Одной из наиболее важных характеристик ВЧ проектирования является коэффициент эффективности экранирования ВЧ соединений. Эффективность экранирования в условиях космического пространства невозможно контролировать, поэтому при создании космических аппаратов важно иметь метод эффективной оценки ВЧ соединений.
Настоящая работа описывает оригинальную методику проверки ВЧ соединений модуля полезной нагрузки космического аппарата на эффективность экранирования, то есть на электрогерметичность.
Ключевые слова: электрогерметичность, электромагнитная совместимость, радиоизмерения, космические аппараты, испытания
Под электрогерметичностью понимается устойчивость ВЧ соединений к внешним помехам, т. е. помехам оборудования космического аппарата, и собственное влияние создаваемых паразитных электромагнитных излучений ВЧ соединений на оборудование.
Оценка эффективности производится в два этапа: восприимчивость к внешним влияниям (RS) и собственное влияние на оборудование (RE).
Испытания на электрогерметичность производятся на этапе автономных испытаний, так как после стыковки с модулем служебных систем нет доступа к волноводным трактам и кабельной сети.
Перед проверкой необходимо провести измерения уровня спектральных составляющих помех. Данная процедура позволит убедиться в исправности оборудования и соответствии значений уровней промышленных помех на рабочем месте испытаний требуемому значению. Также следует произвести калибровку и на основе полученных значений рассчитать коэффициент усиления технологических коаксиально-волноводных переходов.
Проверка выходной секции на радиоизлучение (RE — radioemission, радиогерметичность) — первый этап. Сущность испытаний на радиоизлучение — определить напряженность электромагнитного поля внутри модуля полезной нагрузки на участке после усилителя мощности при низком уровне усиления, что позволяет получить максимальную энергетику полезного сигнала. Предельный уровень мощности помех — величина мощности утечки от ВЧ соединений оборудования модуля полезной нагрузки, которая рассчитывается для центральных выходных частот.
На следующем этапе производится проверка на радиовосприимчивость (RS- radiated susceptibility) входной секции. Измерения проводятся на высоком уровне усиления для обеспечения максимальной чувствительности к внешней помехе. С коаксиально-волноводного перехода подается внешняя помеха со смещением по отношению к несущей 100кГц, на выходе ретранслятора оценивается относительная величина помехового сигнала. Определяющей характеристикой для оценки электровосприимчивости является уровень мощности генератора, требуемый для создания необходимого уровня внешней помехи. Данная величина характеризует устойчивость к внешним помехам.
Методика испытаний ВЧ соединений на электрогерметичность позволяет определить коэффициент экранирования ВЧ трактов.
Введение. Космические системы передачи сигналов, как и любая беспроводная связь, базируются на ВЧ сигналах.
При передаче сигналов высокой мощности важен вопрос воздействия внешнего электромагнитного поля на оборудование модуля полезной нагрузки (МПН). В условиях космического пространства данная проблема особенно актуальна, по причине отсутствия возможности выполнения работ по ремонту неисправного оборудования.
Таким образом, электрогерметичность для МПН одна из важнейших характеристик. Использование методики оценки защищенности современной аппаратуры КА от факторов космического пространства и взаимного влияния оборудования КА необходимо для полной проверки готовности МПН к работе на орбите.
Определение понятия электрогерметичность. Электрогерметичность — это характеристика, определяющая экранирующие свойства ВЧ радиотракта, как с точки зрения влияния помех на работу оборудования (радиовосприимчивость, radiosensetivity, RS), так и с точки зрения создания оборудованием паразитного электромагнитного излучения (радиогерметичность, radioemission RE).
Спутниковые ретрансляторы подвергаются испытаниям RE/RS на этапе автономной отработки на заводе-изготовителе. Целью проведения данных испытаний является проверка коэффициента экранирования ВЧ соединений. В ходе испытаний проверяется соответствие эффективности экранирования ВЧ соединений, выполненных во время монтажа ВЧ трактов и оборудования РТР требуемой величине.
Описание методики. Для проведения проверки необходим предварительный этап контроля помеховой обстановки. В условиях отключенного оборудования МПН проводится измерение уровня спектральных составляющих помех. Полученные данные позволяют сделать вывод о исправности оборудования и уровнях промышленных помех на рабочем месте испытаний. В нормальных условиях полученное значение мощности не должно превышать -50 дБм (на входе анализатора спектра при использовании в качестве антенны коаксиально-волноводного перехода КВП).
Для получения достоверных результатов необходимо провести калибровку технологического оборудования (КВП и тестовые коаксиальные кабели).
Схема калибровки представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Испытательная схема для калибровки коаксиально-волноводного перехода
После получения значений потерь в кабелях
и 
рассчитывается коэффициент усиления по центральным частотам, он необходим для определения предельного уровня излучения для каналов МПН.
Расчет коэффициента усиления осуществляется по следующей формуле (на центральных частотах для каждого диапазона):
, (1)
где:
С — скорость света;
F — частота;
— мощность передачи =
-
;
— мощность на генераторе и — потери в коаксиале;
— мощность приема =
-
;
— мощность анализатора и — потери в коаксиале;
R — расстояние =1м.
Полученное значение для удобства дальнейших удобно перевести в децибеллы (дБ).
Испытания проходят в два этапа: проверка радиоизлучения и проверка радиовосприимчивости.
Проверка ВЧ соединений на радиоизлучение.
Первым этапом является проверка выходной секции на радиоизлучение (RE). Испытания на радиоизлучение проводятся на низком уровне усиления в режиме насыщения для обеспечения максимальной энергетике полезного сигнала. Фиксируются уровни сигнала, вблизи ВЧ соединений на участке тракта после усилителя мощности (УМ) (выходная секция ствола/канала).
На рисунке 2 представлена обобщенная схема испытательной системы для проведения RE испытаний на радиоизлучение.
Рис. 2. Общий принцип методики RE испытаний
Наихудший случай наблюдается при минимальном усилении и максимальной выходной мощности ствола/канала (в режиме насыщения УМ).
Процесс испытаний на радиоизлучение:
В первую очередь необходимо определить передающие антенны и панели МПН (на которых находится МПН). Когда известны передающие антенны и панели МПН, вычисляют напряженность поля на панелях МПН приходящее с рефлекторов антенн и затухание на панелях.
После этого необходимо рассчитать мощность с каждой панели КА. Полученные данные позволяют произвести расчет коэффициента эффективности.
— коэффициент эффективности экранирования панели МПН;
— коэффициент затухания внутри конструкции МПН;
— мощность внутри конструкции МПН;
Связь между входной мощностью, мощностью панели МПН и коэффициентом эффективности панели МПН:
Коэффициент затухания используется для расчета напряженности ЭМП внутри конструкции МПН.
На рисунке 3 представлена схема испытаний МПН на RE.
Рис. 3. Схема подключения оборудования для испытаний на ВЧ излучение (RE)
Под выходной секцией РТР понимаются ВЧ тракты БРТК от входных канальных усилителей до выходных направленных ответвителей (WOC).
МПН — состоит из металлического корпуса, имеющего большие размеры по сравнению с длиной волны электромагнитного поля интерференции для микроволнового диапазона волн. Электромагнитная среда внутри модуля МПН обусловлена габаритами и параметрами оборудования.
Таким образом, анализ результатов RE испытаний заключается в определении напряженности поля внутри МПН, по средствам определения значения величины мощности побочной утечки от ВЧ оборудования с МПН, учитывая геометрические и электрические характеристики.
Измерение уровня мощности помехи для RE испытаний целесообразно производить на центральной частоте канала. Данное измерение проводятся с целью определения качества ВЧ соединений выходной секции РТР.
Порядок испытываемых ВЧ соединений, входящих в состав определенной конфигурации, определяется путем следования от выхода УЛБВ до выходного интерфейса БРТК, иначе код конфигурации.
Предельный уровень излучения, фиксируемый АС , дБм рассчитывается для центральных выходных частот БРТК в соответствии с формулой:
(2)
где:
— предельное показание анализатора спектра, дБ;
— пороговая напряженность электрического поля на расстоянии в 1 метр до тестируемого разъема, дБмкВ/метр;
— коэффициент усиления КВП, дБ;
— выходная частота канала, МГц;
— потери в коаксиальном кабеле, дБ;
— потери в пространстве.
Расчет для разных диапазонов проводится отдельно, по причине различных значений затухания в кабеле и усиления КВП G.
Проверка ВЧ соединений на радиовосприимчивость.
Второй этап включает в себя проверку входной секции на радиовосприимчивость (RS- radiated susceptibility). На данном этапе следует использовать высокий уровень усиления для обеспечения максимальной чувствительности к внешней помехе.
Испытаний RS необходимо проводить в линейном режиме.
Для обеспечения сохранности оборудования целесообразно выдерживать дистанцию от КВП до тестируемого соединения порядка 15 см, таким образом, одновременно исключается вероятность повреждения тестируемого оборудования и обеспечивается достаточная чувствительность.
,(3)
где Е — напряженность электрического поля на расстоянии в 15–30 см до тестируемого разъема.
Внешняя помеха с КВП подается со смещением на 100кГц относительно несущей, для возможности оценки отношения помехи к несущей частоте на выходе РТР.
На рисунке 4 представлена обобщенная схема испытательной системы для проведения RS испытаний на радиовосприимчивость.
Рис. 4. Общий принцип методики RS испытаний
При формировании требования к RS к предельно допустимому расчетному значению следует прибавить системный запас порядка плюс 6 дБ.
Расчет ЭИИМ проводится для ВЧ соединений входной секции, т. е. для соединений, расположенных между направленными ответвителями и входами усилителей мощности.
На рисунке 5 представлена схема испытаний МПН на RS.
Рис. 5. Схема подключения оборудования для испытаний на ВЧ восприимчивость (RS)
Под входной секцией РТР понимаются ВЧ тракты от входных направленных ответвителей до входов в УМ.
В состав входной секции РТР входят следующие приборы:
‒ входные направленные ответвители;
‒ приемники;
‒ комплект входных и канальных фильтров (входных мультиплексоров);
‒ комплект ВЧ кабелей и волноводов;
‒ МШУ и понижающие конверторы;
‒ комплект ВЧ переключателей.
Порядок испытываемых на ВЧ восприимчивость ВЧ трактов, входящих в состав конфигурации определенного ствола, определяется путем следования от направленного ответвителя данного ствола до входа УЛБВ.
Уровень мощности генератора, требуемый для создания необходимого уровня внешней помехи определяется как:
,(4)
где:
Е — электрическое поле, подаваемое на испытываемое ВЧ соединение, В/м;
— потери в коаксиальном кабеле, дБ;
G — коэффициент усиления КВП, дБ.
Расчет по формуле (4) следует выполнить отдельно для разных диапазонов, учитывая различные значения затухания в кабеле и усиления КВП G.
Оценка результатов измерений проводится путем сравнения полученных значений с предельно допустимыми для оборудования, входящего в состав МПН.
В случае если полученные значения не удовлетворяют требованиям, необходимо произвести проверку моментов затяжки, и когда требуется произвести затяжку на ¼ оборота. По итогам данной процедуры принимается решение о необходимости очистки контактов. Волноводный стык разбирается, спиртом или ацетоном промываются фланцы. Дальнейшая подстыковка производится с заменой контактной прокладки и пружинных шайб на новые.
Разработанная методика позволяет на этапе автономных испытаний МПН сделать вывод о электрогерметичности МПН, исключив, таким образом, паразитное взаимное влияние активного оборудования.
Литература:
- Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ / Под ред. А. Д. Фортушенко. — М.: Связь, 1970.—331 с.
- Регламент радиосвязи. Т.). —М.: Радио и связь, 1985. — 509 с; Т. 2.—М.: Радио и связь, 1986. — 752 с.
- Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. — М.: Сов. радио, 1967. —678 с.
- Бородич С. В. Искажения и помехи в многоканальных системах радиосвя¬зи с ЧМ. — М.: Связь, 1976. — 256 с.
- Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. — М.: Сов. радио, 1969.
- Бородич С. В. Расчет помех, вызванных мешающими сигналами в системах передачи «один канал на каждой несущей»//Тр. НИИР. — 1982. — № 4.—С. 5–12.
- Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Сов. Радио, 1977. — 607 с.
- Немировский М. С. Цифровая передача информации в радиосвязи. — М.: Связь, 1980–256 с.
- Международное космическое право / Под ред. А. С. Пирадова. — И.: Межд. отношения, 1985. — 205 с.
- Кантор Л. Я., Тимофеев В. В. Спутники связи и проблемы ГО. — М.: Радио и связь, 1987. — 167 с.
- Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. — М.: Связь, 1979. — 592 с.
- Большаков, Д. А. Исследование сопротивления связи экранирующих материалов / Д. А. Большаков // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева — Красноярск: СибГАУ. — 2010. — вып. 6(32) — С. 74–77
- Большаков, Д. А. Разработка системы для исследования ЭМС бортовой кабельной сети КА / Д. А. Большаков // Х Королевские чтения: Всерос. молодежная науч. конф. с междунар. участием (6–8 октября 2009, г. Самара). — Самара: Самар. гос. аэрокосмич. ун-т, 2009. — С. 48–49.
- Бурдуковская Н. Н. Современные технологии передачи данных в спутниковых сетях связи / Н. Н. Бурдуковская // Международная научно-практическая конференция, посвященная празднованию 55-летия Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева г. Красноярск том № 1 / 2015. — с. 234–236.
