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(lián)網(wǎng)

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(wù),它們之間一般沒有直接的電氣上的聯(lián)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(gè)頻段,大功率發(fā)射常與高靈敏度接收共存。

考慮到每付天線由于安裝平臺(tái)及其相鄰天線的加載效應(yīng),有可能使單元天線的方向圖出現(xiàn)畸變;如果天線集合中的發(fā)-發(fā)天線間耦合度大到一定程度,可能產(chǎn)生功率倒灌,其結(jié)果導(dǎo)致某些發(fā)射天線駐波惡化;當(dāng)天線集合中的收-發(fā)天線存在較大的耦合,則有可能引發(fā)接收天線的阻塞干擾;天線集合中的大功率發(fā)射天線位置不當(dāng),會(huì)使得射頻輻射場(chǎng)過強(qiáng),輕者使接收設(shè)備減敏,甚者會(huì)造成接收設(shè)備輸出電路受損,或偶然引起電爆裝置誤動(dòng)作;與接收天線或發(fā)射天線相連的收/發(fā)無線設(shè)備的非線性有可能產(chǎn)生有源互調(diào)和交調(diào)現(xiàn)象,經(jīng)天線作用會(huì)產(chǎn)生一些無意發(fā)射;當(dāng)多個(gè)發(fā)射機(jī)工作時(shí),有可能形成各種組合干擾。

為了提高天線集合中發(fā)-發(fā)隔離和收-發(fā)隔離,必須抑制單元天線在無意輻射區(qū)和無用區(qū)的輻射電平。天線單元設(shè)計(jì)應(yīng)力求低旁瓣,降低交叉極化電平。為了整個(gè)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(shè)計(jì)。對(duì)于大功率傳輸通道的發(fā)射天線饋源要防泄漏措施,加強(qiáng)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(tǒng)加濾波器,可抑制所需頻帶以外的多余發(fā)射或亂真響應(yīng)。天線接地要良好,以確保天線成為航天器等位體的一個(gè)組成部分,達(dá)到防雷電、防靜電的目的;與關(guān)鍵接收設(shè)備相連的接收天線要遠(yuǎn)離發(fā)射天線;天線集合的EMC設(shè)計(jì)關(guān)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(shè)計(jì)還有一個(gè)重要的問題是天線合理布局。目前一般是通過對(duì)天線電路部分電磁耦合研究和對(duì)空間波輻射干擾分析,利用數(shù)值分析和仿真技術(shù),建立相應(yīng)的數(shù)字模型,針對(duì)不同航天器、不同頻段采用不同計(jì)算方法。例如,低頻采用簡(jiǎn)單迭代法,原理直觀,收斂速度快;高頻采用幾何繞射理論,對(duì)航天器形狀作適當(dāng)處理,簡(jiǎn)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(fā)射可能導(dǎo)致微放電現(xiàn)象和無源互調(diào)現(xiàn)象發(fā)生。

無源互調(diào)現(xiàn)象是指由無源部件的固有非線性導(dǎo)致的互調(diào)產(chǎn)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(chǎn)生固有的非線性。引起無源部件非線性的微觀機(jī)理非常復(fù)雜,可能與材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式有關(guān),還可能與通道加載及系統(tǒng)裝配的工藝質(zhì)量相關(guān)。雖然它的頻譜可以計(jì)算,但隨系統(tǒng)出現(xiàn)的載波數(shù)目增加,無源互調(diào)離散譜急劇增加,當(dāng)載波數(shù)目較多時(shí),無源互調(diào)干擾與寬帶噪聲相似。

目前工程上可接受的是在設(shè)計(jì)中采取多種措施達(dá)到預(yù)防效果。為了預(yù)防無源互調(diào)的產(chǎn)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(dòng);重視天線、饋源的加工工藝質(zhì)量,避免微小裂縫、觸須或金屬結(jié)構(gòu)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(tǒng)盡量不用收發(fā)共用方案。

微放電效應(yīng)是發(fā)生在兩個(gè)金屬表面之間或單個(gè)介質(zhì)表面的一種諧振真空放電現(xiàn)象,是指在真空條件下,電子在強(qiáng)微波電場(chǎng)加速下,大功率微波無源部件一旦功率、頻率和內(nèi)部結(jié)構(gòu)縫隙尺寸滿足一定關(guān)系時(shí),就有可能產(chǎn)生一種射頻擊穿現(xiàn)象。微放電現(xiàn)象與工藝、表面處理、材料、污染等因素有關(guān)。微放電一旦產(chǎn)生輕者導(dǎo)致微波傳輸系統(tǒng)駐波比增大,造成部件性能下降和系統(tǒng)不能正常工作,重者導(dǎo)致部件最終損壞甚者毀壞整個(gè)系統(tǒng)。

為了抑制微放電現(xiàn)象的發(fā)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(zhì)、加入直流電或磁偏置、減少表面電動(dòng)勢(shì)等設(shè)計(jì)方法;工藝上嚴(yán)格把關(guān),避免加工毛刺、細(xì)絲,保持表面的連續(xù)和平滑;適當(dāng)采用表面處理工藝,以減小表面二次電子發(fā)射系數(shù);防止表面污染,保持較高的微放電功率閾值;設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮留有排氣孔,以便將殘存在部件內(nèi)部的廢氣排出;在條件允許情況下,盡可能填充介質(zhì)以提高其放電閾值。

盡管對(duì)天線集合的EMC預(yù)測(cè)分析有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展提供了有利條件,預(yù)測(cè)精度正在不斷提高,經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)也被越來越多工程所接受;但是為了確保成功,仍堅(jiān)持進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證包括輻射模型星測(cè)試和EMC測(cè)試。天線測(cè)試均應(yīng)在模擬殼體上進(jìn)行,有條件時(shí)模擬太陽(yáng)翼帆板也應(yīng)參加。

隨著人類航天活動(dòng)在人造地球衛(wèi)星、載人航天和深空探測(cè)三大領(lǐng)域的深入進(jìn)展,對(duì)航天器的技術(shù)性能、質(zhì)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(zhàn)。

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