箭載應(yīng)答機飛行過程中的低氣壓放電及防護

李 軍，鄒 驥，李 鑫

（1. 中國西南電子技術(shù)研究所，成都，610036；2. 成都天奧電子有限公司，成都，610036）

箭載應(yīng)答機飛行過程中的低氣壓放電及防護

李 軍1，鄒 驥2，李 鑫1

（1. 中國西南電子技術(shù)研究所，成都，610036；2. 成都天奧電子有限公司，成都，610036）

某新型應(yīng)答機內(nèi)部腔體雙工器在飛行過程中出現(xiàn)放電現(xiàn)象，經(jīng)過分析及試驗驗證，確認放電原因為氣體密度降低導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)體之間的擊穿電壓降低（低氣壓放電）。利用Ansoft HFSS場仿真軟件和Ansoft designer電路仿真軟件，采用場路結(jié)合的方法，對該雙工器發(fā)射通路內(nèi)部的電場強度進行建模仿真計算，根據(jù)仿真計算結(jié)果，給出適應(yīng)工程化應(yīng)用的加固處理方法。

應(yīng)答機；低氣壓放電；加固防護

0 引 言

某新型雙頻測速應(yīng)答機是中國新一代用于外彈道測量任務(wù)的箭載連續(xù)波體制外測產(chǎn)品，自首飛以來，已參加了多次靶場飛試，從系統(tǒng)測量的角度來看，歷次飛行均圓滿完成了測量任務(wù)。

在某次任務(wù)的事后數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)過仔細分析，發(fā)現(xiàn)火箭起飛約225 s后，表征應(yīng)答機輸出功率大小的功率遙測參數(shù)出現(xiàn)了約1 V左右的下降，該現(xiàn)象持續(xù)約30 s后恢復(fù)正常，一直到飛行結(jié)束該異?，F(xiàn)象未再次出現(xiàn)。另一方面，通過對該時間段內(nèi)地面雷達站的接收信號指示電壓進行判讀，可以確認在上述時間段內(nèi)應(yīng)答機的輸出功率確實出現(xiàn)了約10 dB的下降。由于系統(tǒng)設(shè)計余量較大，地面雷達站在應(yīng)答機功率下降的情況下仍能夠正常完成跟蹤任務(wù)。

經(jīng)過大量仿真計算和試驗驗證，可以確定導(dǎo)致應(yīng)答機在飛行過程中出現(xiàn)輸出功率下降的原因是內(nèi)部微波腔體雙工器在該時間段內(nèi)出現(xiàn)了低氣壓放電現(xiàn)象，使得射頻輸出端口插損增大，輸出功率下降。本文對放電原因進行了分析并給出了設(shè)計加固和檢驗措施。

1 放電模式的確定及驗證

根據(jù)彈道飛行數(shù)據(jù)，當彈上應(yīng)答機輸出功率發(fā)生異常時，火箭飛行高度約為120～136 km，該高度所對應(yīng)的氣壓值在1.8×10-3～8.39×10-4Pa之間。從高度值來看，主要屬于微放電作用區(qū)域，但在工程應(yīng)用上也存在低氣壓放電的實際案例。由于這2種放電模式的機理存在較大差異，同時發(fā)生的可能性不大，因此需要對所懷疑的放電模式進行確定。

1.1 微放電模式。

微放電又稱電子倍增擊穿，是發(fā)生在高真空條件下、大功率微波元器件或組件內(nèi)部的射頻擊穿現(xiàn)象。發(fā)生該現(xiàn)象需滿足以下幾個條件：a）高真空環(huán)境，氣壓低于6.65 Pa；b）射頻（微波）電場（功率）大于閾值；c）穿越電極和縫的電子渡越時間等于射頻場半周期或半周期的整數(shù)倍，在兩極表面雪崩似地產(chǎn)生二次電子；d）電極表面材料二次電子發(fā)射系數(shù)大于1。

某型應(yīng)答機在飛行過程中出現(xiàn)異常時，其飛行高度在120～136 km之間，僅從外部氣壓值來看，屬于比較典型的微放電區(qū)域，確存在出現(xiàn)微放電的可能。但另一方面，由于其內(nèi)部腔體雙工器采用了整體鋁銑腔體加蓋板的設(shè)計方式，并且蓋板螺釘較多，本身具有一定的密封性，存在“慢漏氣”的現(xiàn)象，即在火箭上升飛行，外部氣壓快速變化的情況下，腔體內(nèi)部氣壓并不會同步快速降低（即雙工器內(nèi)外部氣壓變化不一致，已通過漏氣率測試得到驗證），因此在飛行高度達到微放電區(qū)域時，其內(nèi)部氣壓還較高。

另一方面，根據(jù)目前工程上進行微放電功率閾值計算時所使用的歐洲太空局技術(shù)中心提供的經(jīng)典計算公式，采用鍍銀腔體的雙工器對應(yīng)于產(chǎn)生微放電的功率閥值為

式中P為閾值下限功率；f為工作頻率；d為內(nèi)部導(dǎo)體間距離；Z為阻抗。

根據(jù)應(yīng)答機所采用的腔體雙工器的設(shè)計調(diào)試情況，f=5.3 GHz；d=0.2 mm；Z=50 ?，據(jù)此可計算出：

從式（2）可以看出，應(yīng)答機雙工器出現(xiàn)微放電的閾值功率為17.04 dBW，而應(yīng)答機的實際最大輸出功率僅為0 dBW，遠小于微放電模式所需的功率閾值，不具備產(chǎn)生微放電的可能。

1.2 低氣壓放電模式[1,2]

低氣壓放電又稱日冕放電擊穿，一般認為它是殘留氣體中的自由電子因微波功率激發(fā)獲得能量產(chǎn)生等離子體，繼而引起放電，其過程、機理都比微放電復(fù)雜。在常壓下，由于氣體分子密度大，氣體電離后的帶電離子在電場作用下受到的阻力也大，因此氣體擊穿所需的電壓也高，隨著氣壓的降低，氣體密度的減少，要使氣體擊穿所需的電壓也隨之降低，而當氣壓進一步降低，氣體密度進一步的減小，氣體分子被電離的可能性也就減少，氣體擊穿所需的電壓反而又有提高。因此，氣體擊穿電壓U是關(guān)于氣壓P和距離d的函數(shù)。這種U和P，d之間的關(guān)系曲線叫做帕邢曲線，可用圖1定性表示。從圖1可以看出，與微放電現(xiàn)象相比，低氣壓放電的氣體擊穿電壓存在一個最小值，約為66 Pa·cm[3]。

考慮到應(yīng)答機內(nèi)所采用的雙工器采用了諧振腔設(shè)計，而在傳輸相同功率的情況下，高Q值（品質(zhì)因素）諧振腔內(nèi)部的電壓要遠高于傳輸線上的電壓，在這種情況下，不能以常規(guī)思維認為僅在較大功率注入的情況下（5 W以上）才會產(chǎn)生低氣壓放電的情況。

1.3 試驗驗證

為進一步驗證關(guān)于放電模式的分析，采用低氣壓試驗對應(yīng)答機內(nèi)所采用的雙工器進行專項考核?？紤]到異?，F(xiàn)象出現(xiàn)的機率，為充分驗證設(shè)雙工器的設(shè)計能力，共抽取了5只產(chǎn)品進行試驗，采用工程上通用的增大3 dB饋入功率的方式進行考核。

試驗情況如表1所示。

表1 低氣壓試驗情況

從對雙工器單獨開展低氣壓試驗的情況來看，參試的5只產(chǎn)品中有1只在低氣壓試驗中出現(xiàn)了明顯的插損增大情況，出現(xiàn)插損增大時對應(yīng)的高程約為80～110 km。

將在試驗中出現(xiàn)插損增大情況的雙工器開蓋進行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在功率饋入端第1級有明顯的放電后留下的燒蝕痕跡，具體位置如圖2箭頭所示。

從試驗結(jié)果來看，5只參試產(chǎn)品中有1只在低氣壓環(huán)境下出現(xiàn)放電情況，說明該型雙工器確實存在低氣壓下適應(yīng)能力不足的缺陷，設(shè)計值臨界，這也驗證了之前的分析：由于該型微波雙工器的工作頻率較高，諧振腔內(nèi)部調(diào)諧螺釘與內(nèi)導(dǎo)體之間距離的設(shè)計值本身就較小，而由于調(diào)試時個體差異的存在，個別雙工器在調(diào)試時需要將調(diào)諧螺釘調(diào)得更深，從而導(dǎo)致調(diào)諧螺釘與內(nèi)導(dǎo)體距離偏小，容易出現(xiàn)低氣壓放電現(xiàn)象。

2 加固改進及驗證措施

由于氣體密度降低導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)體之間的擊穿電壓降低，腔體濾波器發(fā)生低氣壓放電現(xiàn)象，對于增強類似腔體結(jié)構(gòu)器件對低氣壓環(huán)境下適應(yīng)能力，工程上可采取的措施很多，除了工藝方法加嚴控制外，更多還需要從設(shè)計上加強工作，最常用的有以下幾種方法[4]：

a）增大腔體內(nèi)部空間：使內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體（調(diào)諧螺桿、調(diào)諧螺釘）之間保持足夠的安全距離，但由于產(chǎn)品小型化設(shè)計要求日益提高，單純保持安全距離的方法已很難滿足產(chǎn)品設(shè)計的總體要求；

b）密封設(shè)計：對濾波器進行密封處理，使濾波器內(nèi)的氣體密度不隨外部氣壓的變化而變化，這種方法為了采用焊接或激光封焊密封的措施，需要對濾波器體積加以擴大以留出焊接的空間；

c）介質(zhì)填充：在濾波器內(nèi)部導(dǎo)體之間填充介質(zhì)，也能增強濾波器的低氣壓環(huán)境適應(yīng)性，這種方法一般應(yīng)用在結(jié)構(gòu)緊湊的濾波器設(shè)計中，由于介質(zhì)的密度不隨外部氣壓的變化而變化，從而保證了其擊穿電壓不隨外部氣壓的變化而變化，因此，即使氣體密度降低，產(chǎn)品也不會出現(xiàn)低氣壓放電現(xiàn)象。

上述3種方法都可以用來對雙工器的設(shè)計進行改進，但前2種方法需要對雙工器的設(shè)計方案做出較大改動，甚至可能需要對結(jié)構(gòu)外形作出調(diào)整，對于成熟產(chǎn)品并不適用。

根據(jù)技術(shù)指標要求，箭載應(yīng)答機單次飛行時長不超過60 min，在這種長度的時間段內(nèi)，采用“抗放電”設(shè)計，盡量降低放電效應(yīng)對電性能的影響，易于“消除放電”的設(shè)計方式。而比較各種“抗放電”設(shè)計的思路，采用介質(zhì)局部填充則是一個效費比較高的方法。

在這種思路牽引下，利用Ansoft HFSS場仿真軟件和Ansoft Designer電路仿真軟件，采用場路結(jié)合的方法，對該雙工器發(fā)射通路內(nèi)部的電場強度進行建模仿真計算[5,6]：

a）進行場處理，在Ansoft HFSS仿真軟件中建立單腔諧振器模型，本征模式，源因子為1，即1 W；計算出本征模式下的單個諧振器最大電場強度Emax_HFSS為0.634 49 V/m，如圖3所示。

利用 Ansoft HFSS場計算器計算單腔峰值儲能Wp_HFSS=2.15687694258738× 10-20J 。

腔體結(jié)構(gòu)固定以后，結(jié)構(gòu)系數(shù)ξ為常數(shù)，它表明電場最大值的平方與儲能具有線性關(guān)系：

b）利用 Ansoft Designer 微波電路仿真軟件進行電路處理。

1）建立帶通濾波器KQ值電路原型。

2）設(shè)置激勵源Pin=1 W，仿真獲得幅頻響應(yīng)特性，如圖5所示，每腔儲能，如圖6所示。

可以獲得諧振腔最大儲能為Wp_designer=4× 10-9，計算端口激勵功率與諧振腔最大儲能之間的比例系數(shù)：

3）常壓下承受功率計算[7,8]。

考慮加工制造因數(shù)，干燥空氣擊穿電場強度取值為1.3×106V/m，有：

式中η為比例系數(shù)；ξ為結(jié)構(gòu)系數(shù)；Ep為擊穿場強度。

4）最大場強預(yù)計值。

Pmax=1 W輸入時最大場強預(yù)計值：

得到內(nèi)部場強的最大值約2.732×105V/m。對放電區(qū)域采用介質(zhì)局部填充，由于聚四氟乙烯電場擊穿強度為17×106V/m，且該值不隨氣壓的變化而降低，可以有效抵御放電效應(yīng)的影響。同時聚四氟乙烯材料本身的介電常數(shù)較低，對雙工器的電氣指標影響很小。

經(jīng)過綜合分析，對該型雙工器采取了如下的改進措施：a）圓形內(nèi)導(dǎo)體及耦合螺釘均套上圓柱形介質(zhì)護套；b）窗口的底部添加介質(zhì)塊，其寬度與耦合螺釘?shù)慕橘|(zhì)套外直徑相當，并由耦合螺釘?shù)慕橘|(zhì)護套將其壓住，不會移動。

經(jīng)過加固后的產(chǎn)品如圖7所示。

通過上述處理，有效提升了放電敏感區(qū)域的抗擊穿電場強度，可在任務(wù)要求的低氣壓工作時間段內(nèi)保證腔體濾波器的電性能穩(wěn)定性。同時，為確保措施的有效性，對采取加固措施后的雙工器抽樣10只產(chǎn)品（含改進后的故障件）按前述條件開展試驗，未出現(xiàn)異常。

3 結(jié)束語

低氣壓放電作為一種復(fù)雜的空間物理現(xiàn)象，一旦發(fā)生，將對產(chǎn)品的電氣性能造成重大影響甚至導(dǎo)致?lián)p壞，消除或降低低氣壓放電的影響，對箭載應(yīng)答機順利完成測控任務(wù)具有重要意義。本文結(jié)合工程實際案例所提出的“抗低氣壓”設(shè)計加固思路，從工程理念到仿真、實現(xiàn)、試驗驗證手段均具有較強的可借鑒性。

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Prevention of Low Pressure Discharge for Rocket Responder

Li Jun1, Zou Ji2, Li Xin1
(1. Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu, 610036; 2. Chengdu Spaceon Electronic Co.Ltd, Chengdu, 610036)

A discharge Phenomena occurred during the flight of a new type transponder with a duplex cavity fixed inside. After analysis and experimental verification, the discharge is caused by low pressure when the gas density reduction makes the breakdown voltage lower between two conductors of the duplexer. With the help of simulation software such as Ansoft HFSS and Ansoft Designer, we model and simulate the electric field intensity within transmission channel of the duplexer. According to the simulation results, we put forward a method to reinforce it for engineering application.

Rocket responder; Low pressure discharge; Prevention

V556

A

1004-7182(2017)02-0099-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170222

2016-07-14；

2016-09-01

李 軍（1975-），男，高級工程師，主要研究方向為航天箭載測控系統(tǒng)