星載某設(shè)備高阻接地設(shè)計對整星電磁兼容性的影響

程麗麗，陽 彪

（北京空間飛行器總體設(shè)計部 北京市電磁兼容與天線測試工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

0 引言

接地是決定衛(wèi)星平臺系統(tǒng)電磁兼容（EMC）性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。良好的接地可以抑制電磁噪聲，提高系統(tǒng)抗擾度；而不良的接地可能導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，降低屏蔽層的屏蔽效能，產(chǎn)生靜電積累等不良效應(yīng)[1]。為了降低機殼短路風(fēng)險，星載某設(shè)備的接地方式由機殼直接接地改為高阻接地，并需對設(shè)計變更對整星電磁兼容性能的影響進(jìn)行仿真分析與試驗驗證。

本文首先對所采用的高阻接地設(shè)計方法進(jìn)行介紹和理論分析；然后利用電磁仿真軟件CST 根據(jù)實際物理模型進(jìn)行建模仿真，分析不同接地方式對整星屏蔽效能和傳導(dǎo)特性的影響；最后在故障模 擬衛(wèi)星平臺上對采用直接接地與高阻接地對整星EMC 特性的影響進(jìn)行比較驗證試驗。

1 某設(shè)備高阻接地設(shè)計及其對EMC 影響 分析

1.1 高阻接地設(shè)計

某設(shè)備內(nèi)部電源正母線對機殼的安全距離較小，存在對機殼短路的隱患。如果設(shè)備機殼直接接地，則有可能在整星地上引入電源正電位，因此必須在設(shè)備的機殼與整星結(jié)構(gòu)地之間插入一個合適的阻抗進(jìn)行隔離，并建立電荷泄放通路，以防止設(shè)備外殼靜電積累。此即高阻接地電路[2]。

高阻接地中的阻抗必須足夠大，以避免故障引起的短路；同時也要足夠小，以便能夠提供一個穩(wěn)定的參考電位。例如，對于28 V 的電源系統(tǒng)，2 kΩ的阻抗可以將整星地電流限制在mA 級（28 V/ 2 kΩ=14 mA，最高功率損耗為0.39 W）。這可以讓設(shè)備機殼與整星地的電位非常接近，同時又可避免上述電源正線對機殼短路之類的故障。但采取高阻接地的方式，有可能在電源總線上產(chǎn)生較大的共模噪聲。為了濾除共模噪聲，需要在阻抗兩端并聯(lián)電容，具體的高阻接地電路形式見圖1。

圖1 電阻并聯(lián)+電容串聯(lián)的高阻接地設(shè)計Fig.1 Leak circuit of parallel resistance and serial capacitance

1.2 高阻接地設(shè)計對EMC 影響分析

某設(shè)備嵌入安裝在艙板中，設(shè)備機箱可作為整星艙體的一部分保證整星艙體的屏蔽效能。如果此設(shè)備機箱采用高阻接地設(shè)計，將使整星艙板不連續(xù)，在正常工作模式下也可能影響整星艙體的屏蔽效能，對應(yīng)的仿真分析見2.1 節(jié)。在故障模式下，母線正端與設(shè)備的機殼短路，母線中的干擾信號通過高阻接地電路進(jìn)入整星地回路，可能會對整星傳導(dǎo)特性造成影響，對應(yīng)的仿真分析見2.2 節(jié)。此外，設(shè)備機箱上會有靜電積累，采用高阻接地設(shè)計可能會影響設(shè)備機箱上累積靜電電荷的泄放[3]。

2 仿真分析

2.1 高阻接地設(shè)計對整星艙體屏蔽效能影響

流經(jīng)某設(shè)備的電源線與信號線以10～12 V 的直流線或低頻線為主，且在此設(shè)備處無接地。利用電磁仿真軟件CST[4]，并根據(jù)設(shè)備的實際物理模型進(jìn)行建模仿真分析。

將設(shè)備機殼簡化成一個金屬筒，其外表面與星體結(jié)構(gòu)地的最短垂直距離為5 cm。設(shè)備機殼內(nèi)布設(shè)20 根非屏蔽信號線，信號線呈自由捆扎狀態(tài)（仿真模型見圖2），且自成回路不接地。假設(shè)線上傳輸信號幅度為0.1 V，頻率為10 MHz（電源線上的干擾多為低頻干擾），設(shè)備直接接地和采用高阻接地的等效電路分別見圖3(a)和圖3(b)?？赏ㄟ^對整星艙體外電場觀測點處（設(shè)備機殼外表面正上方210 mm）的電場強度變化仿真[5]（如圖4所示）來比較設(shè)備機箱直接接地與采用高阻接地對整星艙體屏蔽性能的影響情況。

圖2 設(shè)備內(nèi)信號線的仿真模型Fig.2 Simulation model of signal wires inside the device

圖3 設(shè)備機箱不同接地方式等效電路Fig.3 The equivalent circuit for different shieldings of the device box

圖4 空間電場的仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results of spatial electric field for different shieldings

從仿真結(jié)果可以看出，由于線纜傳輸?shù)男盘枏姸燃邦l率很低，在機殼表面感應(yīng)的電流十分微弱，所以由感應(yīng)電流引起的電場輻射非常微弱，外部電場強度的變化幾乎可以忽略。因此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計后對整星艙體的屏蔽效能影響不明顯。

2.2 高阻接地設(shè)計在故障模式下對整星傳導(dǎo)特性 影響

某設(shè)備的控制線纜中包含25 根屏蔽信號線（仿真模型見圖5），其中8 根信號線屏蔽層的一端通過高阻接地，另外17 根信號線的屏蔽層在此設(shè)備驅(qū)動線路盒端直接接地。故障情況下，8 根通過高阻接地的信號線屏蔽層上可能帶電42 V，并攜帶低頻的電源紋波。在這8 根信號線的屏蔽層上模擬故障模式，注入激勵信號（42 V 直流電壓源，同時疊加幅度400 mV、頻率10 Hz 的正弦信號模擬 電源紋波），等效電路如圖6所示。

圖5 故障模式下某設(shè)備采用高阻接地設(shè)計對傳導(dǎo)信號 的影響仿真模型Fig.5 Simulation model of conduction signal for float-grounding device in failure mode

圖6 故障模式下某設(shè)備采用高阻接地設(shè)計對傳導(dǎo)信號的影響等效電路Fig.6 Equivalent circuit of conduction signal for float-grounding device in failure mode

仿真后得到故障模式下8 根信號線芯線上感應(yīng)到的干擾電壓及電流[6]（見圖7）。

圖7 芯線上感應(yīng)到的干擾電壓和電流Fig.7 Interference voltage and current coupled in the eight data wires

從圖中可見，干擾電壓不大于25 μV，說明此 設(shè)備采用高阻接地設(shè)計不會對整星傳導(dǎo)特性造成明顯影響。

3 比較驗證試驗

與某設(shè)備有聯(lián)系的只有供配電分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)，因此在只包含這2 個分系統(tǒng)的衛(wèi)星故障模擬仿真平臺上進(jìn)行整星EMC 試驗，此平臺機械結(jié)構(gòu)同實際整星。

為了驗證此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計以后對整星電磁兼容性的影響，以仿真分析的結(jié)果為依據(jù)，有針對性地設(shè)計了驗證項目（見表1）[7]。

在衛(wèi)星故障模擬平臺上進(jìn)行了表1所列的試驗項目[10]，試驗限值參考型號技術(shù)規(guī)范實施。在ESD 試驗中，設(shè)備正常工作狀態(tài)和故障模式下采用直接接地和高阻接地，供配電和控制分系統(tǒng)均未出 現(xiàn)受擾現(xiàn)象。RS103、CS114 試驗中供配電分系統(tǒng)出現(xiàn)了受擾現(xiàn)象，控制分系統(tǒng)未出現(xiàn)受擾現(xiàn)象；在RS103、CS114、CS115、CS116 試驗中供配電和控制分系統(tǒng)都出現(xiàn)了受擾現(xiàn)象，但是采用直接接地和高阻接地這2 種狀態(tài)下受擾現(xiàn)象基本相當(dāng)。以上整星EMC 試驗驗證了仿真結(jié)果的正確性，并且可以看出某設(shè)備采用高阻接地設(shè)計不會對整星電磁兼容特性造成明顯影響。

4 結(jié)束語

某設(shè)備的高阻接地設(shè)計首次在衛(wèi)星平臺上采用。通過對此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計后對整星屏蔽效能及傳導(dǎo)特性影響的仿真分析，以及在衛(wèi)星故障模擬平臺上實施的試驗驗證，充分證明此設(shè)備采用高阻接地設(shè)計對整星EMC 沒有明顯影響，對后續(xù)型號類似設(shè)備采用高阻接地設(shè)計具有借鑒意義。

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