天启星座通信载荷emc分析模型及emc特性改进方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种天启星座通信载荷EMC(Electromagnetic Compatibility，简称EMC)分析模型及EMC特性改进方法。
背景技术
卫星物联网的通信频率主要工作在VHF频段(30MHz～300MHz，波长1m～10m)和UHF频段(300MHz～3GHz，波长1m～0.1m)，但是上下行频段受到的干扰很多，主要表现为噪底抬高和大功率突发干扰。
天启卫星作为物联网卫星，同样具有发射功率低，接收信号信噪比低，通信链路电平余量少等特点。近年来，随着军事用频装备和民用无线电设备与系统的快速增多，太空在轨卫星的电磁环境呈现日益复杂化的态势，电磁自扰、互扰等不兼容问题逐渐增多，对天启卫星及其载荷提出了更高的电磁兼容要求。
另一方面，随着现代科技的快速发展，大规模集成电路的涌现，采用的电气和电子设备的数量不断增多，电子设备也越来越趋于集成化、微型化、网络化。快速发展也带来了很多负面影响，电磁干扰就是问题之一。大量的电子设备在相同的电磁环境下工作，频带越来越宽，功率越来越大，灵敏度也不断提高，联接设备的电缆网络也越来越复杂，因此电磁兼容问题越发严重。电磁兼容学科的范围非常广泛，卫星物联网领域在电磁兼容研究方面还只是处于起步阶段。
电磁兼容(Electromagnetic Compatibility)，简称EMC，是研究在相同的电磁环境情况下，电子设备共同工作而不发生性能影响的科学。另外一种定义是“设备和系统在其电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。该定义包含两个方面的意思，首先，该设备应能在一定的电磁环境下正常工作，即该设备应具备一定的电磁抗扰度(EMS)；其次，该设备自身产生的电磁骚扰不能对其他电子产品产生过大的影响，即电磁骚扰(EMI)。要提高电子设备电磁兼容性不仅需要提高设备的电磁兼容抗扰度，还要降低电子设备的电磁骚扰度。
电磁兼容已经成为现代电子技术中十分重要的一门学科，而且接下来电磁兼容还会更加迅速地发展。有些国家还建立了专门针对军用和民用品电磁兼容检验管理的机构，电磁兼容标准也已经成为发达国家限制进口产品的一道坚固的技术壁垒。
此外，实践也证明，如果在产品设计开发和生产阶段就解决电磁兼容问题，从电路的设计到元器件的选择，都将电磁干扰的可能考虑进去，从系统内部来提高整体的抗扰能力，将大大降低产品设计定型甚至批量生产后的改进成本。因此，不断提高天启星座DCS(Data Collection System，数据收集系统)载荷的电磁兼容性已经成为刻不容缓的任务。天启卫星在轨通信过程中出现的一些问题也需要研究并解决相关的电磁兼容问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种天启星座通信载荷EMC分析模型及EMC特性改进方法。
根据本发明，提供了一种天启星座通信载荷EMC分析模型及EMC特性改进方法，包括：
针对载荷辐射骚扰，建立天启卫星载荷的EMC分析模型，所述EMC分析模型包括载荷舱、布置在载荷舱内载荷结构舱、以及连接至载荷结构舱的载荷天线，并且设定如下参数：
R0:外部进入载荷天线的自然噪声及干扰信号；
C：载荷天线与载荷之间同轴射频电缆传导系数；
G：载荷通道增益；
Rd：DCS载荷对星体干扰信号的辐射系数；
Rs：星体对载荷天线干扰信号的辐射系数；
Ed：载荷结构舱的屏蔽系数，
Es：星体载荷舱的屏蔽系数；
根据载荷EMC分析模型，确定理想情况下载荷接收通道的噪底N0为：N0＝R0+C+G(为便于计算，单位取分贝，即dB)；
确定所述噪底经辐射耦合回载荷天线的干扰为：
N1＝[(N0-Ed)*Rd-Es]*Rs+C+G；
同理有：Ni＝[(Ni-1-Ed)*Rd-Es]*Rs+C+G，
其中：i为自然数，Ni为第i次经辐射耦合回载荷天线的干扰。
因此，确定实际载荷接收通道噪底为：
优选地，通过减小载荷天线与载荷之间同轴射频电缆传导系数C、载荷通道增益G、DCS载荷对星体干扰信号的辐射系数Rd、星体对载荷天线干扰信号的辐射系数Rs以改善EMC特性。
优选地，通过增大Ed载荷结构舱的屏蔽系数和星体载荷舱的屏蔽系数Es以提升EMC特性。
优选地，载荷天线与载荷之间同轴射频电缆传导系数是固定值。
优选地，通过在载荷舱内部贴吸波材料减小DCS载荷对星体干扰信号的辐射系数。
优选地，通过增加屏蔽材料的方式增大载荷结构舱的屏蔽系数。
优选地，通过增加屏蔽材料的方式增大星体载荷舱的屏蔽系数。
优选地，通过对载荷接插件缝隙、结构缝隙使用屏蔽材料进行包裹以提升EMC特性。
优选地，通过对载荷供电线及数据线进行屏蔽处理以提升EMC特性。
优选地，通过对卫星载荷舱舱板上穿线缆的孔使用屏蔽材料进行包裹以提升EMC特性。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例采用的EMC分析模型示例。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例采用的DCS载荷EMC测试连接框图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例EMC特性改进措施实施前测试得到的240MHz频谱(噪底为-95dBm)。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例EMC特性改进措施实施后测试得到的240MHz频谱(噪底为-115dBm)。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
本发明根据天启星座通信载荷的设计方案和整星结构，首次建立了天启星座通信载荷的EMC分析模型，给出了载荷电磁干扰噪底的计算公式，为天启卫星DCS(DataCollection System，数据收集系统)通信载荷的EMC分析和EMC防护提供理论依据。
实践表明，如果可以在载荷设计和研制过程中就把电磁兼容能力考虑进去，兼顾抗干扰器件的优点与不足，可以大大提升载荷本身的可靠性和安全性。采用该模型的分析方法在天启星座通信载荷EMC测试和研制过程中得到了成功应用，根据该分析模型提出的一系列改进措施，事实证明也非常有效，可以将接收机灵敏度提高2dB以上。该模型和计算公式对进一步改善同类型通信载荷的EMC特性也具有借鉴意义。
DCS载荷EMC分析模型
针对当下日益恶化的电磁干扰问题，DCS载荷也势必需要规范和改进电磁兼容相关标准，提高产品的电磁兼容性能。
电磁干扰的方式主要有以下几种：
1)辐射干扰：电磁干扰源通过空间形式(电场、磁场)把信号耦合(干扰)到另一个电网络。
2)传导干扰：电磁干扰源通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。通常用电压或电流来定义。
3)静电放电：带有不同静电电位的物体靠近或是接触时产生的电荷转移。
4)电快速瞬变脉冲群：有特定的持续时间(规定为15ms)，特定的脉冲周期(300ms)的脉冲。
5)浪涌(冲击)：超出正常工作电压的瞬间过电压/电流。
DCS载荷工作的频段比较高，主要在240MHz～400MHz，所以卫星在轨飞行过程中，辐射干扰将是DCS载荷最主要的干扰源。
形成电磁干扰或电磁危害有三个基本要素：电磁干扰源、电磁能量耦合途径和敏感对象。这里以DCS载荷为敏感对象，电磁能量耦合途径主要考虑辐射耦合和传导耦合。传导耦合需要电磁干扰源和敏感对象之间存在完整的电路连接，而辐射耦合是干扰源通过空间形式(电场、磁场)把信号耦合(干扰)到敏感对象。电磁干扰源可能是载荷或星上任何产生电磁干扰的元器件。
为了保证DCS载荷在正常工作的同时，既不受卫星平台其他电子设备的电磁干扰影响也不去影响其他设备的正常运行，对于DCS载荷研制开发和在轨运行中出现的电磁干扰问题，需要从三要素切入，分析干扰的本质，这样才能解决问题。
这里根据天启卫星载荷和整星的构型，针对载荷辐射骚扰，建立如图1所示的EMC分析模型，其中所述EMC分析模型包括载荷舱、布置在载荷舱内载荷结构舱、以及连接至载荷结构舱的载荷天线。对于参数的定义，其中：
R0:外部进入载荷天线的自然噪声及干扰信号；无法人为干预；
C：载荷天线与载荷之间同轴射频电缆传导系数；固定值；
G：载荷通道增益；
Rd：DCS载荷对星体干扰信号的辐射系数；可以考虑在载荷舱内部贴吸波材料；
Rs：星体对载荷天线干扰信号的辐射系数；
Ed：载荷结构舱的屏蔽系数，可以通过增加屏蔽材料的方式增大此系数。
Es：星体载荷舱的屏蔽系数；可以通过增加屏蔽材料的方式增大此系数；
根据载荷EMC分析模型，理想情况下载荷接收通道的噪底N0应为下面公式所示(单位为dB)：
N0＝R0+C+G (1)
该噪底经辐射耦合回载荷天线的干扰为：
N1＝[(N0-Ed)*Rd-Es]*Rs+C+G (2)
同理有：Ni＝[(Ni-1-Ed)*Rd-Es]*Rs+C+G (3)
其中：i为自然数，Ni为第i次经辐射耦合回载荷天线的干扰。
因此，确定实际载荷接收通道噪底为：
从以上公式可以看出，需要将尽量减小C、G、Rd、Rs，同时增大Ed和Es。后续为了改善载荷EMC特性的一些措施也是根据该分析模型提出的。
EMC分析模型在EMC测试中的应用
在EMC实验室，按图2所示测试连接框图，对DCS载荷进行EMC测试。如图2所述，为具有DCS载荷的卫星配置401M天线以及240/320天线，载荷地检通过一个衰减器经由一个401M天线与卫星的401M天线通信，载荷地检经由另一个衰减器经由一个240/320天线与卫星的240/320天线通信。
测试主要验证在整星无线状态下的载荷接收灵敏度，判断平台对载荷接收灵敏度是否有影响。
为了改善载荷的EMC特性，根据公式，可以减小载荷通道增益G，为此，将G减少了10dB，减少前后的240MHz频段的频谱处理结果见图3和图4。可以看出，噪底降低了20dBm。另外，数据接收的测试报告则表明接收机的灵敏度至少提高了2dB以上。
随着卫星物联网的发展，DCS载荷的EMC问题日益突出。由于物联网卫星通信本身低信噪比和大多普勒频移的特点，信号捕获和解调相对较难，而解决载荷的EMC问题对该问题的改善有极大的帮助。此外，实践也证明，如果在载荷设计和研制阶段就解决电磁兼容问题，从电路的设计到元器件的选择，都将电磁干扰的可能考虑进去，从系统内部来提高整体的抗扰能力，将大大降低载荷以后的改进成本。
根据公式(1)，通道增益G减少10dB，初始噪声也将减少10dB。而噪底最终降低了20dBm。说明环路里辐射骚扰与初始噪声接近一个量级，降低通道增益，也导致辐射骚扰对噪底的影响也降低了。
根据模型，增大Ed和Es同样也可以改善载荷的EMC特性，后续可以采取以下措施：
1)对载荷接插件缝隙、结构缝隙使用屏蔽材料进行包裹；
2)对载荷供电线及数据线进行屏蔽处理；
3)对卫星载荷舱舱板上穿线缆的孔使用屏蔽材料进行包裹。
通过认真分析载荷的电磁环境、电磁兼容以及电磁干扰的原理，研究载荷工作频段内电磁干扰产生的原因，合理运用电磁兼容的方法，可以抑制电磁干扰。从而保证DCS载荷能在太空复杂电磁环境下正常地可靠地工作，使DCS载荷电磁兼容性的功能和性能符合设计要求，大大提高数据通信的正确率，因此本EMC分析模型和计算公式的提出具有重要的实际意义。该模型也将在后续载荷研制和使用中不断改进，从而更适合实际应用。
需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
