衛星外部電磁環境效應控制分析

衛星在運行過程中，不管是發射狀態，還是在軌運行狀態，都會在其外部產生一個復雜的電磁環境，該電磁環境既包括由衛星大功率發射機產生的有意強電場分布，也包括其它設備工作時所產生的無意電場分布，頻譜分布通常從幾十KHz，一直到射頻設備的最高工作頻率，甚至是其諧波。該電磁環境的存在，可能會導致衛星射頻接收機，如測控接收機、轉發器接收機，以及安裝于衛星表面的設備，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星型號上也確實發生過。

衛星外部的電磁環境看似復雜，但實際上是可預測分析的，也是可以通過相關的技術手段進行控制的，尤其是在衛星的方案設計階段，通過有效的分析和控制，能夠提前發現潛在的電磁干擾問題并對其進行有效的控制，避免衛星投產后才暴露出電磁干擾而導致研制成本的增加和計劃進度的延誤。

1.衛星外部電磁環境的構成和效應

衛星外部電磁環境由多種因素構成，既由來自衛星自身的電磁發射，也有來自運載火箭或其它同軌道臨近航天器的電磁發射，本文僅考慮衛星自身工作時在其外部產生的電磁環境，該電磁環境的構成及其產生的效應如下。

1.1大功率射頻發射機產生的有意強電場分布

大多數衛星都會使用大功率的射頻發射設備，如數傳、通信轉發器、遙感等設備，功率從幾十W到幾百W之間，這些射頻發射機工作時，發射天線所輻射的射頻能量，主要集中在工作要求的主瓣區域內，其它能量則分布在天線與星體之間的天線旁瓣和后瓣區域，該區域內的電場強度通常在幾十V/m至幾百V/m之間。

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

1.2普通單機設備產生的無意弱電場分布

普通單機設備，如供配電、推進、控制、結構、熱控等分系統所使用的設備，在正常工作時，會通過設備機殼的縫隙、互聯電纜等將設備內部的電磁信號輻射到設備周圍，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，但考慮到衛星射頻接收機高靈敏度，有些接收機靈敏度高達-135dBm，仍然可能會發生弱電場環境被接收天線耦合到接收機內，導致接收機受干擾的問題。圖1給出了衛星內部設備無意電磁輻射發射導致衛星射頻接收機受擾的示例。

圖1 單機設備無意電磁發射對射頻接收設備的干擾示例

2. 衛星外部電磁環境的分析

我們可以使用多種方法對衛星外部的電磁環境進行分析，包括對工程經驗數據的總結歸納、理論預估和電磁場仿真軟件的精確分析等。

對于大功率射頻發射機產生的有意強電場分布，我們可以使用一個公式對其進行粗略預估，即根據發射機的發射功率、發射天線在某方向上的增益估算衛星外部特定區域的電場強度，計算公式[2]為：

其中Pin為射頻發射機的發射功率，r為關注區域距離發射天線的距離，G為發射天線在關注區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場區，且在天線與關注區域之間沒有明顯的金屬結構遮擋，對于天線的近場輻射區域，或者飛行結構較為復雜時，該公式預估的結果會有較大的誤差，此時可使用電磁場仿真分析軟件(如Ansoft HFSS， CST， FEKO等)進行更為精確的分析。

使用電磁場數值仿真分析軟件對星外的有意強電場分布進行計算時，所使用的模型必須包括完整的衛星星體模型，以及其它星外天線和大尺寸結構部件，而模型中微小的細節則可以簡化或忽略。

圖2給出了使用FEKO軟件對發射天線在星外某區域產生的電場環境分布的分析結果。可以看到圓形反射面天線在其后部區域產生的電場分布情況，該區域的場強最高值為25V/m。