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载人 航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法

阅读：162发布：2020-05-08

专利汇可以提供载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,包括以下步骤：a.确定大功率射频设备的频率以及与其他射频设备的线性组合频率是否落入接收设备的频宽内；b.建立各天线与航天器之间的耦合方程，得出天线之间的隔离度；c.计算出到达射频接收设备处的信号强度；d.计算出大功率射频设备与各射频接收设备间的安全裕度；e.建立电场强度辐射分布的仿真模型；f.建立大功率射频设备天线与航天器间的电磁场方程；g.得出大功率射频设备的电场强度分布图，分别判断大功率射频设备的电场对航天器舱外设备和舱内人员的影响。本发明的分析方法可以通过仿真分析来反映出大功率射频设备的电磁场对航天器设备及航天员的真实影响。，下面是载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，包括以下步骤：
a.确定大功率射频设备的频率以及大功率射频设备与其他射频设备的线性组合频率是否落入射频接收设备的频宽内；
b.建立大功率射频设备的电磁兼容性三维仿真模型，基于该模型建立各设备天线与航天器载体之间的耦合方程，得出大功率射频设备天线与各射频接收设备天线之间的隔离度；
c.根据大功率射频设备的发射功率、接收设备的带外抑制值与所述隔离度计算出从大功率射频设备到达射频接收设备处的信号强度；
d.将所述信号强度与射频接收设备的灵敏度进行比较，计算出大功率射频设备与各射频接收设备间的安全裕度；
e.基于载人航天器舱体模型及大功率射频设备三维方向图模型建立电场强度辐射分布的仿真模型；
f.以大功率射频设备为中心将航天器舱体划分多个区域，建立大功率射频设备的天线与航天器载体间的电磁场方程；
g.通过仿真计算得出大功率射频设备的电场强度分布图，并分别判断大功率射频设备的电场对航天器舱外设备和舱内人员的影响。
2.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(a)中，所述大功率射频设备的频率包括基波及二、三次谐波的频率。
3.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(b)中，所述电磁兼容性三维仿真模型基于载人航天器三维模型及天线三维方向图并按照载人航天器实际构型建立；
大功率射频设备的天线及其它射频接收设备的天线均按照航天器中实际安装位置放置。
4.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(b)中，所述耦合方程采用电磁场高频计算方法中的物理光学法建立。
5.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(c)中，所述带外抑制值采用实测结果，并对各个接收频段分别进行实际测量。
6.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(f)中，所述电磁场方程采用物理光学的计算方法建立。
7.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(g)中，根据所述电场强度分布图判断舱外超过限值的区域，并判断所述区域中的设备是否与大功率射频设备同时工作。
8.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(e)中，所述航天器舱体模型中的舷窗模型根据舷窗的材料和结构建立。
9.根据权利要求1所述的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法,其特征在于，在所述步骤(g)中，采用电磁场矩量法中的多层快速多极子算法对舷窗进行仿真计算得出大功率射频设备泄漏至航天器舱内的电场强度分布情况。

说明书全文

载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁兼容性分析领域，尤其涉及一种载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法。

背景技术

[0002] 以往的载人航天器中，射频设备主要用于天地间的数据、图像及话音通信，射频设备发射功率一般在几瓦或几十瓦的量级，但随着载人空间站工程及载人登月等深空探测任务的开展，天地间需传输的数据速率越来越大，如高清图像、高速试验数据等，由传统的几兆、几十兆量级达到了几G、几十G量级，相应导致天地无线通信设备发射功率大大增加，同时空间应用载荷由于功能需求需配置大功率发射设备，如微波成像、相控阵雷达等，导致发射设备功率达到了上百瓦量级，相关空间应用载荷设备发射功率甚至达到了上千瓦量级。

[0003] 大功率射频设备在工作时会对载人航天器舱内、外电磁环境产生影响，尤其是当电场强度达到一定值时会对航天员及航天器中设备带来电磁辐射危害，发射功率越大危害
越大，严重时会导致人体生理机能损伤、设备性能降低甚至设备损坏，进一步导致航天器飞行任务失败。因此，很有必要在载人航天器设计、生产过程中对其大功率射频设备的电磁兼容性进行专门的分析和测试验证，保证上天后的电磁兼容性。

[0004] 传统的对载人航天器进行电磁兼容性预测的手段主要通过地面试验验证来实现，即在微波暗室中结合在轨工作模式分不同试验工况对载人航天器进行自兼容性、系统间兼
容性及电场强度敏感度测试等，同时辅助采用经验公式或建立模型进行简单的估算和分
析。但由于受地面试验场地、试验条件限制，进行地面电磁兼容性试验时，从设备安全性考虑，需将大功率射频设备的发射功率衰减到一定值以保证不对设备本身产生安全性影响，
从而导致大功率射频设备无法按照在轨实际发射功率进行地面测试验证，无法真实验证大
功率射频设备是否对其它无线接收设备产生电磁干扰，无法验证大功率设备实际工作时对
航天员及电子设备产生的电场强度辐射影响。同时传统的估算手段主要对发射和接收设备
间的安全余量进行分析，无法对大功率发射设备产生的电场强度辐射影响进行有效分析。

[0005] 专利CN108875239A公开了一种利用建模仿真分析射频电磁兼容性的系统，该系统中分别首先分析了频率兼容性，并利用分析结果建立电磁矩阵来分析电磁兼容性。该专利
在进行电磁兼容性分析时只基于航天器三维结构建立模型，未按照射频设备的实际布局进
行建模仿真，因此其最终的射频分析结果中的安全裕度仅仅为简单的估算结果，由此对于
射频设备对航天器舱外设备的电磁干扰分析结果也不够准确。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于解决上述问题，提供一种载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法。

[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供一种载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法，包括以下步骤：

[0008] a.确定大功率射频设备的频率以及大功率射频设备与其他射频设备的线性组合频率是否落入射频接收设备的频宽内；

[0009] b.建立大功率射频设备的电磁兼容性三维仿真模型，基于该模型建立各设备天线与航天器载体之间的耦合方程，得出大功率射频设备天线与各射频接收设备天线之间的隔
离度；

[0010] c.根据大功率射频设备的发射功率、接收设备的带外抑制值与所述隔离度计算出从大功率射频设备到达射频接收设备处的信号强度；

[0011] d.将所述信号强度与射频接收设备的灵敏度进行比较，计算出大功率射频设备与各射频接收设备间的安全裕度；

[0012] e.基于载人航天器舱体模型及大功率射频设备三维方向图模型建立电场强度辐射分布的仿真模型；

[0013] f.以大功率射频设备为中心将航天器舱体划分多个区域，建立大功率射频设备的天线与航天器载体间的电磁场方程；

[0014] g.通过仿真计算得出大功率射频设备的电场强度分布图，并分别判断大功率射频设备的电场对航天器舱外设备和舱内人员的影响。

[0015] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，所述大功率射频设备的频率包括基波及二、三次谐波的频率。

[0016] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，所述电磁兼容性三维仿真模型基于载人航天器三维模型及天线三维方向图并按照载人航天器实际构型建立；

[0017] 大功率射频设备的天线及其它射频接收设备的天线均按照航天器中实际安装位置放置。

[0018] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，所述耦合方程采用电磁场高频计算方法中的物理光学法建立。

[0019] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，所述带外抑制值采用实测结果，并对各个接收频段分别进行实际测量。

[0020] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(f)中，所述电磁场方程采用物理光学的计算方法建立。

[0021] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(g)中，根据所述电场强度分布图判断舱外超过限值的区域，并判断所述区域中的设备是否与大功率射频设备同时工作。

[0022] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(e)中，所述航天器舱体模型中的舷窗模型根据舷窗的材料和结构建立。

[0023] 根据本发明的一个方面，在所述步骤(g)中，采用电磁场矩量法中的多层快速多极子算法对舷窗进行仿真计算得出大功率射频设备泄漏至航天器舱内的电场强度分布情况。

[0024] 根据本发明的一个方案，通过分别判断大功率发射设备的基波或其二、三次谐波是否直接落入其它射频接收设备频带内，以及大功率射频设备是否与其它发射频点线性组
合产生新的频率并落入射频设备接收频带内。这样可以有效的判断出大功率射频设备产生
的干扰信号是否落入载人航天器其它接收通带内。

[0025] 根据本发明的一个方案，对于落入接收设备频带中的频率，需计算安全裕度。首先按照载人航天器实际构型建立电磁兼容性三维仿真模型，大功率射频发射天线及其它射频接收天线均按照航天器中实际安装位置进行放置。并基于该模型建立天线与航天器载体之
间的耦合方程，得到大功率发射天线方向图受到舱体的反射、绕射等因素影响后的实际辐
射特性。进而得到大功率射频辐射源与各接收源之间的天线隔离度数值。然后根据大功率
射频设备的发射功率和天线隔离度，计算大功率射频设备到达接收设备处的信号强度，并
与接收设备灵敏度进行比较，最终计算出大功率发射设备与载人航天器中各接收设备间的
安全裕度。这样的安全裕度计算方式考虑到航天器舱外设备布局、不规则形状、金属障碍物等对电磁场环境产生的影响，而不仅是进行简单的估算。因此，相较于现有技术而言，本发明可以对发射和接收设备间的安全裕度进行有效的预测。

[0026] 根据本发明的一个方案，利用建模仿真的方式分析出航天器舱外的电场分布，然后识别出哪些设备处在电场强度超过限值的区域中，从而可以判断出大功率射频设备的电
场对航天器设备的真实影响。其中，舷窗的模型根据其材料和结构建立，并对其进行仿真，得出大功率射频设备透过舷窗进入航天器舱体内的电场分布，从而可以判断大功率射频设
备的电场对航天员的真实影响。这种建模仿真的方式不受试验场地限制，可以反应大功率
射频射频产生的电场对航天器及航天员的真实影响，从而保证大功率射频设备在轨工作时
不会对航天器及航天员产生电磁干扰。
附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1是示意性表示根据本发明第一种实施方式的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法的流程图。

具体实施方式

[0029] 为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0030] 在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能
理解为对本发明的限制。

[0031] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

[0032] 图1是示意性表示根据本发明第一种实施方式的载人航天器中大功率射频设备电磁兼容性分析方法的流程图。如图1所示，本发明的分析方法首先对载人航天器中大功率射频设备与其它所有无线接收设备间的频率兼容性进行分析。主要分为两部分进行判断，其
一为大功率发射设备的基波或其二、三次谐波是否直接落入其它射频接收设备频带内；其
二为大功率射频设备是否与其它发射频点线性组合产生新的频点并落入射频设备接收频
带内。以下以载人航天器中三个射频设备为例进行说明，三个射频设备分别为大功率射频
设备D、小功率发射设备P和射频接收设备S。设定大功率射频设备D的发射频率为fd，二、三次谐波分别为2fd和3fd，带宽为Bd；小功率发射设备P的发射频率为fp，带宽Bp；而射频接收设备S的接收频率为fs，带宽Bs。首先确认大功率射频设备D的基波fd、二、三次谐波2fd、3fd是否直接落入射频接收设备S频宽fs±Bs内。然后确认大功率射频设备D与小功率发射设备
P的线性组合频率mfd+nfp是否落入射频接收设备S频宽fs±Bs内。并且，频率兼容性分析遍
历所有无线接收频带。利用上述步骤判断频率兼容性可以有效地判断出大功率射频设备产
生的干扰信号是否落入载人航天器其它接收通带内。

[0033] 上述频率兼容性分析完成后，若大功率射频设备产生的干扰信号确实落入接收设备的通带中，则需要从大功率接收设备到达接收设备处的信号强度进行计算，从而得出安
全裕度。首先，基于载人航天器三维模型及天线三维方向图并按照载人航天器实际构型建
立电磁兼容性三维仿真模型(即电磁兼容性三维仿真模型)。大功率射频设备的天线及其它
射频接收设备的天线均按照航天器中实际安装位置放置，从而保证所建立三维仿真模型具
备真实的电磁特性。基于所建立的电磁兼容性三维模型，采用电磁场高频计算方法中的物
理光学法(PO)建立各设备天线与航天器载体之间的耦合方程。得到大功率发射设备的天线
方向图受到航天器舱体的反射、绕射等因素影响后的实际辐射特性，进而得出大功率射频
辐射源与各射频接收源之间的天线隔离度数值。然后根据大功率射频设备的发射功率、接
收设备的带外抑制值以及隔离度计算出从大功率射频设备到达射频接收设备处的信号强
度。为保证得到的信号强度的准确性，在计算时也可考虑大功率射频设备的带外抑制值。随后，将信号强度与射频接收设备的灵敏度进行比较，计算出大功率射频设备与各射频接收
设备间的安全裕度(即信号的衰减量)，确认所得的安全裕度是否满足指标要求。为提高安
全裕度分析的准确性，带外抑制值均采用实测结果，并对各个接收频段分别进行实际测量。
由此，本发明的安全裕度充分考虑到航天器舱外设备布局、不规则形状、金属障碍物等对电磁场环境产生的影响，而不仅是进行简单的估算。因此，相较于现有技术而言，本发明可以对发射和接收设备间的安全裕度进行有效的预测。

[0034] 完成安全裕度的分析后，对大功率射频设备在整个航天器舱体上的电场强度分布情况进行仿真分析，确认大功率射频设备产生的电场是否对舱外布局电子设备及密封舱内
航天员工作区域产生影响。为了反映大功率射频设备的真实电场强度，本发明首先基于载
人航天器舱体模型及大功率射频设备三维方向图模型建立电场强度辐射分布的仿真模型。
然后以大功率射频设备为中心由近及远将航天器舱体划分多个区域。最后采用物理光学的
计算方法建立大功率发射天线与航天器载体间的电磁场方程，并通过仿真计算得出大功率
射频设备的电场强度分布图。

[0035] 得出电场强度分布图后，可以根据电场强度分布图以及对舱体划分的区域判断航天器舱体中的哪个区域的电场强度超过限值，进而能够确定这些电场强度超过限值的区域
中有哪些设备。随后判断这些设备是否会被大功率射频设备的电磁干扰。一般来讲，与大功率射频设备同时工作的设备会被其电磁所干扰，因此应对与大功率射频设备同时工作的设
备采取相应电磁防护措施。由此，上述通过建模仿真得出的电场强度分布图反映的是大功
率射频设备真实的发射功率产生的电场辐射，无需像地面试验时将发射功率降低，从而保
证了分析的准确性，有效地保护了航天器舱外设备免受大功率射频设备的电磁干扰。

[0036] 由于航天器舱体外壳具有较好的屏蔽作用，因此大功率射频设备产生的电场不会透过舱体外壳进入舱内。而作为非理想金属导体的舷窗却可以使大功率射频设备产生的电
场泄漏至舱内。因此应对舷窗进行仿真分析，判断大功率射频设备从舷窗传播至舱内的电
场强度。首先，在上述航天器舱体模型中，舷窗的模型根据舷窗的材料属性和结构建立，并采用电磁场矩量法(MOM)中的多层快速多极子(MLFMM)算法对其进行仿真，得出大功率射频
设备透过舷窗泄漏至舱内的电场分布情况。由此，可以判断出大功率射频设备产生的电场
对舱内的航天员的真实影响，从而能够有效地保护航天员不被大功率射频设备产生的电磁
所干扰。

[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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