如何解決航天器天線集合的EMC問題

2017-04-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

航天器通常需要幾付,十幾付,甚至幾十付天線一起工作。這些天線完成各自的任務,它們之間一般沒有直接的電氣上的聯系。人們常稱這些天線為“天線集合”。航天器天線集合多密集于狹窄空間,工作頻率可能覆蓋幾兆赫茲到幾十千兆赫茲多個頻段,大功率發射常與高靈敏度接收共存。

考慮到每付天線由于安裝平臺及其相鄰天線的加載效應,有可能使單元天線的方向圖出現畸變;如果天線集合中的發-發天線間耦合度大到一定程度,可能產生功率倒灌,其結果導致某些發射天線駐波惡化;當天線集合中的收-發天線存在較大的耦合,則有可能引發接收天線的阻塞干擾;天線集合中的大功率發射天線位置不當,會使得射頻輻射場過強,輕者使接收設備減敏,甚者會造成接收設備輸出電路受損,或偶然引起電爆裝置誤動作;與接收天線或發射天線相連的收/發無線設備的非線性有可能產生有源互調和交調現象,經天線作用會產生一些無意發射;當多個發射機工作時,有可能形成各種組合干擾。

為了提高天線集合中發-發隔離和收-發隔離,必須抑制單元天線在無意輻射區和無用區的輻射電平。天線單元設計應力求低旁瓣,降低交叉極化電平。為了整個航天器的防靜電要求,天線單元的選材,涂層等必須精心選擇設計。對于大功率傳輸通道的發射天線饋源要防泄漏措施,加強屏蔽,減小耦合;天線饋線盡量短,有利于減小泄漏或受擾可能;饋源系統加濾波器,可抑制所需頻帶以外的多余發射或亂真響應。天線接地要良好,以確保天線成為航天器等位體的一個組成部分,達到防雷電、防靜電的目的;與關鍵接收設備相連的接收天線要遠離發射天線;天線集合的EMC設計關鍵在于采取頻率隔離、極化隔離、空間隔離措施,提高天線集合的電磁兼容性能。

航天器天線集合EMC設計還有一個重要的問題是天線合理布局。目前一般是通過對天線電路部分電磁耦合研究和對空間波輻射干擾分析,利用數值分析和仿真技術,建立相應的數字模型,針對不同航天器、不同頻段采用不同計算方法。例如,低頻采用簡單迭代法,原理直觀,收斂速度快;高頻采用幾何繞射理論,對航天器形狀作適當處理,簡化射線尋跡過程,可以滿足工程需要。

值得提醒的是航天器天線多載波高功率發射可能導致微放電現象和無源互調現象發生。

無源互調現象是指由無源部件的固有非線性導致的互調產物。諸如濾波器、同軸線纜及連接器、金屬連接面、天線饋源及天線等無源部件由于多種原因可能產生固有的非線性。引起無源部件非線性的微觀機理非常復雜,可能與材料性質、結構形式有關,還可能與通道加載及系統裝配的工藝質量相關。雖然它的頻譜可以計算,但隨系統出現的載波數目增加,無源互調離散譜急劇增加,當載波數目較多時,無源互調干擾與寬帶噪聲相似。

目前工程上可接受的是在設計中采取多種措施達到預防效果。為了預防無源互調的產生高頻連接器和天線、饋源以及所有連接件,忌用磁鐵材料;高頻連接器和天線、饋源以及所有連接件,注意防銹;同軸連接器要擰緊,各種連接件要防松動;重視天線、饋源的加工工藝質量,避免微小裂縫、觸須或金屬結構中的砂眼;避免用編織物作同軸電纜的填充物;多載波通信系統盡量不用收發共用方案。

微放電效應是發生在兩個金屬表面之間或單個介質表面的一種諧振真空放電現象,是指在真空條件下,電子在強微波電場加速下,大功率微波無源部件一旦功率、頻率和內部結構縫隙尺寸滿足一定關系時,就有可能產生一種射頻擊穿現象。微放電現象與工藝、表面處理、材料、污染等因素有關。微放電一旦產生輕者導致微波傳輸系統駐波比增大,造成部件性能下降和系統不能正常工作,重者導致部件最終損壞甚者毀壞整個系統。

為了抑制微放電現象的發生,大功率饋源和天線單元要使用大間隙尺寸、填充泡沫塑料或固體介質、加入直流電或磁偏置、減少表面電動勢等設計方法;工藝上嚴格把關,避免加工毛刺、細絲,保持表面的連續和平滑;適當采用表面處理工藝,以減小表面二次電子發射系數;防止表面污染,保持較高的微放電功率閾值;設計時適當考慮留有排氣孔,以便將殘存在部件內部的廢氣排出;在條件允許情況下,盡可能填充介質以提高其放電閾值。

盡管對天線集合的EMC預測分析有堅實的理論基礎,計算機技術的迅猛發展提供了有利條件,預測精度正在不斷提高,經驗設計也被越來越多工程所接受;但是為了確保成功,仍堅持進行試驗驗證。試驗驗證包括輻射模型星測試和EMC測試。天線測試均應在模擬殼體上進行,有條件時模擬太陽翼帆板也應參加。

隨著人類航天活動在人造地球衛星、載人航天和深空探測三大領域的深入進展,對航天器的技術性能、質量、品種和研制周期提出了更高要求。航天器天線集合的EMC問題研究面臨著新的挑戰。

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