典型星載螺旋天線的大功率微放電效應(yīng)仿真分析及試驗(yàn)研究

劉 敏，王曉天，魯 帆，趙鴻志，張立功，薛 欣

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部； 2. 北京市電磁兼容與天線測(cè)試工程技術(shù)研究中心；3. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司：北京 100094）

0 引言

隨著大容量廣播通信衛(wèi)星、高功率雷達(dá)偵察衛(wèi)星及遙感衛(wèi)星等的功能需求提升，衛(wèi)星微波系統(tǒng)的工作功率不斷提高，使得微波系統(tǒng)發(fā)生空間微放電的可能性大大增加，微放電效應(yīng)成為影響空間大功率微波部件可靠性的基礎(chǔ)性關(guān)鍵問題。天線作為微波器件的關(guān)鍵單機(jī)之一，所要求的耐受功率也不斷增加，而大功率應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星天線的可靠性提出了更高要求。研究表明，大功率天線和微波器件在真空中容易發(fā)生微放電現(xiàn)象，而微放電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致放電表面侵蝕，嚴(yán)重的微放電會(huì)燒毀器件，使天線或微波器件性能變差甚至失效，從而造成衛(wèi)星微波系統(tǒng)性能下降乃至無(wú)法正常工作。

目前大部分的微放電研究分析主要集中于配電器、組件以及饋電網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)于直接暴露在衛(wèi)星表面的微波輻射天線的微放電分析和研究很少見諸報(bào)道。天線作為衛(wèi)星微波系統(tǒng)的重要組成部分，是衛(wèi)星各種數(shù)據(jù)信號(hào)下傳或星間互傳的關(guān)鍵單機(jī)之一，天線在軌一旦發(fā)生微放電故障，將直接影響衛(wèi)星正常工作，因此對(duì)天線進(jìn)行微放電分析以及對(duì)如何提高天線功率耐受能力進(jìn)行研究顯得尤為重要。

本文從典型星載雙繞背射螺旋天線的設(shè)計(jì)出發(fā)，利用HFSS 軟件對(duì)天線進(jìn)行微放電設(shè)計(jì)及仿真分析，以提高天線微放電閾值；采用前后向功率調(diào)零檢測(cè)法對(duì)天線進(jìn)行功率耐受和微放電試驗(yàn)，以驗(yàn)證該天線能否滿足衛(wèi)星微波系統(tǒng)的功率容量要求；最后對(duì)天線進(jìn)行功率加大的拉偏功率耐受試驗(yàn)，對(duì)天線放電現(xiàn)象及其對(duì)天線性能影響進(jìn)行研究分析。

1 微放電機(jī)理分析

微放電效應(yīng)是一種在真空環(huán)境下發(fā)生的諧振放電現(xiàn)象，通常是在2 個(gè)金屬表面間或單個(gè)介質(zhì)表面上，自由電子在外加射頻電場(chǎng)下激發(fā)的二次電子發(fā)射撞擊導(dǎo)致雪崩效應(yīng)。表面二次電子發(fā)射的特性又與部件的材料、表面處理、污染程度、溫度、電子撞擊表面時(shí)的速度以及部件中的縫隙電壓等因素有關(guān)。一般在2 個(gè)電極之間填充介質(zhì)，可以降低電子的自由程度，等效擴(kuò)大間隔尺寸，但大多數(shù)介質(zhì)只需要較低的原電子入射能量就能使其表面的二次電子發(fā)射系數(shù)＞1，從而獲得初始放電電子來源。

為理解微放電現(xiàn)象，可以將微波部件腔體內(nèi)部的微放電過程簡(jiǎn)化描述成圖1 所示的雙極板情況。進(jìn)入腔體內(nèi)兩極板之間的初級(jí)電子在射頻電場(chǎng)的作用下，加速撞擊其中一個(gè)壁面并通過二次電子發(fā)射激發(fā)電子，若電場(chǎng)方向在電子撞擊同時(shí)正好指向該壁面，產(chǎn)生的二次電子就會(huì)迅速離開并加速撞向另一個(gè)壁面，每次撞擊時(shí)電子二次發(fā)射都會(huì)釋放出更多的自由電子，如此持續(xù)，當(dāng)電子數(shù)量積累到一定程度時(shí)，雙極板內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)二次電子的雪崩效應(yīng)，從而引發(fā)微放電現(xiàn)象。

圖1 射頻間隙中雙平面微放電效應(yīng)示意Fig. 1 Schematic diagram of dual-plane micro-discharge effect in RF gap

2 星載天線微放電設(shè)計(jì)及仿真分析

某星載天線采用典型的雙繞背射螺旋天線形式，包括天線支架和天線本體2 部分，天線本體由外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、螺旋線及插座等組成，具體見圖2 所示。

圖2 天線本體組成Fig. 2 Configuration of the antenna

根據(jù)衛(wèi)星主流對(duì)地通信系統(tǒng)的使用需求，雙繞背射螺旋天線的功率容量設(shè)計(jì)值一般為50 W。天線在微放電設(shè)計(jì)方面主要是依據(jù)歐洲空間研究和技術(shù)中心（ESTEC）微波設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和航天器射頻部件與設(shè)備微放電試驗(yàn)方法進(jìn)行，通常采用6 dB測(cè)試容限，電子二次倍增效應(yīng)的設(shè)計(jì)容限和測(cè)試容限均為6 dB，設(shè)計(jì)容限的具體分配參見表1。

表1 微放電設(shè)計(jì)容限分配Table 1 Allocation of designed multipactor tolerance

應(yīng)用HFSS 軟件對(duì)天線進(jìn)行微放電設(shè)計(jì)與分析，天線材料主要為黃銅和鈹青銅，材料表面鍍金處理，二次電子發(fā)射系數(shù)取1.5，仿真分析選擇全輻射邊界。天線內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)越大越集中，越容易發(fā)生微放電效應(yīng)。設(shè)計(jì)過程中，通過優(yōu)化天線螺旋線與外導(dǎo)體間隙、內(nèi)外導(dǎo)體間隙等最終確認(rèn)設(shè)計(jì)狀態(tài)。仿真分析天線電場(chǎng)分布如圖3 所示：在輸入功率為50 W 時(shí)，天線電場(chǎng)最大值位于外導(dǎo)體開縫外側(cè)，為5.051×10V/m；在輸入功率為200 W 時(shí)，天線電場(chǎng)最大值仍位于外導(dǎo)體開縫外側(cè)，約為5.052×10V/m。

圖3 天線電場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig. 3 Analytical result of electric field distributions on the antenna

在分析過程中專門針對(duì)天線的不同部位進(jìn)行電壓和電流的抽樣計(jì)算，抽樣部位包括電流、電壓相對(duì)集中的易發(fā)生微放電的部位。對(duì)電壓最大點(diǎn)（外導(dǎo)體開縫外）進(jìn)行分析，得到如圖4 所示的微放電閾值分析曲線，在輸入功率為50 W 時(shí)，該處的微放電設(shè)計(jì)閾值在13.5 dB 以上，可以看出該天線有足夠的微放電設(shè)計(jì)余量；而在輸入功率為200 W時(shí)，該處的微放電設(shè)計(jì)閾值僅有1.2 dB，說明此時(shí)天線的微放電設(shè)計(jì)余量較小，發(fā)生放電的可能性較大。

圖4 天線微放電閾值分析曲線Fig. 4 Analytical curve of multipactor threshold of the antenna

3 天線功率耐受和微放電試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)的正確性以及天線實(shí)際的功率耐受能力，需要對(duì)天線進(jìn)行50 W 連續(xù)波的功率耐受和平均功率50 W 加6 dB 脈沖功率（峰值200 W）及電子的微放電試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間均為30 min。

3.1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本次天線試驗(yàn)采用入射/反射功率調(diào)零檢測(cè)法。微波系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)、加工等方面存在的不完善，系統(tǒng)中總是存在一定成分的反射功率。這種系統(tǒng)固有的反射功率與微放電產(chǎn)生的反射功率混合在一起，使常規(guī)入射/反射功率檢測(cè)法的靈敏度較低。入射/反射功率調(diào)零檢測(cè)法是將微波系統(tǒng)原有的入射和反射功率2 路信號(hào)通過調(diào)零電橋變?yōu)榈确聪嗟牧愎β始拥筋l譜儀上，當(dāng)發(fā)生微放電時(shí)，調(diào)零的狀態(tài)被破壞，頻譜儀上就會(huì)檢測(cè)到失去平衡的電橋的輸出信號(hào)。這種方法可以使檢測(cè)靈敏度提高60 dB，是目前微波系統(tǒng)應(yīng)用中最靈敏的微放電檢測(cè)方法。

試驗(yàn)系統(tǒng)由微波信號(hào)源、微波大功率放大器、大功率雙定向耦合器、頻譜儀、溫度巡檢儀和功率計(jì)等組成，如圖5 所示。信號(hào)源由電源、信號(hào)發(fā)生器、脈沖形成器、T/R 功率放大模塊組成，產(chǎn)生大功率脈沖信號(hào)經(jīng)過功放和雙定向耦合器傳輸至天線端；雙定向耦合器的入射及反射功率射頻信號(hào)經(jīng)調(diào)零單元，一路送入功率計(jì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中入射及反射功率的變化，另一路送入頻譜儀監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中調(diào)零值的變化。如果沒有微放電現(xiàn)象，頻譜儀所觀察到的頻譜信號(hào)穩(wěn)定；一旦發(fā)生微放電現(xiàn)象，頻譜儀上的頻譜信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)連接框圖Fig. 5 Block diagram of the testing system

此外，自由電子的產(chǎn)生通過鎢絲冷發(fā)射實(shí)現(xiàn)，鎢絲發(fā)射電子的能量為3～8 keV，所發(fā)射自由電子通過與容器壁及試件碰撞損失能量后成為低能電子參與微放電。

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前使用功率計(jì)標(biāo)定信號(hào)源的輸出功率，并測(cè)試天線試前端口駐波；試驗(yàn)中將天線置于真空試驗(yàn)罐內(nèi)，在天線插座位置粘貼測(cè)溫點(diǎn)，試驗(yàn)罐中氣壓低于1.3×10Pa 并保持2 h 后開始試驗(yàn)，按照3 min的時(shí)間間隔記錄溫度、調(diào)零電平、功率計(jì)正/反向功率等數(shù)值。天線的功率耐受和微放電試驗(yàn)流程如圖6 和圖7 所示。

圖6 天線功率耐受試驗(yàn)流程Fig. 6 Flow chart of power endurance test for the antenna

圖7 天線微放電試驗(yàn)流程Fig. 7 Flow chart of multipactor test of the antenna

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

天線的功率耐受和微放電試驗(yàn)過程中頻譜儀調(diào)零電平波形穩(wěn)定無(wú)跳變，監(jiān)測(cè)溫度無(wú)異常升高，試驗(yàn)過程記錄見表2 和表3。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)天線進(jìn)行了試后端口駐波測(cè)試，經(jīng)比對(duì)試驗(yàn)前、后天線端口的駐波比一致（均為1.31）且滿足指標(biāo)要求。同時(shí)對(duì)天線外觀及其內(nèi)部進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)發(fā)黃、發(fā)黑或介質(zhì)燒焦擊穿的痕跡，由此可以判定整個(gè)試驗(yàn)過程未發(fā)生微放電，天線順利通過了50 W 連續(xù)波的功率耐受和平均功率50 W 加6 dB 脈沖功率（峰值200 W）及電子的微放電試驗(yàn)，證明天線功率耐受能力滿足50 W 的指標(biāo)要求。

表2 50 W 連續(xù)波的功率耐受試驗(yàn)過程記錄Table 2 The power endurance test process of 50 W continuous wave

表3 50 W 平均功率加6 dB 脈沖的加電子微放電試驗(yàn)過程記錄Table 3 The multipactor test process of 50 W average power plus 6 dB pulse and electron

4 天線拉偏試驗(yàn)及放電影響分析

為了分析天線發(fā)生微放電的現(xiàn)象以及微放電對(duì)天線性能的影響，對(duì)天線進(jìn)行加大功率的拉偏功率耐受試驗(yàn)。連續(xù)波輸入功率從60 W 逐漸增大到80、100、120、150、180 W，沿用第3 章的試驗(yàn)方法進(jìn)行功率耐受試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中均未發(fā)生放電現(xiàn)象。當(dāng)輸入功率加大到200 W，調(diào)零電平初始值為-90.65 dBm，試驗(yàn)進(jìn)行到3 min30 s 時(shí)，調(diào)零電平波形突然發(fā)生劇烈抖動(dòng)且不能維持在-60 dBm 以下，試驗(yàn)罐內(nèi)真空度由7.9×10Pa 跳變?yōu)?.7×10Pa，功率計(jì)反向功率由14.97 dBm 增大到22.85 dBm，測(cè)溫點(diǎn)溫度異常上升，由此可以判定天線發(fā)生了微放電。為了觀察放電持續(xù)時(shí)間，繼續(xù)保持200 W 的功率輸入，發(fā)現(xiàn)放電持續(xù)約30 s，試驗(yàn)進(jìn)行到4 min時(shí)，調(diào)零電平值瞬間恢復(fù)到-89.20 dBm 并保持穩(wěn)定，真空度恢復(fù)到7.8×10Pa，功率計(jì)反向功率穩(wěn)定在17.18 dBm 左右，由此可以判定天線恢復(fù)正常工作。后續(xù)26 min 的試驗(yàn)過程中，未再次發(fā)生微放電，整個(gè)試驗(yàn)過程記錄見表4。

表4 200 W 連續(xù)波的拉偏功率耐受試驗(yàn)過程記錄Table 4 200 W continuous wave pull-biased power tolerance test

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)天線進(jìn)行試后端口駐波測(cè)試，天線駐波比由1.31 變化為1.95。天線外觀無(wú)明顯異常，拆開天線發(fā)現(xiàn)其內(nèi)導(dǎo)體鍍金層已局部發(fā)黑，周圍聚四氟乙烯介質(zhì)已局部燒毀，如圖8 所示。由此可見，天線在200 W 連續(xù)波的功率耐受試驗(yàn)過程中發(fā)生了微放電，與第2 章的設(shè)計(jì)仿真結(jié)果（輸入功率為200 W 時(shí)放電閾值僅為1.2 dB）較吻合。

圖8 天線放電后內(nèi)部照片F(xiàn)ig. 8 Inside view of the antenna after multipactor

結(jié)合天線在軌應(yīng)用情況，通常衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)傳輸一圈時(shí)間不超過20 min，即天線單次連續(xù)工作不超過20 min，正常情況下系統(tǒng)輸入功率為50 W，不會(huì)發(fā)生放電效應(yīng)；極端情況下，如天線前端發(fā)生故障導(dǎo)致輸入天線的功率高達(dá)200 W，則可能導(dǎo)致天線發(fā)生微放電效應(yīng)。根據(jù)上述試驗(yàn)現(xiàn)象可知，天線放電時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)突然中斷，中斷持續(xù)時(shí)間約30 s，放電后天線駐波會(huì)變化，但是由此造成的天線輻射性能下降不超過0.3 dB，遠(yuǎn)不足以導(dǎo)致傳輸鏈路失效，因此，衛(wèi)星信號(hào)傳輸在放電結(jié)束后可恢復(fù)正常，整星仍能在軌正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以典型星載天線為例，采用HFSS 軟件對(duì)該天線的微放電閾值進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明天線外導(dǎo)體開縫位置電場(chǎng)最大，最易發(fā)生微放電，但50 W 輸入功率下，該處的微放電設(shè)計(jì)閾值在13.5 dB 以上，說明天線有足夠的微放電設(shè)計(jì)余量。采用前后向功率調(diào)零檢測(cè)法對(duì)天線進(jìn)行了功率耐受和微放電試驗(yàn)，試驗(yàn)均為一次通過，表明該天線滿足衛(wèi)星微波系統(tǒng)的50 W 功率容量要求，也驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)天線進(jìn)行功率加大的拉偏功率耐受試驗(yàn)，結(jié)果在輸入功率加大到200 W 時(shí)，天線發(fā)生微放電效應(yīng)，但不會(huì)對(duì)衛(wèi)星在軌應(yīng)用造成明顯影響。

該研究結(jié)果可為典型星載天線在軌高功率應(yīng)用的可靠性分析提供參考。