應用水冷散熱的多通道星載SAR熱真空試驗設(shè)計

杜劍波 朱明月 高何 劉杰 于海鋒 彭虧 王梓名 袁興武

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094) (2 錢學森空間技術(shù)實驗室，北京 100094)(3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094) (4 中國電子科技集團公司第九研究所，四川綿陽 621000)

隨著星載合成孔徑雷達(SAR)成像技術(shù)的不斷進步，SAR衛(wèi)星成像分辨率已進入亞米級時代，并呈現(xiàn)出寬幅成像實用化的趨勢[1-5]。相應的，為保證高分辨率SAR的噪聲等價后向散射系數(shù)(NESZ)滿足指標要求，SAR載荷需要具備更大的功率孔徑平方積。一方面，由于星載SAR孔徑大小由成像分辨率、模糊度和測繪帶寬等指標共同約束，常采用增加SAR載荷峰值輸出功率的方法增大功率孔徑平方積；另一方面，反射面天線體制星載SAR增益高、功率大，且具有方向圖穩(wěn)定、旁瓣低的優(yōu)點，是實現(xiàn)滑動聚束等高分辨率SAR成像的一種重要實現(xiàn)途徑?，F(xiàn)階段，反射面天線體制星載SAR成像模式不斷增加[6-7]，SAR天線通道數(shù)目也隨之不斷增多。因此，大功率、反射面天線體制多通道星載SAR是高分辨率SAR衛(wèi)星發(fā)展的一個重要方向。

星載SAR在進行熱試驗測試時，地面測試設(shè)備需要具備與星載SAR載荷行波管放大器同等量級的功率耗散能力[8-9]，常采用罐外風冷負載的散熱方法。該方法使用耐受功率較高的波導作為熱真空罐內(nèi)的地面載荷傳輸通道，將星載大功率SAR信號引出至罐外風冷負載進行強迫風冷。傳統(tǒng)單饋源反射面星載SAR僅使用單路成像通道，不存在通道幅相差異問題。然而，對于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR，如果仍采用上述風冷散熱方式，則長距波導將面臨應力釋放困難和空間分布獨立的難題，從而使多通道幅相一致性難以保證，引起SAR載荷測試成像質(zhì)量惡化的問題[10-14]。同時，在熱真空環(huán)境中，長距波導還面臨大功率傳輸時微放電隱患較大、可驗證性低的問題。因此，傳統(tǒng)罐外風冷散熱測試方法已不再適用于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR熱試驗，需要研究新的熱真空試驗測試方法。

與風冷散熱技術(shù)相比，水冷散熱技術(shù)具有冷卻效率高、散熱負載體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已應用于計算機、電力電子等行業(yè)中[15-16]。本文根據(jù)反射面體制多通道星載SAR的技術(shù)特點，將水冷散熱方式引入星載SAR熱試驗測試，以此為基礎(chǔ)，針對熱試驗測試的通道幅相一致性和測試安全性問題，設(shè)計應用水冷散熱體制星載SAR熱真空試驗方案，以實現(xiàn)衛(wèi)星熱試驗多通道寬幅成像測試，并降低微放電等安全風險。

1 熱真空試驗設(shè)計

1.1 試驗方案

1.1.1 測試模式

星載SAR熱試驗期間，SAR分系統(tǒng)與數(shù)傳分系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺，以及由地面測試設(shè)備、快視成像處理器等組成水冷散熱星載SAR測試系統(tǒng)，共同完成熱試驗測試。星載SAR熱試驗測試主要包括信號測試和成像測試2種模式，熱試驗過程中通過信號測試設(shè)備和回波模擬器的切換分別實現(xiàn)對星上SAR載荷各成像模式下發(fā)射信號特性及主要成像指標的分時驗證。

在進行熱試驗SAR載荷信號測試時，天線饋源處波導發(fā)射大功率線性調(diào)頻(LFM)信號，經(jīng)過星地延長波導、耦合器后，信號絕大部分功率被耦合器后端的水冷負載吸收。同時，耦合器的耦合LFM信號分別經(jīng)過熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜、罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜后連接測試設(shè)備，通過SAR信號特性測試，檢查發(fā)射機功率、脈沖重復頻率等SAR電子設(shè)備的電氣功能和性能。

在進行熱試驗SAR載荷成像測試時，回波模擬器首先接收星載SAR載荷發(fā)射的同步信號及觸發(fā)信號，然后根據(jù)星地距離、載荷參數(shù)計算收發(fā)延時，模擬生成SAR回波信號。該回波信號經(jīng)過罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜、熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜、熱真空耦合器后上行至SAR天線饋源處波導，為SAR電子設(shè)備的成像處理及記錄處理提供模擬回波信號，經(jīng)過數(shù)傳下傳和快視成像后，對成像結(jié)果的二維分辨率、旁瓣比等指標進行評價，以驗證SAR收發(fā)處理系統(tǒng)和成像算法的正確性。

1.1.2 測試系統(tǒng)

根據(jù)前述分析，設(shè)計應用水冷散熱體制的星載SAR熱試驗測試系統(tǒng)(簡稱“水冷散熱測試系統(tǒng)”)。系統(tǒng)主要包括射頻信號傳輸和水冷循環(huán)散熱兩大部分，本文重點針對星載SAR射頻信號傳輸部分進行研究，對通用性較強的水冷循環(huán)散熱部分不作分析。

在系統(tǒng)組成方面，水冷散熱測試系統(tǒng)主要分為熱真空罐內(nèi)和熱真空罐外設(shè)備兩部分，見表1。其中：罐內(nèi)設(shè)備主要由星地延長波導、熱真空耦合器、波同轉(zhuǎn)換、水冷負載和熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜組成；罐外設(shè)備主要包括罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜、測試設(shè)備、SAR回波模擬器及快視處理器。

表1 水冷散熱測試系統(tǒng)組成Table 1 Test system composition using water-cooling heat dissipation

在系統(tǒng)設(shè)備連接關(guān)系方面，熱真空耦合器射頻信號輸入口與星載天線饋源處波導之間通過星地延長波導連接。熱真空耦合器的射頻輸出直通口與大功率水冷負載連接，由水冷回路對大功率水冷負載吸收的直通信號進行散熱冷卻；耦合器的射頻耦合口經(jīng)熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜連接至熱真空罐壁的穿墻波導入口，并傳輸至熱真空罐外。在熱真空罐外，罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜將熱真空罐壁穿墻波導和測試設(shè)備、SAR回波模擬器相連接，分別用于SAR載荷信號質(zhì)量測試和快視成像驗證。水冷散熱測試系統(tǒng)連接原理如圖1所示。

圖1 水冷散熱測試系統(tǒng)連接原理圖Fig.1 Test system connection schematic using water-cooling heat dissipation

圖1中，數(shù)傳分系統(tǒng)同樣采用水冷散熱方式。類似于SAR分系統(tǒng)，數(shù)傳分系統(tǒng)在水冷負載前端耦合出下行信號，將星載SAR成像信號編碼傳輸給SAR快視處理服務器，用于成像指標分析。由于數(shù)傳分系統(tǒng)在水冷散熱測試設(shè)計時沒有多通道幅相一致性要求，在安全性、系統(tǒng)鏈路等方面與SAR分系統(tǒng)相近，因此相關(guān)內(nèi)容不再展開分析。

1.2 設(shè)計特點

對于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR，熱真空試驗的目的是通過模擬空間壓力和熱循環(huán)應力，測試在軌極端溫度環(huán)境下星載SAR載荷成像功能的正確性和熱控承受能力，及時暴露由于元器件、材料、工藝和制造中可能潛在的質(zhì)量缺陷及故障，驗證星載設(shè)備的可靠性[8-9]。為此，星載SAR載荷在熱真空試驗中要能夠進行具有系統(tǒng)性和安全性的滿負荷功率成像測試，熱試驗設(shè)計也應圍繞星載SAR載荷的成像測試特點和測試安全性開展。

1.2.1 多通道成像

對于反射面體制高分辨率星載SAR，基于多通道的寬幅成像是其重要成像特點。在成像任務期間，SAR天線系統(tǒng)的多個饋源會通過不同的組合方式擴大距離向波束，從而在高分辨率成像的同時實現(xiàn)寬幅覆蓋。為了保證高分寬幅成像質(zhì)量，SAR通道之間要具有非常高的幅相一致性。與之相對應，SAR載荷成像測試時，地面載荷通道的傳輸幅相一致性也會影響SAR信號特性和最終成像質(zhì)量。因此，在反射面體制多通道星載SAR熱試驗中，應重點關(guān)注地面載荷通道的幅相一致性設(shè)計。

相比于熱真空罐外風冷散熱體制，采用熱真空罐內(nèi)水冷散熱體制時，可在水冷型負載前端進行信號耦合，使小功率載荷信號通過高精度穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜與熱真空罐外測試設(shè)備連通和進行載荷測試，從而避免多段波導拼接時應力的影響。與此同時，由于穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜可以集中布設(shè)，其空間分布與波導相比更為集中，熱試驗時各電纜通道的溫度較為接近，溫度差異性對通道傳輸性能的影響得以降低，從而能夠改善SAR通道幅相差異引起的成像質(zhì)量下降問題。

1.2.2 測試安全性

在高分辨率星載SAR熱真空試驗中，由于SAR載荷測試需發(fā)射和傳輸大功率微波信號，其測試安全性問題對整星熱試驗有較大影響。熱真空試驗中真空環(huán)境是與常規(guī)測試環(huán)境最大的不同點，因此，應對真空環(huán)境下載荷大功率測試時可能發(fā)生的安全問題進行分析。

對于處于真空環(huán)境的大功率微波產(chǎn)品，微放電是影響熱試驗安全性的一個十分重要的因素。當微波產(chǎn)品工作功率超過6 dBW并有頻率間隙積在0.6～60 GHz·mm時，有潛在的微放電風險[17]。此外，產(chǎn)品存在介質(zhì)污染時更易發(fā)生微放電現(xiàn)象。微放電會造成微波設(shè)備損壞，從而使測試系統(tǒng)傳輸性能惡化、信噪比下降，甚至徹底無法工作。

對于熱真空罐內(nèi)的長距波導，其拼接后的物理尺寸使得單獨的波導微放電試驗難以進行，無法在熱試驗前對地面設(shè)備的安全性進行有效驗證。根據(jù)第1.2.1節(jié)分析可知，采用熱真空罐內(nèi)水冷散熱體制時，可通過信號耦合的方法，將熱真空罐內(nèi)的大部分波導由熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜替代。相對于長距波導，熱真空電纜不存在物理尺寸的制約，可以在熱試驗前進行微放電閾值驗證試驗，從而確保熱試驗的安全性。同時，熱真空電纜中傳輸?shù)鸟詈陷d荷信號功率相對較小，也減小了大功率熱真空試驗時的微放電風險。

除了上述測試設(shè)備微放電問題，還需要注意的是，衛(wèi)星熱試驗期間SAR載荷大功率測試時，熱真空罐內(nèi)測試設(shè)備的溫度波動范圍較大。因此，對于功率容量較大的微波測試設(shè)備，應加強熱試驗前熱控設(shè)計和分析，防止其在熱試驗期間出現(xiàn)溫度超限問題。

1.3 設(shè)計關(guān)鍵點

根據(jù)前述分析可知，對于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR，熱試驗測試系統(tǒng)的通道間幅相差異影響SAR成像測試圖像質(zhì)量。同時，SAR載荷滿負荷功率測試時，地面測試設(shè)備在熱真空環(huán)境下的大功率傳輸和散熱特性將影響整星熱試驗的安全性。因此，熱試驗設(shè)計應用水冷散熱體制，圍繞多通道幅相一致性、大功率測試安全性開展。

在星載SAR多通道幅相一致性測試設(shè)計時，要從器件特性和溫度影響2個方面進行考慮；在大功率測試安全性設(shè)計時，需要首先從測試系統(tǒng)整體鏈路的角度出發(fā)，對系統(tǒng)參數(shù)進行綜合優(yōu)化，同時統(tǒng)籌考慮大功率傳輸和散熱安全性，使設(shè)計結(jié)果滿足熱試驗載荷信號測試和成像驗證的要求。

1.3.1 多通道幅相一致性

根據(jù)SAR載荷測試鏈路校正精度及SAR信號處理要求，熱真空試驗中地面?zhèn)鬏斖ǖ乐g應滿足幅度誤差不超過0.6 dB和相位誤差不超過6°的要求。載荷通道幅相一致性要求高，加之熱試驗中溫度環(huán)境變化劇烈，給幅相一致性高精度實現(xiàn)帶來相當難度。

在進行地面?zhèn)鬏斖ǖ赖姆嘁恢滦栽O(shè)計時，遵循幾何一致性和不發(fā)生干涉的基本原則。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計關(guān)鍵是保證各環(huán)節(jié)測試設(shè)備的幅相一致性，減少外界環(huán)境對測試設(shè)備幅相特性的影響；此外，可以考慮通過分類篩選降低幅相一致性指標實現(xiàn)難度，相關(guān)分析如下。

1)測試設(shè)備特性

在星載SAR熱真空試驗中，地面?zhèn)鬏斖ǖ乐饕蔁嵴婵振詈掀骱头€(wěn)幅穩(wěn)相電纜構(gòu)成?？紤]到兩者的尺寸、剛性和溫控特點，在進行熱真空試驗設(shè)計時，將地面?zhèn)鬏斖ǖ赖恼w幅相誤差分解為熱真空耦合器幅相誤差(0.3 dB/3°)和熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜幅相誤差(0.3 dB/3°)兩部分，并留有余量。在水冷散熱熱真空試驗設(shè)計時應分別關(guān)注兩者的幅相一致性，從而使兩者組成的地面?zhèn)鬏斖ǖ婪嘁恢滦灾笜藵M足前述分析的幅相一致性整體要求。首先，對于熱真空耦合器，其理論設(shè)計模型完全相同，并且在產(chǎn)品研制過程中，通過同批次器件材料選取及微波器件加工環(huán)境、時間的一致性保證，使產(chǎn)品具有較好的幅相一致性。但是在實際研制過程中，由于加工工藝因素的影響，耦合器之間一定會存在幅相誤差。因此，需要對實際研制耦合器的“輸入-耦合”通道幅相一致性進行測試檢驗，確保熱真空耦合器間的幅相一致性指標達到或者幅度誤差優(yōu)于0.3 dB，相位誤差優(yōu)于3°。其次，對于熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜，其距離長，且具有一定彎曲度。因此，除了在電纜研制時測試其幅相一致性，還需要在熱真空試驗現(xiàn)場電纜布設(shè)完成時進行初始相位配準，保證測試狀態(tài)下熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的幅相一致。此外，由于熱真空試驗期間溫度對熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的影響較大，還應采用控溫精度較高的控溫鋁槽對電纜進行溫控，以減少不同電纜通道之間的溫度差異。為縮小控溫鋁槽的熱控范圍，需要對穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的溫控指標進行重點分析。

2)多通道分類

為進一步降低幅相一致性指標實現(xiàn)難度，考慮采用多通道分類的方法，按照不同成像模式和對應饋源，縮小幅相一致性指標對通道要求的范圍。星載SAR包括條帶、聚束、掃描、馬賽克等多種成像模式，但各成像模式的天線饋源通道并非完全相同。例如圖1中：SAR載荷條帶和聚束成像時收發(fā)通道對應SAR天線饋源1～M(M≤P,M≥2)；掃描和馬賽克成像時收發(fā)通道則對應SAR天線饋源N～P(N≥M，P-N≥2)。因此，可將衛(wèi)星地面散熱系統(tǒng)的P個SAR載荷通道劃分為兩類。對于條帶和聚束成像，與星上收發(fā)通道相連的水冷散熱傳輸通道1～M保持幅相一致即可(0.6 dB/6°)；類似的，對于掃描和馬賽克成像，通道N～P保持幅相一致即可(0.6 dB/6°)。該分類能夠加速研制過程中的產(chǎn)品試驗篩選，減小多通道幅相一致性實現(xiàn)難度。

1.3.2 大功率傳輸及散熱

對于熱真空罐內(nèi)水冷散熱體制熱真空試驗，首先要解決熱真空耦合器和星地延長波導等大功率容量微波測試設(shè)備微放電問題。為減少測試設(shè)備的微放電風險，要在加工工藝方面加強防護設(shè)計，具體措施包括：設(shè)備腔體表面材料處理，確保表面二次電子的發(fā)射系數(shù)較?。惶岣呒庸ぞ?，避免腔體和電路出現(xiàn)毛刺、細絲；無塵環(huán)境裝配，防止腔體內(nèi)部污染以降低微放電閾值。在研制、生產(chǎn)微波測試設(shè)備過程中，進行微放電真空環(huán)境試驗，以驗證微放電防護性能滿足實際工作要求，保證星載SAR熱真空試驗的安全性。

在解決上述測試設(shè)備微放電問題的基礎(chǔ)上，熱真空試驗系統(tǒng)級測試設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于大功率射頻傳輸和相應的傳輸通道熱控安全。前者主要對系統(tǒng)鏈路參數(shù)進行優(yōu)化，使設(shè)計結(jié)果滿足熱真空試驗載荷測試要求，并作為約束進行設(shè)備安全性設(shè)計和研制。后者需要針對傳輸通道中存在的安全影響因素進行分析，給出安全測試條件下的熱控溫度范圍，明確設(shè)備在熱真空試驗中的可靠性。

1)系統(tǒng)鏈路優(yōu)化

在水冷散熱星載SAR熱真空試驗中，測試設(shè)備(如耦合器、穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜)微放電設(shè)計和熱真空試驗的前提是系統(tǒng)鏈路設(shè)計。一方面，穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜中傳輸?shù)鸟詈陷d荷信號功率相對于載荷大功率發(fā)射信號較小，但是熱真空環(huán)境下電纜的耐受功率較低，因此，應對載荷大功率信號測試時的下行鏈路進行計算，特別是對熱真空耦合器耦合度進行分析，以確定耦合信號功率滿足穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜指標；另一方面，應注意成像測試時回波模擬器的上行信號功率有限，需要通過優(yōu)化耦合器耦合度和電纜插損，保證射頻鏈路上行功率滿足SAR載荷成像指標要求。需注意的是，成像測試與信號測試對耦合器耦合度的要求存在矛盾，兩者相互制約，因此，系統(tǒng)上下行鏈路分析和耦合度參數(shù)優(yōu)化對熱真空試驗較為重要，其結(jié)果不僅影響測試設(shè)備的微放電設(shè)計，還決定測試設(shè)備是否能夠同時滿足熱真空試驗載荷信號測試和成像測試的要求。

2)測試設(shè)備熱控設(shè)計

整星熱真空試驗期間，水冷負載作為大功率熱量吸收設(shè)備，工作時需要水冷回路循環(huán)散熱。冷卻水正常范圍為15～21 ℃，水流溫度不能隨熱真空罐內(nèi)溫度變化而強烈波動。因此，應在水冷負載寬面貼裝加熱片進行輔助控溫，并在水冷負載水冷口和波導口加裝測溫點進行溫度監(jiān)控。

衛(wèi)星平臺熱真空試驗期間，星地延長波導通道溫度范圍應保持在-60～+40 ℃。SAR載荷測試時，特別是在進行SAR載荷信號特性測試時，星地波導將傳輸峰值功率為千瓦級的大功率微波信號，溫度上升較快。因此，星地延長波導表面需要噴涂耐高溫防揮發(fā)漆，以增強波導的散熱性能。

熱真空耦合器的主要散熱方式為輻射散熱，耦合器溫度受其周圍背景溫度影響較大。衛(wèi)星熱真空試驗時，在耦合器上方布設(shè)有為整星加熱的紅外籠，使得耦合器周圍背景溫度較高。因此，有必要對熱真空試驗期間大功率傳輸工況下的耦合器溫度分布情況進行分析，并保證耦合器能夠在該溫度范圍內(nèi)可靠使用。

2 分析驗證

2.1 多通道幅相一致性

對于水冷散熱星載SAR熱真空試驗，多通道幅相一致性的關(guān)鍵是保證各環(huán)節(jié)測試設(shè)備的幅相一致性。首先，通過實測檢查熱真空耦合器幅相一致的指標符合性，并根據(jù)熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜相位特性分析熱試驗中控溫鋁槽對穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的溫控范圍。

2.1.1 耦合器幅相一致性測試

為了檢驗熱真空耦合器加工工藝是否能夠保證幅相一致性滿足設(shè)計要求，按照熱真空試驗要求試研制兩件耦合器，并進行測試對比分析。以其中件耦合器幅相特性作為基準，使用相同的測試源、測試設(shè)備和測試環(huán)境，對另一件耦合器進行測試對照，并得到兩者的相位和幅度差異，測試結(jié)果如圖2所示。可以看出：在測試頻率范圍內(nèi)，熱真空耦合器間的幅度誤差小于0.15 dB，相位誤差小于2.35°，從而證明了加工工藝能夠滿足耦合器間幅相一致性指標要求。當然，限于試研制僅投產(chǎn)了兩件耦合器，小子樣特點使其具有典型性，但不能代表所有耦合器均能滿足幅相要求。因此，后續(xù)將以此方式為參考，對研制的耦合器進行多組對照試驗和篩選剔除，確保耦合器一致性滿足幅相要求。

圖2 熱真空耦合器幅相一致性測試結(jié)果Fig.2 Test results of amplitude and phase consistency of thermal vacuum coupler

熱真空試驗SAR載荷大功率測試時，產(chǎn)生的熱應力會造成耦合器及其前端星上延長波導發(fā)生一定形變，從而使測試通道幅相發(fā)生漂移。為保證熱真空試驗測試通道間的幅相一致性，在耦合器及波導研制后進行一體安裝和測試，獲取不同溫度下的耦合器-波導相位漂移試驗數(shù)據(jù)。實際星載SAR熱真空試驗中，可在耦合器及波導上設(shè)置測溫點和加熱片形成溫度閉環(huán)控制，并根據(jù)前述試驗數(shù)據(jù)進行溫度補償，以減小熱應力對幅相一致性的影響。

2.1.2 熱真空電纜溫控分析

在熱真空試驗中，熱真空罐內(nèi)溫度變化大，采用控溫鋁槽對用于SAR信號傳輸?shù)姆€(wěn)幅穩(wěn)相電纜進行集中控溫，可以減少溫度交變對射頻電纜信號相位產(chǎn)生的影響。根據(jù)穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的相位匹配特性，若要將多路熱真空SAR通道電纜相位差異控制在3°以內(nèi)，需要通過控溫保證各電纜的相位變化控制在1×10-5～1×10-4。對熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜測試得到的電纜相位-溫度變化曲線，見圖3。根據(jù)曲線變化情況，可以看出：當電纜溫度保持在30～45 ℃時，相位特性平坦，各電纜之間的相位差異達到極小值。同時，考慮到相位匹配差異有隨機性，電纜在相位變化控制方面具有可行性，能夠保證多路電纜通道的穩(wěn)幅穩(wěn)相性能。

圖3 穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜相位-溫度變化曲線Fig.3 Phase-temperature curve of amplitude-stable and phase-stable cable

為了使控溫鋁槽內(nèi)溫度穩(wěn)定在30～45 ℃，對控溫鋁槽進行專門的熱控設(shè)計。首先，控溫鋁槽表面包覆隔熱性能優(yōu)異的雙面鍍鋁聚脂薄膜-疏松纖維等熱控多層隔熱材料，以減少控溫鋁槽內(nèi)外部之間的輻射導熱。由于SAR載荷穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜長度大于控溫鋁槽長度，為減少電纜受外界環(huán)境溫度的影響，在靠近熱沉端設(shè)計方盤，收納多余長度的電纜部分。最后，對控溫鋁槽內(nèi)的每根穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜，在其接近法蘭盤端和星端貼裝測溫點進行溫度監(jiān)測，并通過鋁槽內(nèi)部裝貼的加熱片進行主動控溫補償，以達到閉環(huán)穩(wěn)定控溫的效果。

對于控溫鋁槽內(nèi)的熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜，與熱真空耦合器連接的電纜入口處峰值功率可達到數(shù)十瓦，在SAR載荷測試時發(fā)熱量較大。特別是熱真空試驗期間多個通道同時傳輸大功率信號的測試工況，鋁槽內(nèi)的溫度變化較為明顯。因此，需要將穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜在控溫鋁槽內(nèi)均勻布設(shè)，以便于散熱，同時在電纜入口處加強溫度監(jiān)測，并在熱真空試驗期間密切監(jiān)測鋁槽內(nèi)的溫度變化情況，必要時采取局部加熱補償或者調(diào)整紅外籠等措施進行溫度控制。為進一步保證熱真空試驗時整個傳輸通道的幅相一致性，還可考慮基于電纜相位-溫度數(shù)據(jù)包，利用調(diào)相器補償溫度對電纜幅相特性的影響。

2.2 大功率傳輸及散熱

水冷散熱星載SAR熱真空試驗測試系統(tǒng)鏈路，是測試設(shè)備微放電安全性和熱真空試驗的前提，需要重點分析討論。同時，針對受背景環(huán)境溫度影響較大的熱真空耦合器，結(jié)合熱真空試驗載荷大功率測試工況，進行熱仿真分析，以驗證大功率散熱測試的安全性。

2.2.1 測試系統(tǒng)鏈路分析

熱真空耦合器耦合度同時涉及測試系統(tǒng)上下行鏈路，其不僅影響電纜的輸入功率和電纜散熱的安全性，而且影響成像測試信號信噪比和圖像質(zhì)量，對系統(tǒng)鏈路較為關(guān)鍵。

對于載荷大功率下行測試工況，發(fā)射信號峰值功率為千瓦級，水冷散熱測試系統(tǒng)應滿足該量級功率測試需求。對于通過熱真空環(huán)境試驗篩選的波導類微波無源器件，其耐受功率較高，一般能夠在千瓦條件下安全使用。但是，衛(wèi)星熱真空試驗時使用的熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜耐受功率較小，一般只有數(shù)十瓦(常溫條件下)，且其耐受功率隨溫度的升高而逐漸降低，與發(fā)射信號相比相差1～2個數(shù)量級。因此，耦合器的耦合度應達到15 dB以上。

對于回波模擬器閉環(huán)成像測試工況，水冷散熱測試系統(tǒng)應能夠保證成像測試質(zhì)量。SAR回波模擬器上行信號最大功率為-30 dBm，星上低噪聲放大器接收到的上行信號典型功率范圍為-70～-80 dBm，因此，水冷散熱測試系統(tǒng)上行通道的總鏈路衰減不宜超過45 dB。根據(jù)已知的熱真空罐內(nèi)外設(shè)備布局和衰減參數(shù)，可計算得到傳輸通路其他部分的衰減和約為23 dB，因此耦合器耦合度上限為22 dB。

通過上述分析可知，耦合度設(shè)為20 dB具有可行性。一方面，下行大功率測試時天線饋源輸出信號典型峰值功率為60 dBm，因此熱真空耦合器輸出峰值功率約為40 dBm，系統(tǒng)能夠滿足熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜耐受功率要求；另一方面，回波模擬器輸出典型功率為-30 dBm，上行鏈路總衰減約為43 dB，因此星上低噪聲放大器輸入典型功率約為-73 dBm，也能夠保證閉環(huán)成像測試時的上行信號功率需求。以此為基礎(chǔ)，進一步可得到水冷散熱測試系統(tǒng)鏈路如表2所示，其中耦合器的雙向衰減相同，均為耦合度。

表2 水冷散熱測試系統(tǒng)SAR載荷上下行測試鏈路Table 2 Up and down test links of SAR load in test system using water-cooling heat dissipation

由分析結(jié)果可知，與耦合器前端輸入的大功率SAR載荷信號相比，穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜中傳輸?shù)鸟詈陷d荷信號功率降低了2個數(shù)量級；同時，星地延長波導長度也減少為傳統(tǒng)風冷散熱中長距波導的1/10，從而減小了熱真空大功率載荷下行測試時的微放電風險。

2.2.2 大功率工況耦合器熱仿真

由前述分析可知，衛(wèi)星熱真空試驗時熱真空耦合器與紅外籠位置較近，耦合器背景溫度較高，不利于輻射散熱。為防止耦合器在熱真空試驗期間出現(xiàn)溫度超限問題，對大功率傳輸工況下的耦合器進行熱仿真分析，仿真參數(shù)見表3。其中，設(shè)置背景溫度為50 ℃，與星地延長波導接口的溫度為60 ℃，檢查極限背景環(huán)境下耦合器的溫度分布情況。

表3 熱真空耦合器熱仿真參數(shù)Table 3 Thermal simulation parameters of thermal vacuum coupler

圖4示出了耦合器在大功率工況下的穩(wěn)態(tài)溫度分布?？梢钥闯觯涸跇O限背景溫度條件下，載荷大功率測試時的耦合器最高溫度達到87 ℃，沒有超過耦合器的耐受溫度(100 ℃)，從而驗證了載荷大功率工況下的熱真空測試安全性。同時，仿真結(jié)果中耦合器相對環(huán)境溫升約37 ℃，該溫升將為熱試驗期間對耦合器和其前端星地延長波導進行背景溫控提供參考。

圖4 大功率工況下耦合器熱仿真結(jié)果Fig.4 Thermal simulation result of coupler in high power working condition

3 結(jié)束語

針對大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR熱真空試驗測試需求，本文提出了應用水冷散熱體制的多通道星載SAR熱真空設(shè)計，解決了風冷散熱體制中多通道幅相一致性難以保證，以及微放電隱患較大、可驗證性低的問題。本文圍繞熱真空試驗多通道成像和測試安全性，重點分析了多通道幅相一致性和大功率傳輸及散熱等設(shè)計關(guān)鍵點。通過熱真空耦合器幅相一致性測試檢驗，以及穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜相位特性和溫控范圍分析，實現(xiàn)對多通道幅相一致性設(shè)計的驗證。同時，測試系統(tǒng)鏈路分析和極限工況耦合器熱仿真證明了大功率傳輸及散熱的安全性。本文為星載SAR熱真空試驗多通道成像及大功率信號測試提供了解決方案，能夠滿足星載SAR熱真空試驗的通道幅相要求，同時提高了測試的安全性，可為后續(xù)SAR衛(wèi)星熱試驗大功率地面散熱設(shè)計和測試提供參考。