太空中的 EMC：詹姆斯韦伯太空望远镜

航天器上的 EMC 测试与地面设备测试没有什么不同，只是航天器生活在不同的电磁环境中。

 

在地球上，每件电子设备都必须与其电磁环境抗衡。诸如附近设备、广播信号等系统意味着您需要在屏蔽外壳中进行测试或寻找一些偏远区域。您的设备必须与周围的一切配合得很好。然而，在太空中，许多这些外部干扰源并不存在。将卫星送入太空时，您是否需要执行与地球系统相同的发射和敏感性测试？

这就是 NASA 的 EMC 工程师面临的问题。NASA 使用 EMC 标准作为 EMC 测试的基础，其编写的重点是接地设备。在太空中，主要的干扰源是同一航天器上的系统。美国宇航局戈达德太空飞行中心 (GSFC) 的首席 EMC 工程师约翰·麦克洛斯基 (John McCloskey) 的大部分职业生涯都在测试詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST)，它是哈勃太空望远镜的替代品。JWST 预计将于 2021 年从法属圭亚那搭乘阿丽亚娜 5 号火箭发射。

JWST将有一面由六角形反射面板组成的镜子，一旦进入轨道，就会展开。一个网球场大小的遮阳罩将使望远镜能够在达到必要灵敏度所需的低温下工作。望远镜的主镜组件后面是集成科学仪器模块（ISIM），其中包括四个科学仪器。McCloskey 和其他人负责确保 JWST 的电子系统不会干扰卫星的无线电接收器，也不会相互干扰。

由于卫星在太空中度过其使用寿命，因此最有可能干扰卫星接收器的是机载系统。然而，没有针对航天器的特定 EMI 标准。NASA EMC 工程师使用基于 MIL-STD-461G 的限制和测试程序。如果航天器无线电接收器在太空中没有受到全电磁频谱的影响，您是否需要测试平台上接收器使用的频率之外的发射？McCloskey 说不，那为什么要花钱进行不必要的测试呢？如果 JWST 的无线电接收器在部署到太空之前没有使用，那么应该没有理由在有意接收器的频率之外测试辐射发射和敏感性。JWST 子系统之间的干扰测试侧重于电缆的串扰。

“当然，您必须测试有意接收器的射频频段内的发射水平，”McCloskey 说。“但这些接收器频段之外的发射通常不是一个重要因素。”

另一个问题是排放测试是否应该在集成仪器或航天器级别进行，而不是在单元级别进行测试。集成仪器或航天器级别的测试需要更多的人。McCloskey 估计每日测试成本至少比单元级别高 10 倍，其中每个“盒子”都是单独测试的。单元级别的测试使工程师能够诊断和修复任何潜在问题，因为它们的解决成本比更高级别的集成要低得多。

McCloskey 更喜欢执行单元测试，其中每个单元都在产生最高排放的配置中运行。“我们想让每个单位成为排放的罪魁祸首，”他说。“这可能需要对不同频率的最高发射进行两到三个测试。” EMC 工程师咨询设计人员以找出这些条件。例如，当主计算机向电机发送命令或发送大量数据时，可能会出现这种情况。“可以使用仅测试模式，例如用于移动电机或高数据强度状态的模式，以获得最坏的情况。”

JWST 辐射发射的单元级测试覆盖了 S 波段接收机的频率范围：2.0898521 GHz 至 2.0916521 GHz。此外，需要进行测试以确保在发射序列期间必须运行的 JWST 电子设备不会干扰从任务控制到运载火箭指令破坏接收器的 UHF 上行链路——420 MHz 至 480 MHz，35 dBµV/m。在该频段之外，仍会进行测试以确保单元不会相互干扰，并且电缆和外壳构造正确。

使用覆盖不同频率范围的多个 EMI 天线执行单元级发射测试，所有这些天线都在距离 EUT 1 m 处。表 1 列出了这些天线。

与任何其他电子设备一样，JWST 中的单元必须通过辐射敏感性测试，这比辐射测试更耗时。因为所有 JWST 设备都在单元级测试到 18 GHz，所以一旦集成到仪器级，只需将 ISIM 测试到 8 GHz 就足够了。

JWST 也没有有意在 1 GHz 以下工作的发射机。尽管如此，工程师还是选择测试低至 30 MHz 的频率，以便他们能够表征科学仪器中探测器系统在这些频率下的灵敏度。¹

太空中的 EMC 不仅仅与干扰无线电的辐射有关。计算机和科学仪器等非射频设备必须与航天器一起正常运行。传导发射和敏感性测试让工程师可以测试单元和系统如何相互干扰。电缆之间的串扰会导致信号耦合到非预期的系统中。这里的问题是共模电流，McCloskey 用电流探头测量。对于敏感性测试，工程师注入共模电流并寻找它可能导致的错误。²

工程师还寻找违规者和敏感电缆之间的最坏情况。在这种情况下，距离很重要。为了确定是否存在潜在问题，工程师计算敏感电缆位置的任何违规者的场强。排放水平不仅要符合标准，而且要足够低，以免破坏航天器的功能。

除了测试辐射/传导发射和敏感性之外，工程师还必须确保系统级的电能质量不会破坏 JWST 功能。定制的线路阻抗稳定网络 (LISN) 有助于控制从电池到电子设备的电源总线上的线路阻抗。^{2, 3}当电机等设备启动时，电流浪涌与线路阻抗结合产生电压骤降。将示波器连接到电源网络可以让工程师在时域和频域中查看电源总线。

从 EMC 的角度来看，太空为电子设备提供了独特的条件，其中一些条件比基于地球的设备更容易应对。在太空中，周围的电磁环境以机载设备为主。

参考：

1. McCloskey, John，“集成科学仪器模块 (ISIM) 的 EMC 测试”，2016 年 IEEE 国际电磁兼容性研讨会论文集。
2. McCloskey, John，“美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜的 EMC 测试挑战”，2017 年 IEEE 国际电磁兼容性研讨会论文集。
3. McCloskey、John 和 Ken Javor，“美国宇航局戈达德太空飞行中心的最新 EMC 标准”，2012 年 IEEE 电磁兼容性国际研讨会论文集。

 

审核编辑 黄昊宇