航天器大功率天線部件的微放電試驗方法①

雙龍龍,胡少光,郭魯川

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

伴隨著人類對航天技術(shù)應(yīng)用需求的不斷增長,航天探索不斷邁向更深更高的層次,對航天器有效載荷技術(shù)提出了更高的要求。 除去傳統(tǒng)軍事應(yīng)用之外,近年來,以天地一體化、低軌互聯(lián)網(wǎng)星座、6G 移動通信等新興概念為牽引的商業(yè)航天發(fā)展如火如荼。 基于航天器工作環(huán)境及任務(wù)的特殊性,總結(jié)起來,多通道、大容量、抗干擾、遠距離通信等已成為航天器有效載荷技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。 足夠的發(fā)射功率是支撐以上技術(shù)發(fā)展的必要條件,在此背景下,航天器有效載荷產(chǎn)品的功率容量要求越來越高,隨之而來的大功率可靠性問題逐漸凸顯。

微放電(Multipactor)效應(yīng),又稱“二次電子倍增效應(yīng)”,是微波系統(tǒng)在真空條件下所產(chǎn)生的一種放電擊穿現(xiàn)象,是航天器有效載荷所面臨的一種重要的功率可靠性問題[1-3]。 微放電主要發(fā)生于兩個金屬表面之間或單個介質(zhì)表面[4-5],分別具體稱為“金屬微放電” 或“介質(zhì)微放電”,其物理原理基本相同[6-7]。 如圖1 所示,初級電子在射頻場正半周期向上加速,擊中上表面金屬板,激發(fā)出二次電子,在射頻場負半周期時,所激發(fā)出的二次電子在射頻場中向下加速運動,并撞擊下表面金屬板,再次激發(fā)出二次電子。 若器件表面材料二次電子發(fā)射系數(shù)＞1,則每次撞擊都會產(chǎn)生更多的二次電子。 當(dāng)器件結(jié)構(gòu)與所施加射頻電場頻率構(gòu)成諧振條件時,上述過程循環(huán)往復(fù),致使大量二次電子被激發(fā)聚集,經(jīng)過一定時間積累后,當(dāng)電子數(shù)目超過一定數(shù)量時,達到放電閾值,則會導(dǎo)致?lián)舸┓烹姮F(xiàn)象發(fā)生[8]。

圖1 微放電過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of multipactor process

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、表面處理工藝及工作頻段、太空環(huán)境等因素影響,航天器有效載荷大功率微波部件極易產(chǎn)生微放電效應(yīng)。 當(dāng)微波系統(tǒng)發(fā)生微放電現(xiàn)象時,輕者會造成傳輸系統(tǒng)駐波增大,反射功率增加,噪聲電平抬高,影響系統(tǒng)正常工作,嚴重時則會直接導(dǎo)致微波部件的永久性損壞失效,嚴重威脅飛行器在軌運行安全。 同時,面向未來發(fā)展需求,微放電效應(yīng)是制約航天器微波系統(tǒng)功率容量提升的重要障礙,成為影響航天器裝備技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸問題[9-10]。

天線是航天器有效載荷系統(tǒng)的重要組成部分,大功率天線饋源廣泛應(yīng)用于各類通信衛(wèi)星中,作為承載大功率發(fā)射的關(guān)鍵部分,天線產(chǎn)品的微放電設(shè)計成為工程應(yīng)用中至關(guān)重要的方面。 為驗證產(chǎn)品的微放電性能是否合格,抗微放電設(shè)計方法是否有效,測試試驗手段不可或缺。 相比封閉結(jié)構(gòu)的微波部件,天線產(chǎn)品由于開放結(jié)構(gòu)的輻射特性,其大功率微放電測試試驗方法存在著一定的特殊性。 文章基于多年工程應(yīng)用實踐,在介紹通用微放電測試方法基礎(chǔ)上,針對天線饋源產(chǎn)品,重點論述了兩種典型的輻射式微放電測試試驗方法,為航天器有效載荷天線產(chǎn)品的微放電測試提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 微放電設(shè)計余量

在實際工程應(yīng)用中,由于在生產(chǎn)加工、調(diào)試及測試過程中存在污染、氧化等因素,會導(dǎo)致微放電閾值下降,實際生產(chǎn)加工中影響微放電閾值的因素如表1 所列,表1 中列出了這些因素對產(chǎn)品微放電閾值造成的惡化程度。 為保證航天器產(chǎn)品的長期可靠穩(wěn)定運行,需要保證最終的交付產(chǎn)品具有一定的微放電余量。 基于此考慮,歐空局技術(shù)中心(ESTEC)以及國內(nèi)外主要的宇航公司對微放電效應(yīng)進行大量研究基礎(chǔ),將微放電設(shè)計余量定為6 dB,即微波系統(tǒng)的微放電設(shè)計閾值要高于系統(tǒng)承載的峰值功率6 dB。部件及系統(tǒng)的微放電閾值無法通過仿真手段精確模擬,實際中只能依賴高性能的測試試驗,獲得部件或系統(tǒng)精確的微放電閾值,因此,微放電的測試試驗至關(guān)重要。

表1 閾值影響因素Tab.1 Factors that influence the threshold of multipactor

2 微放電的主要測試方法

微放電的檢測方法有多種,總體上可分為全局檢測法和局部檢測法,包括光學(xué)檢測(局部)、電子探針檢測(局部)、二次諧波檢測(全局)、殘余物質(zhì)檢測(全局)、前向/后向功率調(diào)零檢測(全局)、近載波低噪聲檢測(全局)、輸出頻譜檢測(全局)、近載波相位噪聲檢測(全局)等。 采用局部檢測法可以接近實際放電位置,即檢測點可選擇靠近待測部件,但在測量完整組件時不宜采用局部檢測方法,特別是航天器部件,實際中不可能在待測件上增加檢測孔或其他破壞性的改變。 對于完整件的組件測試,采用全局性測試方法可以獲知微放電發(fā)生在組件系統(tǒng)中的某個部位。

由于微放電過程對微波信號具有非線性影響,類似于其他非線性器件或效應(yīng),發(fā)生微放電前后,微波系統(tǒng)的傳輸信號特征會發(fā)生變化,微放電全局檢測方法就是利用了這種信號變化特性所實現(xiàn),通過觀測信號的不同特征變化來檢測微放電。 經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究,根據(jù)不同的信號特征變化,已經(jīng)建立了幾種全局檢測方法,其對應(yīng)關(guān)系如表2 所列。

表2 微放電對信號影響及對應(yīng)的檢測方法Tab.2 Different test methods of multipactor

微放電對信號的影響,體現(xiàn)出隨機性,需要不同的檢測方法判斷。 一般采用調(diào)零檢測法、正向反向功率檢測法、二次或三次諧波檢測法、輸出頻譜檢測法,測試中至少采用兩種方法同時進行檢測,其中優(yōu)先選用調(diào)零檢測法。 實際工程應(yīng)用中,具備兩種以上的全局檢測方法是建立微放電測試實驗室必備的條件。

3 天線產(chǎn)品微放電測試方法

針對天線產(chǎn)品,其微放電測試目前主要采用調(diào)零檢測法、正向反向功率檢測法、諧波檢測法及輸出頻譜檢測法等。 由于天線產(chǎn)品輻射結(jié)構(gòu)的特殊性,在實際試驗中要考慮輻射功率的吸收,除此之外還需要考慮溫度、功率、尺寸結(jié)構(gòu)等,總體上,建立合格的天線產(chǎn)品微放電試驗系統(tǒng)十分困難,其主要難點和關(guān)鍵點包括:

1)大尺寸天線產(chǎn)品的合理放置:要確保被測件在真空罐內(nèi)安裝后與實際工作狀態(tài)接近,安裝過程中須不斷測試連接的駐波狀態(tài),合理調(diào)整天線位置與方向,保證駐波滿足測試要求狀態(tài)。 安裝過程不應(yīng)改變其熱邊界條件和測試設(shè)備的狀態(tài)。 安裝所用懸掛、支撐和固定裝置不得使用高放氣量和含污染物質(zhì)的材料,工裝不能靠近天線的輻射場內(nèi)。

2)高低溫試驗設(shè)計:考慮到航天器艙外天線的實際工作溫度,高溫試驗通常要求大于100 ℃。 為滿足微放電試驗的高低溫要求,可采用外掛加熱籠的方式。

3)大功率測試載波吸收:天線產(chǎn)品的最大試驗功率可達到連續(xù)波上百瓦,脈沖功率上千瓦量級,如何吸收輻射出的大功率測試載波對整個試驗系統(tǒng)是一個很大的挑戰(zhàn);須選用滿足真空功率要求的測試附件。

4)測試準確性:通常要求多種測試方法并用,以確保測試結(jié)果的準確性。

基于以上考慮,針對不同天線饋源種類,考慮其結(jié)構(gòu)、尺寸及性能等因素,研制了兩種通用的大型測試系統(tǒng)架構(gòu),其主要區(qū)別在于是否采用透波真空系統(tǒng)。

3.1 采用透波真空系統(tǒng)的天線微放電測試

基于天線產(chǎn)品微放電試驗的特殊要求,采用大功率透波真空罐、吸波暗室以及遠程控制測試相結(jié)合的方式,提出一種大功率微波天線在透波真空罐中的微放電測試方法[11],測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采用透波真空罐的輻射式測試方法示意圖Fig.2 Multipactor test system for antenna feeds based on permeable vacuum tank

信號源發(fā)出射頻信號,經(jīng)過微波信號調(diào)制單元形成高電平和低電平可調(diào)的脈沖信號,由微波功率放大器件放大后,經(jīng)過雙定向耦合器,再經(jīng)過密封波導(dǎo)窗(或密封同軸接頭)進入透波真空罐內(nèi)(如圖3所示),通過波導(dǎo)(或同軸電纜)饋入天線,天線的輻射功率輻射至吸波暗室。 采用該架構(gòu)時,可同時使用調(diào)零檢測法、正向反向功率檢測法、通過暗室的接收天線可同時使用二次或三次諧波檢測法、并監(jiān)測輸出頻譜。 試驗過程中通過監(jiān)測調(diào)零信號、信號入射、反射功率變化情況及真空容器外接收天線在載波頻率上接收電平的變化情況,確定是否發(fā)生微放電現(xiàn)象。

圖3 透波真空罐實物圖Fig.3 photograph of permeable vacuum tank is used

3.1.1 主要設(shè)計考慮

采用透波真空罐實現(xiàn)微放電測試,需從以下幾個方面進行設(shè)計和驗證:

1)透波材料性能:對于微放電測試系統(tǒng),合格的透波材料必須具備優(yōu)良的介電性能(ε＜10),優(yōu)良的力學(xué)性能,較低的熱膨脹系數(shù)以及足夠的溫變適應(yīng)范圍。

2)吸波材料承受功率密度:根據(jù)測試載波的功率譜密度要求,同時考慮吸波暗室物理尺寸及頻率覆蓋范圍等因素,需選用滿足微放電試驗需要的吸波材料。 吸波材料的承受功率密度計算公式如式(1)所示。 其中,Pt是系統(tǒng)最大輻射功率,C是同頻波束集中因子,Gt是系統(tǒng)輻射單元增益,R是饋源距反射面中心距離。

3)溫變范圍:測試系統(tǒng)的溫變范圍基于航天器天線實際工作環(huán)境溫度選定,同時需考慮透波材料的耐受溫度、熱膨脹系數(shù)、耐壓能力等多項參數(shù)。 通常要求試驗溫度范圍為-120 ℃ ~+80 ℃,真空度優(yōu)于 6.65×10-3Pa。

4)遠程控制測試技術(shù):基于大功率輻射測試的安全性考慮,測試控制工作必須在輻射場之外的安全區(qū)域操作,因此,合理、高效的遠程控制測試技術(shù)是必要的。

3.1.2 方法特點及適用性

該方法采用透波真空系統(tǒng)保證了真空測試環(huán)境,同時以常壓環(huán)境的大型吸波暗室作為輻射功率吸收載體,從而可以保證更高的輻射功率吸收和更好的散熱性能,因此十分有利于大功率測試,同時可以保證更好的測試駐波狀態(tài),獲得更優(yōu)的測試效果。此外,遠程控制測試技術(shù)的運用,使得在滿足測試精度的前提下,保證了測試人員及設(shè)備的安全,安全性較高。

但是,由于透波真空系統(tǒng)的體積限制,該方法只適用于結(jié)構(gòu)尺寸較小的天線產(chǎn)品,無法滿足大型天線的微放電試驗要求。

3.2 采用非透波真空系統(tǒng)的天線微放電測試

針對以上采用透波真空系統(tǒng)實現(xiàn)微放電測試的局限性,提出另一種使用非透波真空系統(tǒng)的微放電測試方法,二者實現(xiàn)功能及需求的互補。 采用非透波真空系統(tǒng)時,其內(nèi)部需使用專用的真空吸波箱體,測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示,信號源發(fā)出射頻信號,經(jīng)過微波信號調(diào)制單元形成高電平和低電平可調(diào)的脈沖信號,由微波功率放大器件放大后,經(jīng)過雙定向耦合器,再經(jīng)過密封波導(dǎo)窗(或密封同軸接頭)進入真空罐內(nèi),通過波導(dǎo)(或同軸電纜)饋入天線,天線的輻射功率輻射至真空大功率吸波箱體。 采用該架構(gòu)時,可同時使用調(diào)零檢測法、正反向功率檢測法以檢測微放電現(xiàn)象的發(fā)生與否。

圖4 采用非透波真空罐的輻射式測試方法測試示意圖Fig.4 Multipactor test system for antenna feeds based on non-permeable vacuum tank

真空系統(tǒng)中的大功率真空吸波箱是實現(xiàn)該測試架構(gòu)的關(guān)鍵,需考慮其吸波性能、吸波材料承受功率密度及溫變范圍等。 圖5 所示為大功率真空吸波箱結(jié)構(gòu)圖,包括主吸波屏、吸波箱體及側(cè)壁吸波屏等部分,其均由吸波模塊和吸波框架組成。

圖5 大功率真空吸波箱Fig.5 High power vacuum microwave anechoic chamber

3.2.1 吸波材料選用

圖6 所示為大功率真空吸波箱中常用的吸波材料結(jié)構(gòu),其由耐高溫和低放氣性的 SiC 材料經(jīng)1 300 ℃高溫?zé)Y(jié)而成, 最高可耐溫度為1 000 ℃。 尖錐結(jié)構(gòu)在測試其真空揮發(fā)性能時所承受的溫度范圍為25 ℃ ~125 ℃,滿足航天部標準QJ1558—88《真空中材料揮發(fā)性能測試方法》要求,滿足在真空環(huán)境下的使用要求。

圖6 大功率真空吸波箱中的吸波材料Fig.6 Absorbing material of high power vacuum microwave anechoic chamber

3.2.2 吸波性能

吸波箱的吸波性能由吸波模塊決定。 圖7 所示為50 型尖錐在不同入射角下的反射率情況,在1.0~32 GHz 范圍內(nèi),反射率均≤-33 dB,吸波性能滿足要求。

圖7 吸波箱不同入射角的反射率圖Fig.7 Reflectivity of absorbing box under different incident angle

3.2.3 方法特點及適用性

該方法可以在常規(guī)的非透波真空系統(tǒng)中實現(xiàn)天線微放電測試,相比采用透波真空系統(tǒng),測試系統(tǒng)搭建的復(fù)雜度較低。 且該方法不再受限于透波真空系統(tǒng)的尺寸限制,可根據(jù)實際天線規(guī)模定制專用的大功率真空吸波箱體,從而可以實現(xiàn)大型天線系統(tǒng)的微放電試驗。 該方法由于天線放置空間較大,試驗過程中比較容易實現(xiàn)天線位置方向的調(diào)整,以獲得合格的測試駐波狀態(tài)。 但是該方法對于吸波箱體的要求較高,吸波箱體應(yīng)使用鐵氧體類不易揮發(fā)的吸波材料,以避免吸波材料對被測件造成污染。

3.3 航天器天線的微放電測試實例

圖8 所示為中國空間技術(shù)研究院西安分院為某型號高頻(27 ~30 GHz)天線輻射式微放電測試試驗,該試驗在通用非透波真空設(shè)備搭載大功率吸波箱內(nèi)進行,很好的驗證了高頻天線的微放電設(shè)計余量,同時也考核了大功率吸波箱在真空環(huán)境下的性能。

圖8 某高頻天線饋源微放電試驗Fig.8 A multipactor test for large antenna feeds

圖9 所示為中國空間技術(shù)研究院西安分院某微放電測試試驗系統(tǒng)環(huán)境,其中所測試天線產(chǎn)品的直徑達到1.5 m,最多由24 路饋源組成。 由于通用的真空設(shè)備和吸波箱無法滿足要求,為解決大天線的微放電試驗,最終在KM3 真空設(shè)備中實現(xiàn)。 根據(jù)真空設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性,研制了滿足大天線饋源陣的大功率吸波箱,特制的吸波箱內(nèi)切圓直徑達到2 m,同時組建3 路L 頻段微放電測試系統(tǒng),完成了天線的測試試驗,整個試驗周期為5 天,這也是國內(nèi)首次實現(xiàn)最大尺寸的天線微放電試驗,目前已發(fā)星的天線產(chǎn)品在軌工作正常。

圖9 某大型天線饋源微放電試驗環(huán)境Fig.9 A multipactor test environment for large antenna feeds

4 結(jié)論

微放電效應(yīng)嚴重制約航天器有效載荷的功率容量提升,微放電測試試驗是工程應(yīng)用中檢測產(chǎn)品微放電性能是否合格的必要手段。 文章介紹了通用的微放電測試方法,在此基礎(chǔ)上,針對不同類型天線產(chǎn)品的微放電測試,介紹了兩種典型的輻射式微放電測試方法,給出了設(shè)計原則和關(guān)鍵點分析。 文章所述方法在航天器工程中得到了實際應(yīng)用,有效驗證了航天器有效載荷天線產(chǎn)品的微放電性能,提高了我國航天器天線的研制技術(shù)水平。