如何解决航天器天线集合的EMC问题

射频百花潭2021-11-23 11:37:51

航天器通常需要几付,十几付,甚至几十付天线一起工作。这些天线完成各自的任务,它们之间一般没有直接的电气上的联系。人们常称这些天线为“天线集合”。 航天器天线集合多密集于狭窄空间,工作频率可能覆盖几兆赫兹到几十千兆赫兹多个频段,大功率发射常与高灵敏度接收共存。



考虑到每付天线由于安装平台及其相邻天线的加载效应,有可能使单元天线的方向图出现畸变;如果天线集合中的发-发天线间耦合度大到一定程度,可能产生功率倒灌,其结果导致某些发射天线驻波恶化;当天线集合中的收-发天线存在较大的耦合,则有可能引发接收天线的阻塞干扰;天线集合中的大功率发射天线位置不当,会使得射频辐射场过强,轻者使接收设备减敏,甚者会造成接收设备输出电路受损,或偶然引起电爆装置误动作;与接收天线或发射天线相连的收/发无线设备的非线性有可能产生有源互调和交调现象,经天线作用会产生一些无意发射;当多个发射机工作时,有可能形成各种组合干扰。


为了提高天线集合中发-发隔离和收-发隔离,必须抑制单元天线在无意辐射区和无用区的辐射电平。天线单元设计应力求低旁瓣,降低交叉极化电平。为了整个航天器的防静电要求,天线单元的选材,涂层等必须精心选择设计。对于大功率传输通道的发射天线馈源要防泄漏措施,加强屏蔽,减小耦合;天线馈线尽量短,有利于减小泄漏或受扰可能;馈源系统加滤波器,可抑制所需频带以外的多余发射或乱真响应。天线接地要良好,以确保天线成为航天器等位体的一个组成部分,达到防雷电、防静电的目的;与关键接收设备相连的接收天线要远离发射天线;天线集合的EMC设计关键在于采取频率隔离、极化隔离、空间隔离措施,提高天线集合的电磁兼容性能。



航天器天线集合EMC设计还有一个重要的问题是天线合理布局。目前一般是通过对天线电路部分电磁耦合研究和对空间波辐射干扰分析,利用数值分析和仿真技术,建立相应的数字模型,针对不同航天器、不同频段采用不同计算方法。例如,低频采用简单迭代法,原理直观,收敛速度快;高频采用几何绕射理论,对航天器形状作适当处理,简化射线寻迹过程,可以满足工程需要。


值得提醒的是航天器天线多载波高功率发射可能导致微放电现象和无源互调现象发生。


无源互调现象是指由无源部件的固有非线性导致的互调产物。诸如滤波器、同轴线缆及连接器、金属连接面、天线馈源及天线等无源部件由于多种原因可能产生固有的非线性。引起无源部件非线性的微观机理非常复杂,可能与材料性质、结构形式有关,还可能与通道加载及系统装配的工艺质量相关。虽然它的频谱可以计算,但随系统出现的载波数目增加,无源互调离散谱急剧增加,当载波数目较多时,无源互调干扰与宽带噪声相似。


目前工程上可接受的是在设计中采取多种措施达到预防效果。为了预防无源互调的产生高频连接器和天线、馈源以及所有连接件,忌用磁铁材料;高频连接器和天线、馈源以及所有连接件,注意防锈;同轴连接器要拧紧,各种连接件要防松动;重视天线、馈源的加工工艺质量,避免微小裂缝、触须或金属结构中的砂眼;避免用编织物作同轴电缆的填充物;多载波通信系统尽量不用收发共用方案。


微放电效应是发生在两个金属表面之间或单个介质表面的一种谐振真空放电现象,是指在真空条件下,电子在强微波电场加速下,大功率微波无源部件一旦功率、频率和内部结构缝隙尺寸满足一定关系时,就有可能产生一种射频击穿现象。微放电现象与工艺、表面处理、材料、污染等因素有关。微放电一旦产生轻者导致微波传输系统驻波比增大,造成部件性能下降和系统不能正常工作,重者导致部件最终损坏甚者毁坏整个系统。


为了抑制微放电现象的发生,大功率馈源和天线单元要使用大间隙尺寸、填充泡沫塑料或固体介质、加入直流电或磁偏置、减少表面电动势等设计方法;工艺上严格把关,避免加工毛刺、细丝,保持表面的连续和平滑;适当采用表面处理工艺,以减小表面二次电子发射系数;防止表面污染,保持较高的微放电功率阈值;设计时适当考虑留有排气孔,以便将残存在部件内部的废气排出;在条件允许情况下,尽可能填充介质以提高其放电阈值。


尽管对天线集合的EMC预测分析有坚实的理论基础,计算机技术的迅猛发展提供了有利条件,预测精度正在不断提高,经验设计也被越来越多工程所接受;但是为了确保成功,仍坚持进行试验验证。试验验证包括辐射模型星测试和EMC测试。天线测试均应在模拟壳体上进行,有条件时模拟太阳翼帆板也应参加。


随着人类航天活动在人造地球卫星、载人航天和深空探测三大领域的深入进展,对航天器的技术性能、质量、品种和研制周期提出了更高要求。航天器天线集合的EMC问题研究面临着新的挑战。





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专注于射频微波/高频技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立。该号已经50000人关注,10000+人加群(博士2000+),包括很多公司总经理、总工、主任、技术总监、教授、千人计划、长江学者,首席科学家,IEEE Fellow等。


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