航天器上的 EMC 測試與地面設(shè)備測試沒有什么不同，只是航天器生活在不同的電磁環(huán)境中。

在地球上，每件電子設(shè)備都必須與其電磁環(huán)境抗衡。諸如附近設(shè)備、廣播信號等系統(tǒng)意味著您需要在屏蔽外殼中進(jìn)行測試或?qū)ふ乙恍┢h(yuǎn)區(qū)域。您的設(shè)備必須與周圍的一切配合得很好。然而，在太空中，許多這些外部干擾源并不存在。將衛(wèi)星送入太空時，您是否需要執(zhí)行與地球系統(tǒng)相同的發(fā)射和敏感性測試？

這就是 NASA 的 EMC 工程師面臨的問題。NASA 使用 EMC 標(biāo)準(zhǔn)作為 EMC 測試的基礎(chǔ)，其編寫的重點是接地設(shè)備。在太空中，主要的干擾源是同一航天器上的系統(tǒng)。美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心 (GSFC) 的首席 EMC 工程師約翰·麥克洛斯基 (John McCloskey) 的大部分職業(yè)生涯都在測試詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST)，它是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的替代品。JWST 預(yù)計將于 2021 年從法屬圭亞那搭乘阿麗亞娜 5 號火箭發(fā)射。

JWST將有一面由六角形反射面板組成的鏡子，一旦進(jìn)入軌道，就會展開。一個網(wǎng)球場大小的遮陽罩將使望遠(yuǎn)鏡能夠在達(dá)到必要靈敏度所需的低溫下工作。望遠(yuǎn)鏡的主鏡組件后面是集成科學(xué)儀器模塊（ISIM），其中包括四個科學(xué)儀器。McCloskey 和其他人負(fù)責(zé)確保 JWST 的電子系統(tǒng)不會干擾衛(wèi)星的無線電接收器，也不會相互干擾。

由于衛(wèi)星在太空中度過其使用壽命，因此最有可能干擾衛(wèi)星接收器的是機載系統(tǒng)。然而，沒有針對航天器的特定 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。NASA EMC 工程師使用基于 MIL-STD-461G 的限制和測試程序。如果航天器無線電接收器在太空中沒有受到全電磁頻譜的影響，您是否需要測試平臺上接收器使用的頻率之外的發(fā)射？McCloskey 說不，那為什么要花錢進(jìn)行不必要的測試呢？如果 JWST 的無線電接收器在部署到太空之前沒有使用，那么應(yīng)該沒有理由在有意接收器的頻率之外測試輻射發(fā)射和敏感性。JWST 子系統(tǒng)之間的干擾測試側(cè)重于電纜的串?dāng)_。

“當(dāng)然，您必須測試有意接收器的射頻頻段內(nèi)的發(fā)射水平，”McCloskey 說。“但這些接收器頻段之外的發(fā)射通常不是一個重要因素。”

另一個問題是排放測試是否應(yīng)該在集成儀器或航天器級別進(jìn)行，而不是在單元級別進(jìn)行測試。集成儀器或航天器級別的測試需要更多的人。McCloskey 估計每日測試成本至少比單元級別高 10 倍，其中每個“盒子”都是單獨測試的。單元級別的測試使工程師能夠診斷和修復(fù)任何潛在問題，因為它們的解決成本比更高級別的集成要低得多。

McCloskey 更喜歡執(zhí)行單元測試，其中每個單元都在產(chǎn)生最高排放的配置中運行。“我們想讓每個單位成為排放的罪魁禍?zhǔn)祝彼f。“這可能需要對不同頻率的最高發(fā)射進(jìn)行兩到三個測試。” EMC 工程師咨詢設(shè)計人員以找出這些條件。例如，當(dāng)主計算機向電機發(fā)送命令或發(fā)送大量數(shù)據(jù)時，可能會出現(xiàn)這種情況。“可以使用僅測試模式，例如用于移動電機或高數(shù)據(jù)強度狀態(tài)的模式，以獲得最壞的情況。”

JWST 輻射發(fā)射的單元級測試覆蓋了 S 波段接收機的頻率范圍：2.0898521 GHz 至 2.0916521 GHz。此外，需要進(jìn)行測試以確保在發(fā)射序列期間必須運行的 JWST 電子設(shè)備不會干擾從任務(wù)控制到運載火箭指令破壞接收器的 UHF 上行鏈路——420 MHz 至 480 MHz，35 dBμV/m。在該頻段之外，仍會進(jìn)行測試以確保單元不會相互干擾，并且電纜和外殼構(gòu)造正確。

使用覆蓋不同頻率范圍的多個 EMI 天線執(zhí)行單元級發(fā)射測試，所有這些天線都在距離 EUT 1 m 處。表 1 列出了這些天線。

與任何其他電子設(shè)備一樣，JWST 中的單元必須通過輻射敏感性測試，這比輻射測試更耗時。因為所有 JWST 設(shè)備都在單元級測試到 18 GHz，所以一旦集成到儀器級，只需將 ISIM 測試到 8 GHz 就足夠了。

JWST 也沒有有意在 1 GHz 以下工作的發(fā)射機。盡管如此，工程師還是選擇測試低至 30 MHz 的頻率，以便他們能夠表征科學(xué)儀器中探測器系統(tǒng)在這些頻率下的靈敏度。¹

太空中的 EMC 不僅僅與干擾無線電的輻射有關(guān)。計算機和科學(xué)儀器等非射頻設(shè)備必須與航天器一起正常運行。傳導(dǎo)發(fā)射和敏感性測試讓工程師可以測試單元和系統(tǒng)如何相互干擾。電纜之間的串?dāng)_會導(dǎo)致信號耦合到非預(yù)期的系統(tǒng)中。這里的問題是共模電流，McCloskey 用電流探頭測量。對于敏感性測試，工程師注入共模電流并尋找它可能導(dǎo)致的錯誤。²

工程師還尋找違規(guī)者和敏感電纜之間的最壞情況。在這種情況下，距離很重要。為了確定是否存在潛在問題，工程師計算敏感電纜位置的任何違規(guī)者的場強。排放水平不僅要符合標(biāo)準(zhǔn)，而且要足夠低，以免破壞航天器的功能。

除了測試輻射/傳導(dǎo)發(fā)射和敏感性之外，工程師還必須確保系統(tǒng)級的電能質(zhì)量不會破壞 JWST 功能。定制的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 有助于控制從電池到電子設(shè)備的電源總線上的線路阻抗。^{2, 3}當(dāng)電機等設(shè)備啟動時，電流浪涌與線路阻抗結(jié)合產(chǎn)生電壓驟降。將示波器連接到電源網(wǎng)絡(luò)可以讓工程師在時域和頻域中查看電源總線。

從 EMC 的角度來看，太空為電子設(shè)備提供了獨特的條件，其中一些條件比基于地球的設(shè)備更容易應(yīng)對。在太空中，周圍的電磁環(huán)境以機載設(shè)備為主。

參考：

1. McCloskey, John，“集成科學(xué)儀器模塊 (ISIM) 的 EMC 測試”，2016 年 IEEE 國際電磁兼容性研討會論文集。
2. McCloskey, John，“美國宇航局詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的 EMC 測試挑戰(zhàn)”，2017 年 IEEE 國際電磁兼容性研討會論文集。
3. McCloskey、John 和 Ken Javor，“美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的最新 EMC 標(biāo)準(zhǔn)”，2012 年 IEEE 電磁兼容性國際研討會論文集。

審核編輯 黃昊宇