卫星无线传能系统主动电场屏蔽效能分析

2021-06-25张玉廷王振兴董亚凯刘治钢

宇航学报 2021年5期

张玉廷，王振兴，董亚凯，刘治钢

(1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2. 北京市电磁兼容与天线测试工程技术研究中心，北京 100094)

0 引言

能源系统是卫星的重要组成部分，不断有新技术被提出来以提升卫星的供配电系统性能[1]。无线电能传输技术由于能量传输过程不需要传统的设备间传输导线，提高了供电方式的便捷性，近年来得到了越来越多的关注和研究[2-3]。近场无线传能为卫星性能及可靠性的提升提供了支撑[4-7]，技术优势主要表现在两方面：1)近场无线传能使得功率传输无缆化成为可能，在一定程度上能减小卫星上电缆的重量，提高供配电的灵活性，从而可使卫星获得额外的重量资源以装备更多的任务载荷，实现更多或更强的功能；2)对于诸如深空探测、取样返回等卫星任务，为保证不影响探测或取样对象，期望尽可能少的与被探测或取样对象直接接触，无线传能技术使得该期望成为可能。

由于近场无线传能技术通过电磁场或电磁波实现能量的传输，不可避免的会对系统的电磁兼容性造成影响，电磁辐射影响也成为无线传能技术的研究重点[8-12]。对于电磁辐射的控制，主要通过相应的屏蔽技术来实现[13-16]，文献[17]和文献[18]分别研究了电屏蔽和磁屏蔽对电磁辐射的影响，是其中比较有代表性的工作。对于卫星应用而言，一方面上述研究主要采取被动屏蔽方式提高屏蔽效能(Shielding effectiveness，SE)，这种增加屏蔽体的方式因会增加无线传能系统的重量，从而会降低其对于重量有严重控制要求的卫星应用的吸引力；另一方面，上述研究一般主要对磁场或谐振基频的屏蔽进行研究，而大部分卫星更关注的是对电场辐射的控制，并且控制频率是包括谐振频率的宽频段，单频点磁场屏蔽不能满足卫星电磁兼容性的应用需求。

基于上述问题，本文针对近场无线传能系统的主动屏蔽方式[19-20]，研究了屏蔽效能分析方法，建立了近场无线传能主动屏蔽系统的压控电压源等效电路模型及等效屏蔽效能计算方法。通过仿真分析，证明所建模型及方法可对空间点和面位置的电场辐射进行宽频段的分析，从而可得出相应的等效屏蔽效能。同时对一无线传能系统进行了试验研究，通过测量对比其在采用主动屏蔽前后的30～100 MHz电场辐射，获得了等效屏蔽效能并验证了分析方法。相关方法可为主动屏蔽方式的设计实施提供参考。

1 电场屏蔽效能分析

1.1 主动屏蔽防护模型

对近场无线传能系统的电磁屏蔽，除采用增加屏蔽壳体的厚度或改变屏蔽壳体的材料外，还可以通过采用一个电流方向与近场无线传能系统电流方向相反的线圈以实施主动电磁屏蔽。由于电流方向相反，由电磁场定律可知，增加的线圈产生的空间电磁场与无线传能系统产生的电磁场方向相反，从而可以实现等效的电磁屏蔽。基本的主动屏蔽示意图如图1所示。此时，在空间S中的电场分布是由近场无线传能系统的源边产生的电场ES、负载边产生的电场EL和主动屏蔽线圈产生的电场Ei的叠加。

图1 主动屏蔽示意图Fig.1 Active shielding configuration

对于图1所示的主动屏蔽线圈产生的磁场，在一定程度上会减小无线传能系统中的感应磁场，从而会降低无线传能效率。因此在设计主动屏蔽线圈时，除要对所关注的位置及频率的电磁辐射进行屏蔽外，还要注意尽量减小对无线传能系统线圈中的磁通量影响。此时可采用图2所示的改进的主动屏蔽方式。在文献[20]中更是将主动屏蔽线圈等分为两个半环线圈以降低对传能效率的影响。

图2 改进的主动屏蔽示意图Fig.2 Improved active shielding configuration

对于图2所示的主动屏蔽方式，如果将主动屏蔽环分为N个扇形环，则带有主动屏蔽方式的无线传能系统等效电路如图3所示。

图3 等效电路Fig.3 Equivalent circuit

图3中，VS为源边的激励电压，rS为源边内阻，RS和LS分别为源边线圈电阻和自感，IS为源边电流。rL为负载电阻，RL和LL分别为负载边线圈电阻和自感，IL为负载边电流。Vi为第i个主动屏蔽扇形环的激励电压，Ri和Li分别为其中线圈的电阻和自感，Ii为其中的电流。M表示各线圈之间的互感。C及下标表示对应各边为实现谐振所设计的电容。

1.2 电场辐射分析

对于图3所示的等效电路，其系统方程为：

(1)

式中：

(2)

由图1可知，空间电场E是由无线传能系统与主动屏蔽部分产生电场辐射的矢量叠加，即：

(3)

式中：Ei表示无线传能和主动屏蔽中第i个线圈产生的辐射电场。

将空间的电场辐射与电路中的电流以一传输矩阵T(x,y,z)=[x,y,z]·[tx,ty,tz]T联系起来，有：

Ei(x,y,z)=Ti(x,y,z)Ii

(4)

式中：Ii表示式(1)中的电流矩阵中的元素。

于是，在直角坐标系中，空间(x,y,z)处的电场幅值E(x,y,z)可表示为：

(5)

屏蔽的目的是为使得空间电场尽可能小，通过设计主动屏蔽得到minE(x,y,z)]。对于在空间某个位置的方向矢量p=(px,py,pz)，理想情况下期望：

(6)

于是，根据式(1)可得：

(7)

式(7)表明，存在一组系数α，使得：

-α1V1-α2V2-…-αNVN=VS

(8)

即通过调整主动屏蔽线圈的激励电压，可实现空间某个位置辐射电场的有效衰减。其中α为：

[α]=[P][T][Z]-1

(9)

不失一般性，同时在卫星应用中，通常要求限制的是某个面的电场辐射，而非某个点的电场辐射。若所要控制电场辐射平面S的切向量为n，则由式(3)和式(4)可得空间辐射电场为：

(10)

令：

(11)

为使平面S的电场辐射尽可能小，理想情况下使得：

(12)

式(12)表明，存在一组系数β，使得：

-β1V1-β2V2-…-βNVN=VS

(13)

即通过调整主动屏蔽线圈的激励电压，可实现空间某个面辐射电场的有效衰减。其中β为：

[β]=[ρ][Z]-1

(14)

通过式(8)和式(13)设置主动屏蔽线圈的激励电压，由式(7)和式(12)的等式左侧可计算空间电场辐射。

1.3 主动屏蔽防护效能分析

式(8)和式(13)表明，主动屏蔽线圈的激励电压可与无线传能系统的电压源相关联，即屏蔽线圈的激励电压源可采用一个由无线传能系统电压源控制的压控电压源。实际工程应用过程中，为简化系统设计，主动屏蔽线圈通常设计为等分尺寸，每个线圈的电压相同，此时图3所示的等效电路可表示成图4所示的形式。其中Ra和La分别为主动屏蔽线圈的电阻和自感，Ca为电容。

图4 压控电压源等效电路Fig.4 Voltage controlled voltage source equivalent circuit

此时，为求空间某个位置和某个面的辐射电场的电路方程为：

(15a)

(15b)

空间电场辐射幅值为：

(16a)

(16b)

则等效电磁屏蔽效能可由下式计算：

(17a)

(17b)

式中：KP和KS分别为对应空间某个位置和某个面的屏蔽效能。

对于所关注频率的屏蔽效能，可对源电压VS做傅里叶变换，根据所关注频率处的电压分量按照上式可得到对应的等效屏蔽效能。

2 分析验证

为验证第1节所述的方法，建立分析验证模型，其中无线传能系统线圈半径为50 mm，间距为50 mm，线圈为10匝，谐振频率为85 kHz。主动屏蔽线圈内径为180 mm，外径为350 mm。

在平行于线圈所在平面上，垂直距离为500 mm处，分析屏蔽效能，结果如表1所示。其中压控系数α为0.28，分析频率为85 kHz。

表1 不同位置屏蔽效能分析结果Table 1 SE analysis results in on different positions

从表1的分析结果可知，第1节所述的方法可对主动屏蔽方式的等效屏蔽效能进行有效分析。在所分析的四个位置，屏蔽效能大于15 dB。同时系统传输效率降低2.2%。相对系统效率减小所带来的屏蔽效能优化，证明主动屏蔽方式是有效和可行的。

在垂直于线圈所在平面上，距离线圈500 mm处，分析所在平面的屏蔽效能，分析结果如图5所示。其中压控系数β为0.05，分析频率为85 kHz。

图5 系数0.05时85 kHz屏蔽效能分析结果Fig.5 SE analysis result at 85 kHz with β=0.05

由图5可知，在所分析平面上，等效屏蔽效能在5～30 dB，相应系统传输效率降低1.9%。

优化压控系数β为0.29，分析结果如图6所示。对比图5和图6可知，通过调整压控系数，屏蔽效能可以提升3～10 dB。相应的系统传输效率降低2.6%。因此，在实际应用中，可以根据所要控制位置的辐射电场强度，以及系统传输效率的允许降低程度，调整压控系数以改变等效屏蔽效能。

图6 系数0.29时85 kHz屏蔽效能分析结果Fig.6 SE analysis result at 85 kHz with β=0.29

将源电压做傅里叶变换，得到30 MHz和100 MHz的电压分量，分析屏蔽效能如图7所示。

图7 不同频率的屏蔽效能Fig.7 SE of different frequencies

由图7可知，通过获取所要分析频率的电压源分量，可对所要关注频率的屏蔽效能进行分析。同时也说明主动屏蔽方式可在较宽的频带内实现对空间辐射电场的屏蔽，这将适用于卫星的应用需求。

3 试验验证

为验证相关方法，对一无线传能装置进行测试。测试场地为标准电磁兼容性实验室，被测无线传能设备功率为100 W，电压为42 V，频率为300 kHz。主动屏蔽线圈内径为150 mm，外径为250 mm的环形。测试现场如图8所示。测试方法及测试系统按照GJB151B-2013中RE102的测试要求执行和布置。在距离被测设备1 m远处进行电场辐射发射测试。

图8 测试照片Fig.8 Test graph

测试频段为30～100 MHz，分别在不采用和采用主动屏蔽的方式下进行电场辐射测试，测试结果如图9所示。

图9 电场辐射测试结果Fig.9 Electric field radiation test results

从测试结果来看，在所测试的30～100 MHz频段内，除在57～63 MHz采取屏蔽后的电场辐射略高于未屏蔽后的电场辐射，以及90～100 MHz电场辐射量级相当外，在其他频段，主动屏蔽方式起到了较好的屏蔽效果，尤其是对系统中一些显著频点的电场辐射进行了抑制。从总体效果来看，主动屏蔽措施可以提高设备的电磁兼容性能。表2中给出了典型频点屏蔽效能试验和分析对比结果。

表2 屏蔽效能分析和试验对比Table 2 SE analysis and test comparison

相对测试结果，分析得到的等效屏蔽效能偏大，主要原因来自于分析时未考虑主动屏蔽电路引入的附加电场辐射，以及未考虑系统其它部分的电场辐射情况。从对比结果来看，分析结果与测试结果的误差在4.6 dB以内，满足相关电磁兼容性标准中分析相对试验6 dB裕度的要求[21]，因此分析方法可以满足工程应用需求。

图9中，对于主动屏蔽未发挥明显作用的两个频段，主要原因是系统增加相关的电路后，会引入额外的电场辐射，从而造成等效屏蔽效能的下降。这是采用主动屏蔽设计所带来的一个代价。系统在设计时，应充分考虑额外增加的电磁辐射频段不要与卫星射频接收频段重合。主动屏蔽带来的另一个代价是会抵消近场无线传能线圈中的磁通量，造成系统效率降低。在测试过程中发现，采用主动屏蔽后，近场无线传能效率会由90%下降到87.7%。为评估主动屏蔽设计代价对卫星的影响，验证了传统的无源屏蔽对改善近场无线传能系统电磁辐射的作用。通过采用近场探头测试发现，图8所示的近场无线传能装置的电磁辐射主要来自于接插件及电缆的电磁辐射，因此对除功率线外，其它各接插件及电缆采用双面镀铝聚酰亚胺膜屏蔽包覆。为确保供电安全性，卫星上功率电缆一般不允许额外做屏蔽处理。屏蔽后的测试对比结果如图10所示。

图10 无源屏蔽辐射对比结果Fig.10 Radiation comparison results of passive shielding

从结果来看，在30～100 MHz频段内很难通过无源屏蔽的方式降低系统的电磁辐射。在卫星实际电磁干扰抑制中也发现，低频段的电磁辐射很难单纯通过无源屏蔽的设计来抑制。而在诸如深空探测等应用近场无线传能系统的卫星，往往会配置高灵敏度的低频探测系统。此时，为确保系统在良好的电磁环境中工作，降低对其电磁干扰的几率，采用主动屏蔽设计方式是有效的，所付出的代价是可以接受的。