低PIM吸波裝置的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

杜春林，任曉宇，常冬林，秦家勇，王海林，呂劍鋒，王 晶

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 2. 空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100）

0 引言

隨著多載波大功率衛(wèi)星的發(fā)展，因系統(tǒng)的非線性而產(chǎn)生的無源互調(diào)（Passive Intermodulation,PIM）干擾已成為決定衛(wèi)星任務(wù)成敗的重要因素。當(dāng)多個(gè)信號(hào)通過非線性器件或非線性系統(tǒng)傳輸時(shí)，輸出就會(huì)產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物；隨著輸入功率的增大，產(chǎn)生的無源互調(diào)干擾就會(huì)越來越嚴(yán)重。在收發(fā)共用天線系統(tǒng)中，如果干擾信號(hào)落入了接收通道，就會(huì)影響衛(wèi)星G/T的值，輕則干擾衛(wèi)星接收系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致衛(wèi)星失效[1]。

研究表明，在大功率衛(wèi)星通信系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)中，微波器件的PIM干擾產(chǎn)生的來源可歸類為材料非線性和接觸非線性，但其產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，有一定的隨機(jī)性，建立理論模型難度很大，最有效的方法就是對(duì)PIM進(jìn)行實(shí)際測(cè)量[2-3]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)PIM進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，必須建立低PIM的背景測(cè)試環(huán)境。本文介紹了一種低PIM吸波裝置的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、指標(biāo)測(cè)試過程及結(jié)果，并提出了后續(xù)工作設(shè)想。

1 吸波裝置研制

1.1 材料選擇

從實(shí)際需求出發(fā)，電性能是吸波材料選擇首先要考慮的因素，包括反射率和功率耐受性；考慮到材料的應(yīng)用環(huán)境是常壓高低溫或真空低溫，因此材料的環(huán)境適應(yīng)性也必須考慮，包括可凝揮發(fā)物（CVCM）、熱導(dǎo)率、表面發(fā)射率和真空質(zhì)損（TML）等。通過文獻(xiàn)調(diào)研[4-6]，發(fā)現(xiàn)目前工藝比較成熟的碳化硅、鐵氧體、碳泡沫和石墨烯等材料都可以作為備選材料，但考慮實(shí)際應(yīng)用中生產(chǎn)時(shí)間、加工性能、研制成本和維修便利性等因素，最終確定使用碳化硅材料，其材料特性參數(shù)及測(cè)試值見表1。

表1 碳化硅吸波材料特性Table 1 Properties of silicon carbide absorbing materials

1.2 設(shè)計(jì)原理

本項(xiàng)目研制過程中采用的是碳化硅角錐陣列的微波吸收方式。研究表明：角錐結(jié)構(gòu)的吸波性能與角錐高度、入射波的入射角度以及材料的電磁參數(shù)等因素存在復(fù)雜的關(guān)系。對(duì)于給定的材料而言，當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，發(fā)射率隨角錐高度的增加先是降低，到達(dá)一臨界值后突增，因此，合理的角錐尺寸、適當(dāng)?shù)碾姶艆?shù)對(duì)降低材料的反射率至關(guān)重要（如圖 1 所示）[7]。

圖1 角錐型吸波材料原理分析Fig. 1 Pinciple analysis of pyramidal wave absorbing material

在吸波裝置研制過程中，綜合利用等效媒質(zhì)分析法、幾何光學(xué)分析法、全波仿真分析法3種理論方法，對(duì)吸波組件角錐高度、底部結(jié)構(gòu)尺寸、工藝拼接關(guān)鍵控制參數(shù)進(jìn)行了全面分析，得出了具有指導(dǎo)性的理論數(shù)據(jù)，為吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論設(shè)計(jì)依據(jù)。

1）角錐高度最低取一個(gè)工作波長(zhǎng)，在可能的情況下，角錐越高，吸波材料與空氣的匹配越好，反射系數(shù)越?。?/p>

2）對(duì)碳化硅角錐而言，半頂角大小取10°～12°，綜合吸波效果最好；

3）角錐底部的方形底座，其厚度越大，吸波效果越好；對(duì)角錐底部基座，其寬度變化對(duì)反射系數(shù)影響稍微復(fù)雜一些，存在一個(gè)“最優(yōu)”的寬度尺寸，工程上一般選擇一個(gè)工作波長(zhǎng)的寬度。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 吸收模塊

吸收模塊（如圖2所示）是吸波裝置的一個(gè)基本單元，一般采用角錐結(jié)構(gòu)或角錐復(fù)合結(jié)構(gòu)[7]，該結(jié)構(gòu)由專用的錐形吸收體（簡(jiǎn)稱：角錐）和安裝板組成，組裝時(shí)使用低揮發(fā)率的硅橡膠進(jìn)行填充固定，保證了角錐和安裝板之間的導(dǎo)熱性能和結(jié)合強(qiáng)度。吸收模塊具有良好的吸波性能，在試驗(yàn)規(guī)定頻段范圍內(nèi)反射率≤-25 dB。

圖2 吸收模塊實(shí)物圖Fig. 2 The absorption module

1.3.2 整體結(jié)構(gòu)

吸波裝置采用鋁合金方管作為框架進(jìn)行組裝，采用可折卸設(shè)計(jì)。為保證吸波裝置的吸收效果，防止信號(hào)反射，吸波裝置內(nèi)部均全部覆蓋吸收模塊，且在箱體轉(zhuǎn)角處采用了多種角度的角錐和平片錐體等吸收模塊進(jìn)行組合拼裝[8]。吸波裝置整體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。

圖3 吸波裝置尺寸Fig. 3 Dimension of the absorbing device

2 吸波裝置 PIM 性能測(cè)試

2.1 測(cè)試方案

采用雙天線法測(cè)試吸波裝置PIM性能。測(cè)試原理框圖如圖4所示。測(cè)試中使用2個(gè)測(cè)試天線，每個(gè)測(cè)試天線按指定功率輸入單載波，其中1個(gè)測(cè)試天線后接雙工器以接收吸波裝置產(chǎn)生的PIM功率。2個(gè)測(cè)試天線通過非金屬固定板與吸波裝置對(duì)接，出于測(cè)試系統(tǒng)安全考慮，2個(gè)測(cè)試天線中心距≥200 mm（本次測(cè)試為 200 mm）。測(cè)試過程中工況溫度范圍為-60～100 ℃，共進(jìn)行4個(gè)循環(huán)。

圖4 小型吸波裝置 PIM 測(cè)試原理Fig. 4 Principle of PIM testing of the small absorbing device

測(cè)試前，測(cè)試系統(tǒng)需進(jìn)行標(biāo)定和自檢，自檢結(jié)果PIM電平低于測(cè)試系統(tǒng)本底噪聲。

2.2 測(cè)試實(shí)施

本次測(cè)試在常壓高低溫環(huán)境下進(jìn)行，使用的常壓高低溫箱容積為6 m3，溫度能力范圍為-90～200 ℃[9]，可以實(shí)現(xiàn)工況測(cè)試所需要的-60～100 ℃的溫度范圍。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig. 5 Configuration of the testing

2.3 測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試進(jìn)行了4次，結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸波裝置測(cè)試結(jié)果Fig. 6 Testing results of the absorbing device

2.4 結(jié)果分析

1）第1次測(cè)試的PIM值多次出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，最大值約-118.49 dBm，出現(xiàn)溫度-40 ℃ 以下及-60 ℃保持階段。本次測(cè)試的溫度測(cè)點(diǎn)（鉑電阻）粘貼在吸波裝置內(nèi)部的角錐上，測(cè)試過程中該鉑電阻測(cè)點(diǎn)位于微波場(chǎng)內(nèi)，可能成為PIM源。這種測(cè)試狀態(tài)不能真實(shí)反映出吸波裝置的PIM值，因此必須將測(cè)點(diǎn)取出粘貼在微波場(chǎng)以外（高頻電纜上），并根據(jù)第1次測(cè)試時(shí)吸波裝置內(nèi)外溫度平衡的時(shí)間差安排第2階段的工況時(shí)間。

2）第2次測(cè)試的PIM值集中在第二循環(huán)低溫降溫及-60 ℃保持階段出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，最大值約-123.58 dBm。經(jīng)仔細(xì)查找吸波裝置在高低溫循環(huán)后的變化原因，發(fā)現(xiàn)吸波裝置底部出現(xiàn)較明顯的縫隙，該縫隙是PIM源，因而需要對(duì)吸波裝置的組裝方式進(jìn)行改進(jìn)。

3）吸波裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)后進(jìn)行了第3次測(cè)試，PIM值在低溫降溫及保持階段均未出現(xiàn)超過技術(shù)指標(biāo)的跳動(dòng)，但在高溫（升降溫及保持）階段均出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，最大值約-129.41 dBm。打開常壓箱查看，未發(fā)現(xiàn)吸波裝置在結(jié)構(gòu)上有何變化；此時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)試天線的非金屬固定板與吸波裝置上端面平齊，非金屬固定板與吸波裝置側(cè)面邊緣縫隙等位置會(huì)有微波泄漏，成為PIM源。

4）第4次測(cè)試，將2個(gè)測(cè)試天線伸到吸波裝置內(nèi)部，測(cè)試天線頂部距離底部吸波裝置尖錐距離為500 mm。測(cè)試中所有高低溫工況期間的PIM值均在-150 dBm以下，可以確定該吸波裝置PIM性能滿足試驗(yàn)要求。

3 結(jié)論與展望

本次吸波裝置研制和測(cè)試的目的是為后續(xù)大型吸波裝置的研制和使用提供明確的研制工藝和控溫?cái)?shù)據(jù)參考，后續(xù)工作還需關(guān)注很多問題，主要包括：

1）大型吸波裝置是賦形結(jié)構(gòu)，而且還涉及到活動(dòng)模塊，因此在拐角和對(duì)接處需要進(jìn)行特殊處理，既要滿足低PIM要求又要考慮不能產(chǎn)生多余物；

2）本次測(cè)試所用吸波裝置，其研制中的多項(xiàng)工藝如安裝板對(duì)接處封堵工藝、拐角處的拼接工藝等都是為了達(dá)到PIM值優(yōu)于-150 dBm的指標(biāo)而增加的，增加了研制成本和研制周期；

3）考慮到吸波材料可能會(huì)產(chǎn)生多余物的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)特殊位置的吸波材料進(jìn)行防護(hù)處理，以確保產(chǎn)品安全；

4）碳化硅材料導(dǎo)熱率很低，控溫設(shè)施的設(shè)計(jì)需要考慮大型結(jié)構(gòu)的溫度梯度和均勻性問題。