能使腔体内某些区域的电场强度比外部的电场强度还要大，产生局部电场增强效应，进一步增大破坏性。

本文利用CST（computer simulation technology）软件，从时域和频域两方面对强电磁场下星敏感器结构的内部场强分布和屏蔽效能进行仿真分析，并对实物模型进行屏蔽效能测试的扫频实验，以验证强电磁场对星敏感器结构的耦合效应。

1 星敏感器结构的物理模型及简化建模

星敏感器是航天器中广泛采用的一种高精度、高可靠性的姿态测量器件，通过探测天球上不同位置的恒星来确定航天器相对于惯性坐标系的三轴姿态。其基本工作原理为：由图像传感器拍摄恒星图像；由数据处理电路对所拍摄的图像进行处理，提取出所需的星点位置和亮度信息；进行星图匹配，计算出星敏感器的三轴姿态。

星敏感器总体上由光学镜头组件和电子学组件2 大部分组成[5]，如图1 所示。

图1 星敏感器组成Fig.1 The star tracker

光学镜头组件包括光学镜头和遮光罩2 部分，遮光罩位于光学系统前部，用来抑制地球、太阳和月球等的杂散光[6]。目前对于星敏感器所受的杂散辐射抑制，往往采用在遮光罩内壁放置一定梯度、间距的挡光环的方案设计。为尽可能地保留结构所需的基本特征参数，同时简化结构的非必要特征，本文采用遮光罩的正样产品和加工的线路盒模拟件组成星敏感器的结构模型，并按其进行1∶1 仿真建模，如图2 和图3 所示。其中，遮光罩长167 mm，上、下开口直径分别为110 mm 和43 mm，挡光环和遮光罩内壁涂敷黑色的吸光材料，底部线路盒模拟件为166 mm×166 mm×100 mm 的开孔矩形腔体（底盖可拆卸），组合后盒体密封完整，模型材料均为铝（相对介电常数 ε=1、电导率σ =3.56×107S/m）。

图2 星敏感器结构实物模型Fig.2 Physical model of star tracker structure

图3 星敏感器仿真模型Fig.3 Simulation model of star tracker

2 强电磁耦合效应的数值模拟仿真

2.1 星敏感器模型内部电耦合场场强分析

根据IEC61000-2-13[7]的定义，电磁场的峰值电场强度超过100 V/m 即为强电磁环境。为模拟静电放电电磁脉冲形成的强电磁场，利用峰值场强为100 V/m 的高斯脉冲形成的平面电磁波对模型进行辐照，激励信号频率范围为10 kHz～5 GHz，考虑最为严苛的情况，沿-z 方向垂直入射，电场方向沿x 方向，如图4 所示。

图4 平面波入射方向Fig.4 Incident direction of the plane wave

通过仿真得到模型内部电场场强分布及变化，耦合过程的几个典型状态如图5 所示。其中：图5(a)表示脉冲初次通过遮光罩开口的电场场强分布，第一圈挡光环及倾斜的遮光罩内壁对入射波进行了反射，在中心聚集后继续向内辐射能量；图5(b)表示脉冲经过几次反射—聚集—传播后形成的电场场强分布，此时腔体内的能量部分反射出结构，电场幅值逐渐衰减，其余能量多次振荡并逐渐向内传递；图5(c)表示经过多次振荡和反射后，电磁能量散布于腔体，幅值有较大的衰减。最终形成的各截面峰值电场场强分布如图6 所示。

图5 不同时间步长下x=0 截面场强分布图Fig.5 Distribution of electric field intensity on x=0 plane in different time steps

图6 各截面峰值场强分布图Fig.6 Distribution of peak electric field intensity on each plane

电磁波在多次反射—聚集—传播后耦合到矩形腔体内部，再经过多次振荡和小孔泄漏后形成谐振，腔体内中心轴线上不同位置的电场如图7 所示。从场强分布及各监测点的电场波形可以看出，遮光罩的挡光环形成的开孔逐渐缩小，使得向内传播的能量逐渐降低，其功能类似于截止频率逐渐增加的级联的开孔圆柱谐振腔，故可起到高通滤波的作用。但由于入射信号的频谱很宽，依然有大部分能量耦合进入了矩形腔体内部，在最小开孔处的峰值场强仍可达到35 V/m。最终在矩形腔体中心处的峰值场强可达16 V/m，高于大部分敏感电子器件的电场辐射敏感度要求，将对腔体内部的电子电路和敏感设备构成威胁。

图7 矩形腔体内中心轴线上不同点处的电场Fig.7 Electric field at different points on the central axis of the rectangular cavity

2.2 星敏感器结构电磁屏蔽效能仿真分析

根据屏蔽效能的计算公式[8]，电场屏蔽效能指无屏蔽体时某处电场强度E0与增加屏蔽体后同处的电场强度Es的比值，取分贝表示为SE=-20lg(Es/E0)。

为确定腔体内是否会在特定频率下产生负的屏蔽效能，即产生电场增强效应，分别采用垂直入射、30°入射、45°入射的平面波对模型进行扫频。为便于与后续实验结果对照，扫频范围为10 kHz～3 GHz。得到腔体中心点的场强如图8 所示。后处理得到模型的屏蔽效能如图9 所示。

扫频结果表明：

1）腔体的电磁屏蔽效能随着入射信号频率的增加逐渐降低，在频率为1.91 GHz 时腔体内出现了首次谐振，在谐振点腔体内电场场强远高于外部电场场强，即产生了显著的场强增强效应。

2）随着入射信号频率的上升，腔体内的谐振点逐渐增多，且在大部分的高频频段内屏蔽效能低于卫星电磁兼容标准中20 dB 的要求。

3）场强增强效应不会受入射角度改变的影响，各个入射角度下屏蔽效能下降的趋势基本一致。在1.91 GHz、2.69 GHz 等频点，各个入射角度都出现了显著的场强增强效应，且随着入射角度的偏移，还会出现一些新的谐振点。

图8 不同入射角度下腔体中心点的场强Fig.8 Field intensity at the center point of cavity at different incident angles

图9 不同入射角度下腔体中心点的屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness at the center point of cavity at different incident angles

3 星敏感器结构强电磁耦合实验研究

3.1 电磁屏蔽效能测试的实验系统及方法

为验证仿真结果的正确性，利用遮光罩的正样产品和加工的线路盒模拟件组成星敏感器结构模型，对仿真结果进行实验验证。采用SMB100A 型信号发生器、功率放大器（NTWPA-000001013500E、0081020001000E、1025200、2560200）、接收机和电场测试系统组成实验系统，在微波暗室中进行屏蔽效能测试的扫频实验，实验配置如图10 所示。其中，用于测量场强的小探头采用光纤传输信号，通过光电转换设备后进入接收机，对腔体内部电磁场的干扰可以忽略，不会影响对屏蔽效能的研究。

实验时，先将1 个监测探头固定在屏蔽盒体内并合上后盖将盒体密封，如图11 所示，然后在距离盒体30 cm 且与监测探头等高的位置放置1 个对照探头；发射天线置于2 个探头前面垂直入射，电场水平极化；天线设置好后调整信号发生器，使对照探头的监测场强达到100 V/m，记录此时监测探头测到的场强，如图12 所示。按照这种方法依次更换各个频段内所用的天线完成10 kHz～3 GHz 频段内的场强测试。为避免探头放置位置对测试结果造成干扰，分别选择腔体中心和屏蔽盒体的前角点（角点1）和后角点（角点2）为实验点，完成一组测试后，拆开屏蔽盒体后盖调整探头位置，依次完成各位置的场强测试。

图10 屏蔽效能实验配置示意Fig.10 Configuration of experimental system for shielding effectiveness

图11 线路盒内探头固定方式Fig.11 Probe fixation in circuit box

图12 天线及实验设备布置方式Fig.12 Arrangement of antenna and experimental equipment

3.2 屏蔽效能测试的扫频实验结果分析

按照屏蔽效能的计算公式整理测试数据，计算得星敏感器结构腔体的屏蔽效能如图13 所示。

需要说明的是，实验中监测场强所用的探头的量程在500 V/m 以下，超量程后测得的数值将失准，超过800 V/m 后探头将被烧毁，为保证实验数据的有效性，这里只给出2.5 GHz 以下的数据；而1 GHz 以下，监测点的场强在2 V/m 左右波动，测量精度不高且不在谐振范围内，因此重点关注的频率范围为1～2.5 GHz。各测试位置屏蔽效能的仿真与实验结果对比如图14 所示。

图13 各测试位置的屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness for each test position

图14 各测试位置屏蔽效能的仿真与实验结果Fig.14 Simulation and experimental results of shielding effectiveness at each test location

从图14 可以看出，尽管实验中主谐振频率有所偏移，但仿真和实验结果的整体趋势大致相同，即随着入射信号频率的增加，腔体的整体屏蔽效能均显著下降，在第一个谐振点处产生了显著的场强增强效应，且大部分频段内腔体的电场屏蔽效能均低于20 dB。这说明，当入射电磁脉冲信号的高频部分通过星敏感器的光学窗口耦合进入星敏感器内部后，将在星敏感器电子学组件部分形成高强度的电磁场，在谐振频点，腔体内形成的电场场强还将远高于入射场的场强；这些能量一旦耦合进入高灵敏度的电子学组件，将对星敏感器的正常工作造成干扰。因此有必要对星敏感器进行电磁加固。而星敏感器防护设计的难点在于必须兼顾电磁屏蔽效能和可见光波段的透光率，需要采用新技术和新方法实现星敏感器窗口的有效防护[9]。比如在星敏感器的遮光罩和腔体内部涂敷吸波材料[10]，或是在光学镜头上加装兼具高透光率和一定导电性能的薄膜，如ITO 膜或D/M/D 结构多层导电薄膜。

4 结论及展望

本文通过时域和频域的数值模拟仿真以及相应的屏蔽效能测试实验，证明了在强电磁脉冲源形成的强场下星敏感器内部形成了较强的耦合场，星敏感器线路盒内部的电子电路存在较大的受扰风险。综合比较仿真和实验结果，得到以下结论：

1）星敏感器的遮光罩不能对强电磁脉冲进行有效的抑制，只能起到高通滤波的作用，高频的电磁能量会通过星敏感器的光学窗口耦合进入星敏感器电子组件部分的腔体内部。

2）特定谐振点的电磁脉冲耦合进入腔体后将产生显著的场强增强效应，使得腔体内部的场强远高于外部的场强。高强度的电场一旦通过辐射耦合到线路盒内敏感的电子电路，将影响星敏感器的正常运行。

基于以上结论，需要采取相应的电磁加固手段以提高星敏感器结构的屏蔽效能。下一步作者将开展对星敏感器的电磁防护方法及其有效性验证的研究工作。