衛(wèi)星外部電磁環(huán)境效應(yīng)控制分析

衛(wèi)星在運(yùn)行過程中，不管是發(fā)射狀態(tài)，還是在軌運(yùn)行狀態(tài)，都會在其外部產(chǎn)生一個復(fù)雜的電磁環(huán)境，該電磁環(huán)境既包括由衛(wèi)星大功率發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的有意強(qiáng)電場分布，也包括其它設(shè)備工作時所產(chǎn)生的無意電場分布，頻譜分布通常從幾十KHz，一直到射頻設(shè)備的最高工作頻率，甚至是其諧波。該電磁環(huán)境的存在，可能會導(dǎo)致衛(wèi)星射頻接收機(jī)，如測控接收機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)，以及安裝于衛(wèi)星表面的設(shè)備，如紅外地球敏感器、太陽敏感器等，受到電磁干擾而無法正常工作，這樣的問題在以往的衛(wèi)星型號上也確實(shí)發(fā)生過。

衛(wèi)星外部的電磁環(huán)境看似復(fù)雜，但實(shí)際上是可預(yù)測分析的，也是可以通過相關(guān)的技術(shù)手段進(jìn)行控制的，尤其是在衛(wèi)星的方案設(shè)計階段，通過有效的分析和控制，能夠提前發(fā)現(xiàn)潛在的電磁干擾問題并對其進(jìn)行有效的控制，避免衛(wèi)星投產(chǎn)后才暴露出電磁干擾而導(dǎo)致研制成本的增加和計劃進(jìn)度的延誤。

1.衛(wèi)星外部電磁環(huán)境的構(gòu)成和效應(yīng)

衛(wèi)星外部電磁環(huán)境由多種因素構(gòu)成，既由來自衛(wèi)星自身的電磁發(fā)射，也有來自運(yùn)載火箭或其它同軌道臨近航天器的電磁發(fā)射，本文僅考慮衛(wèi)星自身工作時在其外部產(chǎn)生的電磁環(huán)境，該電磁環(huán)境的構(gòu)成及其產(chǎn)生的效應(yīng)如下。

1.1大功率射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的有意強(qiáng)電場分布

大多數(shù)衛(wèi)星都會使用大功率的射頻發(fā)射設(shè)備，如數(shù)傳、通信轉(zhuǎn)發(fā)器、遙感等設(shè)備，功率從幾十W到幾百W之間，這些射頻發(fā)射機(jī)工作時，發(fā)射天線所輻射的射頻能量，主要集中在工作要求的主瓣區(qū)域內(nèi)，其它能量則分布在天線與星體之間的天線旁瓣和后瓣區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的電場強(qiáng)度通常在幾十V/m至幾百V/m之間。

這種惡劣的電磁環(huán)境，對于安裝與星外的單機(jī)設(shè)備而言，尤其是地球紅外敏感器這種靈敏度較高的設(shè)備，是一種嚴(yán)重的威脅，同時也對這些設(shè)備的抗電磁干擾能力提出了更高的要求。

1.2普通單機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的無意弱電場分布

普通單機(jī)設(shè)備，如供配電、推進(jìn)、控制、結(jié)構(gòu)、熱控等分系統(tǒng)所使用的設(shè)備，在正常工作時，會通過設(shè)備機(jī)殼的縫隙、互聯(lián)電纜等將設(shè)備內(nèi)部的電磁信號輻射到設(shè)備周圍，這些電磁信號的能量很低，幅度通常在幾mV/m到幾十mV/m，但其頻譜覆蓋范圍很寬，可以從幾十kHz一直到幾GHz。

這種弱電場分布看似能量很低，但考慮到衛(wèi)星射頻接收機(jī)高靈敏度，有些接收機(jī)靈敏度高達(dá)-135dBm，仍然可能會發(fā)生弱電場環(huán)境被接收天線耦合到接收機(jī)內(nèi)，導(dǎo)致接收機(jī)受干擾的問題。圖1給出了衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)備無意電磁輻射發(fā)射導(dǎo)致衛(wèi)星射頻接收機(jī)受擾的示例。

圖1 單機(jī)設(shè)備無意電磁發(fā)射對射頻接收設(shè)備的干擾示例

2. 衛(wèi)星外部電磁環(huán)境的分析

我們可以使用多種方法對衛(wèi)星外部的電磁環(huán)境進(jìn)行分析，包括對工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納、理論預(yù)估和電磁場仿真軟件的精確分析等。

對于大功率射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的有意強(qiáng)電場分布，我們可以使用一個公式對其進(jìn)行粗略預(yù)估，即根據(jù)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、發(fā)射天線在某方向上的增益估算衛(wèi)星外部特定區(qū)域的電場強(qiáng)度，計算公式[2]為：

其中Pin為射頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，r為關(guān)注區(qū)域距離發(fā)射天線的距離，G為發(fā)射天線在關(guān)注區(qū)域方向上的絕對增益。

需要注意的是，該計算公式僅適用于天線的遠(yuǎn)場區(qū)，且在天線與關(guān)注區(qū)域之間沒有明顯的金屬結(jié)構(gòu)遮擋，對于天線的近場輻射區(qū)域，或者飛行結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，該公式預(yù)估的結(jié)果會有較大的誤差，此時可使用電磁場仿真分析軟件(如Ansoft HFSS， CST， FEKO等)進(jìn)行更為精確的分析。

使用電磁場數(shù)值仿真分析軟件對星外的有意強(qiáng)電場分布進(jìn)行計算時，所使用的模型必須包括完整的衛(wèi)星星體模型，以及其它星外天線和大尺寸結(jié)構(gòu)部件，而模型中微小的細(xì)節(jié)則可以簡化或忽略。

圖2給出了使用FEKO軟件對發(fā)射天線在星外某區(qū)域產(chǎn)生的電場環(huán)境分布的分析結(jié)果?？梢钥吹綀A形反射面天線在其后部區(qū)域產(chǎn)生的電場分布情況，該區(qū)域的場強(qiáng)最高值為25V/m。