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行測試或?qū)ふ乙恍┢h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 標準作為 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·韋伯太空望遠鏡 (JWST)，它是哈勃太空望遠鏡的替代品。JWST 預計將于 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，一旦進入軌道，就會展開。一個網(wǎng)球場大小的遮陽罩將使望遠鏡能夠在達到必要靈敏度所需的低溫下工作。望遠鏡的主鏡組件后面是集成科學儀器模塊（ISIM），其中包括四個科學儀器。McCloskey 和其他人負責確保 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 標準。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)重于電纜的串擾。

“當然，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該在集成儀器或航天器級別進行，而不是在單元級別進行測試。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首，”他說。“這可能需要對不同頻率的最高發(fā)射進行兩到三個測試。” 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)。計算機和科學儀器等非射頻設(shè)備必須與航天器一起正常運行。傳導發(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。電纜之間的串擾會導致信號耦合到非預期的系統(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準，而且要足夠低，以免破壞航天器的功能。

除了測試輻射/傳導發(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，“美國宇航局戈達德太空飛行中心的最新 EMC 標準”，2012 年 IEEE 電磁兼容性國際研討會論文集。

審核編輯 黃昊宇