CN107918703B - 一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射限值的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，通过建立验证模型并进行仿真分析，验证算法和设置的正确性，建立星体分析模型，在电磁仿真软件中进行三维电磁仿真分析，获得不同位置处的路径衰减，根据仿真分析得到的路径衰减L，射频接收机灵敏度S，根据控制对象的关键性类别选择EMC安全裕度，根据EMC安全裕度加严第四步计算得到的电场强度后得到无意电磁辐射发射控制限值。本发明所述的方法在限值设计过程中充分考虑了路径衰减和星体屏蔽等因素的影响，避免了传统方法的欠设计和过设计，充分考虑被控制对象的关键性类别来设计安全裕量，提高限值控制的针对性，通过验证模型来进行分析准确度验证，提高限值设计的准确度。

Description

一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射限值的设计方法
技术领域
本发明涉及一种卫星无意辐射发射限值的设计方法，尤其涉及一种针对宽频段射频接收卫星的射频接收带内无意辐射发射控制的限值设计方法。
背景技术
航天器，如卫星等，舱内设备的无意辐射发射在设备的电缆上，会影响接收机对正常信号的接收，因此，对无意辐射的发射控制是行业标准中明确规定的电磁兼容性项目，也是航天器电磁兼容性设计和电磁干扰控制的重点和难点。在卫星电磁兼容性的系统顶层设计阶段，必须设计卫星无意辐射的发射限值，以对卫星系统、分系统及设备的无意辐射发射进行控制。
现有的采用通用限值的方法，无法针对具体卫星进行具体设计，对卫星无意辐射的发射限值的设计方法易出欠设计或过设计的问题。
现有的对射频接收带内的电磁干扰控制标准的限值方法，主要通过对接收机灵敏度、接收天线增益和工作频率计算获得，这种限值方法制定的限值并未考虑到其他设备的无意辐射传播至馈源处还要经过路径衰减、星体屏蔽等因素，具体如：舱体屏蔽、干扰入射至馈源的角度、设备自身的辐射方向、近场效应等。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种针对宽频段射频接收卫星射频接收带内无意辐射发射限值的设计方法，以计算得到卫星在射频接收带内的限制要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，包括以下步骤：
S1：通过三维电磁仿真分析软件建立全封闭舱体模型，该全封闭舱体模型为边长为1m的立方体，立方体壁厚1mm，立方体材质为理想金属导体，立方体内部为真空，立方体外部空间为自由空间，在全封闭舱体模型内部的分析位置上设置接收源，接收源测量分析位置处的电磁波场强，通过平面波辐射全封闭舱体模型，接收源测量的场强为0则验证通过；
S2：在全封闭舱体模型基础上建立开孔舱体模型，在立方体的一个表面开直径为30mm的圆孔，在开孔舱体模型内部的分析位置上设置发射源，发射源设定辐射电场强度为E1，开孔舱体模型外置接收源，接收源测量到的电场强度为E2，接收源与发射源的距离为1m，计算该开孔舱体模型的屏蔽效能为T1：
理想状态下的屏蔽效能为T0，
T1与T0的差值在第一验证差值之内，则验证通过；
S3：在开孔舱体模型基础上建立开孔舱体带穿舱电缆模型，在立方体表面的圆孔内穿入直径为20mm的金属圆柱体用于模拟穿舱电缆的影响，计算该开孔舱体带穿舱电缆模型的屏蔽效能为T2：
T2与T1的差值在第二验证差值之内，则验证通过；
S4：在开孔舱体带穿舱电缆模型中，设定内部发射源的电磁辐射功率为Pt，外置接收源的测量的辐射功率为Pr，计算接收源和发射源之间的路径衰减值L：
S5：将卫星模型简化后建立星体分析模型，星体分析模型外部针对接收天线位置设置N个发射源，在星体分析模型内部针对分析位置设置M个接收源，星体分析模型的路径衰减选择开孔舱体带穿舱电缆模型的路径衰减值L，录入至少两个灵敏设备的设备接收机灵敏度S；
S6：依次分析N个发射源与M个接收源在不同表面上的路径衰减值L，计算不同表面距离发射源1m位置处的电场强度：
其中：
Lt为针对某一表面的路径衰减值最小的L，St为针对某一表面的设备接收机灵敏度最小的S；
或者：
Lt为针对某一表面的某台设备的路径衰减值，St为针对某一表面的某台设备的设备接收机灵敏度；
该Et即接收卫星无意辐射在某一表面方向上的发射限值；
S7：根据控制对象的关键性选择EMC安全裕度Emc，根据安全裕度得到更严格辐射发射限值Et0；
Emc为：
I类设备：安全裕度为15dB；
II类设备：安全裕度为12dB；
III类设备：安全裕度为0dB；
电爆装置：安全裕度为22.5dB；
Et0＝Et-Emc。
进一步的，所述三维电磁仿真分析软件为FEKO电磁场高频技术软件。
进一步的，所述FEKO的分析算法设置为积分方程计算方法或微分方程计算方法或高频计算方法。
进一步的，所述积分方程计算方法为矩阵法或多层快速多级子法，微分方程计算方法为时域有限差分法或有限元法，高频计算方法为几何光学法或物理光学法。
进一步的，所述第一验证差值为6-12dB。
进一步的，所述第二验证差值为20-30dB。
进一步的，所述全封闭舱体模型、开孔舱体模型、开孔舱体带穿舱电缆模型的网格实在为四面体网格或六面体网格，网格剖分设置为λ/8，λ为分析频率对应的波长。
进一步的，所述星体分析模型的建立方法为：
(a)忽略卫星表面小于λ/10的凸出部件、凹陷孔和短缝隙；
(b)通过几何平面简化卫星表面非射频设备的具体结构；
(c)忽略卫星分离的长缝隙；
(d)采用平面结构或实体结构代替卫星结构板的蜂窝结构；
(e)忽略被热包覆层包裹的开孔；
(f)忽略热包覆层；
(g)忽略处于电磁辐射遮挡区域的卫星结构；
(h)处理天线的一个安装面与卫星表面设备件的耦合分析模型时，忽略天线其他安装面，忽略卫星其他表面。
进一步的，所述星体分析模型的材质为理想金属导体或铝金属。
进一步的，所述星体分析模型的具体表面有：顶板、底板、东板、西板、南板和北板。
相对于现有技术，本发明所述的宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法具有以下优势：
(1)本方法在限值设计过程中充分考虑了路径衰减和星体屏蔽等因素的影响，避免了传统方法中易出现的欠设计和过设计的问题；
(2)本方法充分考虑被控制对象的关键性类别并通过关键性类别来设计安全裕量，提高限值控制的针对性；
(3)本方法通过验证模型来进行分析准确度验证，保证仿真分析的精度，提高限值设计的准确度。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的宽频段射频接收卫星辐射发射限值设计方法的流程图；
图2为本发明实施例所述的全封闭舱体模型示意图；
图3为本发明实施例所述的开孔舱体模型示意图；
图4为本发明实施例所述的开孔舱体带穿舱电缆模型示意图；
图5为本发明实施例所述的星体分析模型示意图；
图6为本发明实施例所述的辐射发射控制限值曲线图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
本技术方案所要解决的技术问题是：现有的采用通用限值的方法，无法针对具体卫星进行具体设计，对卫星无意辐射的发射限值的设计方法易出欠设计或过设计的问题。
为了解决上述技术问题，如图1所示，本实施例提供了一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，包括以下步骤：
第一部分：建立验证模型并进行仿真分析，验证模型包括：全封闭舱体模型、开孔舱体模型及开孔舱体带穿舱电缆模型。
S1：如图2所示，通过三维电磁仿真分析软件建立全封闭舱体模型，该全封闭舱体模型为边长为1m的立方体，立方体壁厚1mm，立方体材质为理想金属导体，立方体内部为真空，立方体外部空间为自由空间，在全封闭舱体模型内部的分析位置上设置接收源，接收源测量分析位置处的电磁波场强，通过平面波辐射全封闭舱体模型，接收源测量的场强为0则验证通过；
S2：如图3所示，在全封闭舱体模型基础上建立开孔舱体模型，在立方体的一个表面开直径为30mm的圆孔，在开孔舱体模型内部的分析位置上设置发射源，发射源设定辐射电场强度为E1，开孔舱体模型外置接收源，接收源测量到的电场强度为E2，接收源与发射源的距离为1m，计算该开孔舱体模型的屏蔽效能为T1：
理想状态下的屏蔽效能为T0，
T1与T0的差值在第一验证差值之内，则验证通过；
如通过仿真分析，T1与T0的差值为76dB，与理想状态下的屏蔽效能82dB相差6dB，则证明模型设计和分析设置的正确性。
S3：如图4所示，在开孔舱体模型基础上建立开孔舱体带穿舱电缆模型，在立方体表面的圆孔内穿入直径为20mm的金属圆柱体用于模拟穿舱电缆的影响，计算该开孔舱体带穿舱电缆模型的屏蔽效能为T2：
T2与T1的差值在第二验证差值之内，则验证通过；
增加穿舱电缆后，无论是由内到外的泄露还是由外岛内的泄露场强都有所增加，增加的幅度在20-30dB，即屏蔽效能降低20-30dB。
S4：在开孔舱体带穿舱电缆模型中，设定内部发射源的电磁辐射功率为Pt，外置接收源的测量的辐射功率为Pr，计算接收源和发射源之间的路径衰减值L：
第二部分：建立星体分析模型；
S5：将卫星模型简化后建立星体分析模型，星体分析模型外部针对接收天线位置设置N个发射源，在星体分析模型内部针对分析位置设置M个接收源，星体分析模型的路径衰减选择开孔舱体带穿舱电缆模型的路径衰减值L，录入至少两个灵敏设备的设备接收机灵敏度S；
由于天线收发是互易的，为了能够更为便捷的计算路径衰减，本方法中将星载接收天线作为发射源，将模拟设备辐射的无方向辐射源作为接收源。
为了能够全面分析舱体内位置处的设备对接收天线的影响，在舱体内部设置多个无方向性的接收源，反应舱内不同位置到接收天线处的路径衰减，由于星载设备高度不超过30cm，这里将发射源设置在距离舱板15cm位置处。
第三部分：进行仿真分析；
在三维电磁仿真分析软件中，针对建立的星体分析模型进行路径衰减仿真，本实施例中，采用FEKO软件进行仿真分析，仿真算法采用MOM方法，仿真频段为卫星射频接收频段，本实施例中具体为300MHz-2.5GHz，重点对西板、南板和北板位置的路径衰减进行仿真分析。
S6：如图5所示，依次分析N个发射源与M个接收源在不同表面上的路径衰减值L，计算不同表面距离发射源1m位置处的电场强度：
其中：
Lt为针对某一表面的路径衰减值最小的L，St为针对某一表面的设备接收机灵敏度最小的S；
或者：
Lt为针对某一表面的某台设备的路径衰减值，St为针对某一表面的某台设备的设备接收机灵敏度；
该Et即接收卫星无意辐射在某一表面方向上的发射限值；
S7：根据控制对象的关键性选择EMC安全裕度Emc，根据安全裕度得到更严格辐射发射限值Et0；
Emc为：
I类设备：安全裕度为15dB；
II类设备：安全裕度为12dB；
III类设备：安全裕度为0dB；
电爆装置：安全裕度为22.5dB；
Et0＝Et-Emc。
如图6所示，以II类设备进行要求，安全裕度为12dB，通过安全裕度加严后得到西板、南板和北板位置处限值，在卫星西板、南板和北板位置处的设备无意辐射发射按照相应位置的限值进行限制。
该实施例所提供的技术方案的技术效果是：本方法在限值设计过程中充分考虑了路径衰减和星体屏蔽等因素的影响，避免了传统方法中易出现的欠设计和过设计的问题；充分考虑被控制对象的关键性类别并通过关键性类别来设计安全裕量，提高限值控制的针对性；通过验证模型来进行分析准确度验证，保证仿真分析的精度，提高限值设计的准确度。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过三维电磁仿真分析软件建立全封闭舱体模型，该全封闭舱体模型为边长为1m的立方体，立方体壁厚1mm，立方体材质为理想金属导体，立方体内部为真空，立方体外部空间为自由空间，在全封闭舱体模型内部的分析位置上设置接收源，接收源测量分析位置处的电磁波场强，通过平面波辐射全封闭舱体模型，接收源测量的场强为0则验证通过；
S2：在全封闭舱体模型基础上建立开孔舱体模型，在立方体的一个表面开直径为30mm的圆孔，在开孔舱体模型内部的分析位置上设置发射源，发射源设定辐射电场强度为E 1，开孔舱体模型外置接收源，接收源测量到的电场强度为E 2，接收源与发射源的距离为1m，计算该开孔舱体模型的屏蔽效能为T 1：
T 1＝20 lg E 1 E 2；
理想状态下的屏蔽效能为T 0，
T 1与T 0的差值在第一验证差值之内，则验证通过；
S3：在开孔舱体模型基础上建立开孔舱体带穿舱电缆模型，在立方体表面的圆孔内穿入直径为20mm的金属圆柱体用于模拟穿舱电缆的影响，计算该开孔舱体带穿舱电缆模型的屏蔽效能为T 2：
T 2＝20 lg E 1 E 2；
T 2与T1的差值在第二验证差值之内，则验证通过；
S4：在开孔舱体带穿舱电缆模型中，设定内部发射源的电磁辐射功率为Pt，外置接收源的测量的辐射功率为Pr，计算接收源和发射源之间的路径衰减值L：
L＝10 l o g P r P t；
S5：将卫星模型简化后建立星体分析模型，星体分析模型外部针对接收天线位置设置N个发射源，在星体分析模型内部针对分析位置设置M个接收源，星体分析模型的路径衰减选择开孔舱体带穿舱电缆模型的路径衰减值L，录入至少两个灵敏设备的设备接收机灵敏度S；
S6：依次分析N个发射源与M个接收源在不同表面上的路径衰减值L，计算不同表面距离发射源1m位置处的电场强度：
E t＝20&times；lg&lsqb；30(S t+L t)&rsqb；+120(d B&mu；V/m)；
其中：
L t为针对某一表面的路径衰减值最小的L，S t为针对某一表面的设备接收机灵敏度最小的S；
或者：
L t为针对某一表面的某台设备的路径衰减值，S t为针对某一表面的某台设备的设备接收机灵敏度；
该E t即接收卫星无意辐射在某一表面方向上的发射限值；
S7：根据控制对象的关键性选择EMC安全裕度E mc，根据安全裕度得到更严格辐射发射限值E t0；
E mc为：
I类设备：安全裕度为15dB；
II类设备：安全裕度为12dB；
III类设备：安全裕度为0dB；
电爆装置：安全裕度为22.5dB；
E t0＝E t-E mc。
2.根据权利要求1所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：三维电磁仿真分析软件为FEKO电磁场高频技术软件。
3.根据权利要求2所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：FEKO的分析算法设置为积分方程计算方法或微分方程计算方法或高频计算方法。
4.根据权利要求2所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：积分方程计算方法为矩阵法或多层快速多级子法，微分方程计算方法为时域有限差分法或有限元法，高频计算方法为几何光学法或物理光学法。
5.根据权利要求1所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：第一验证差值为6-12dB。
6.根据权利要求1所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：第二验证差值为20-30dB。
7.根据权利要求1所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：全封闭舱体模型、开孔舱体模型、开孔舱体带穿舱电缆模型的网格实在为四面体网格或六面体网格，网格剖分设置为λ/8，λ为分析频率对应的波长。
8.根据权利要求1所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：星体分析模型的建立方法为：
(a)忽略卫星表面小于λ/10的凸出部件、凹陷孔和短缝隙；
(b)通过几何平面简化卫星表面非射频设备的具体结构；
(c)忽略卫星分离的长缝隙；
(d)采用平面结构或实体结构代替卫星结构板的蜂窝结构；
(e)忽略被热包覆层包裹的开孔；
(f)忽略热包覆层；
(g)忽略处于电磁辐射遮挡区域的卫星结构；
(h)处理天线的一个安装面与卫星表面设备件的耦合分析模型时，忽略天线其他安装面，忽略卫星其他表面。
9.根据权利要求1所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：星体分析模型的材质为理想金属导体或铝金属。
10.根据权利要求1所述的一种宽频段射频接收卫星无意辐射发射的限值方法，其特征在于：星体分析模型的具体表面有：顶板、底板、东板、西板、南板和北板。
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