一種新型透波低無(wú)源互調(diào)溫箱箱體的設(shè)計(jì)

李硯平，柴繼澤，代 峰

（西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，西安 710100）

0 引言

無(wú)源互調(diào)（passive intermodulation, PIM）是一種在多個(gè)載頻條件下由無(wú)源器件自身固有非線性導(dǎo)致的雜散信號(hào)，通常發(fā)生在同軸線纜、濾波器、電連接器等部件中。

為控制大型可展開(kāi)天線系統(tǒng)的尺寸和重量，減輕平臺(tái)負(fù)重，通常需要采用收發(fā)共用的工作形式，而收發(fā)共用易導(dǎo)致PIM 問(wèn)題。PIM 產(chǎn)生的機(jī)理非常復(fù)雜，材料（鐵磁材料是強(qiáng)無(wú)源互調(diào)源）、加工工藝、過(guò)程污染、連接器接頭松動(dòng)、金屬表面氧化形成的金屬-絕緣體-金屬結(jié)（metal-insulator-metal,MIM）乃至溫度等都是其誘發(fā)因素。因此，對(duì)PIM 電平值的準(zhǔn)確理論分析和預(yù)測(cè)存在困難，而PIM 的影響不容忽視，須在有效載荷研制中將其列為重要指標(biāo)，建立專(zhuān)門(mén)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行部件級(jí)或整星級(jí)的測(cè)試評(píng)定?？臻g天線工作的空間環(huán)境具有嚴(yán)酷性、極端性和不確定性，交變溫度嚴(yán)重影響PIM電平值的大小和穩(wěn)定，繼而影響天線的可靠性，因此空間天線要考慮溫度交變下的PIM 效應(yīng)，通過(guò)地面測(cè)試驗(yàn)證其在高低溫環(huán)境下的PIM 性能。

國(guó)外在高低溫PIM 研究方面起步較早，根據(jù)材料透波原理設(shè)計(jì)和建造了不同的透波高低溫PIM設(shè)備，進(jìn)行天線透波高低溫PIM 測(cè)試。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究尚處于探索階段，需要自主研發(fā)低無(wú)源互調(diào)透波溫箱。

本文基于對(duì)箱體保溫、耐壓和透波性能的綜合要求，優(yōu)選2 種介質(zhì)材料設(shè)計(jì)了一款低無(wú)源互調(diào)透波溫箱箱體。采用內(nèi)、外箱體用不同介質(zhì)材料嵌套的結(jié)構(gòu)方式，兩層箱體采用彈性套連接方法，以克服單一介質(zhì)材料保溫性能差、抗壓能力弱的缺陷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)箱體本身的低無(wú)源互調(diào)性能。

1 透波溫箱箱體透波材料選擇

透波溫箱箱體材料選擇需要考慮3 點(diǎn)：1）確保箱體的低PIM 特性，不產(chǎn)生對(duì)測(cè)試件的干擾；2）確保箱體的透波性能，透波率優(yōu)于85%；3）高低溫環(huán)境適用性，透波低無(wú)源互調(diào)溫箱的適用溫度范圍-150～150 ℃。

測(cè)試系統(tǒng)中產(chǎn)生PIM 一般有材料非線性和接觸非線性2 種。天線PIM 測(cè)試中產(chǎn)生的信號(hào)是測(cè)試系統(tǒng)和天線自身信號(hào)的疊加。要確保透波測(cè)試系統(tǒng)盡量不產(chǎn)生PIM 干擾，首先要選用不含非線性導(dǎo)電材料的介質(zhì)材料；同時(shí)，為測(cè)試天線輻射特性下的PIM 性能，溫箱箱體需最大程度地將天線發(fā)射的信號(hào)透射出去，減少反射回波，因此溫箱箱體必須采用具有優(yōu)異介電性能（＜10）的透波材料。具備以上2 種特性的材料包括自然生長(zhǎng)的木材和合成復(fù)合介質(zhì)材料；鑒于木材的介電常數(shù)隨其含水率和溫度變化而改變，影響測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故考慮選用合成復(fù)合介質(zhì)材料。合成復(fù)合介質(zhì)透波材料包括無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類(lèi)，前者主要指磷酸鹽基復(fù)合材料和耐高溫陶瓷材料，后者主要指樹(shù)脂材料。樹(shù)脂材料良好的黏結(jié)性能保證其力學(xué)特性，且其無(wú)內(nèi)部極化現(xiàn)象，相比陶瓷材料具有非常低的介電常數(shù)與損耗。

無(wú)機(jī)透波材料一般耐高溫性能較好（在1000 ℃以上），但耐低溫性能較差（在低于-60 ℃的情況下容易開(kāi)裂損壞），且材料密度較大，不利于輕量化設(shè)計(jì)。相比而言，有機(jī)透波材料的耐高溫性能一般（長(zhǎng)期可耐250～300 ℃），但低溫性能好（在-269 ℃的液氦中仍不會(huì)脆裂）；同時(shí)，有機(jī)透波材料密度小且具有良好的機(jī)械性能，適于大型試驗(yàn)設(shè)備的安裝。綜上，根據(jù)本項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)，最終在有機(jī)透波材料中選定聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）和聚酰亞胺作為溫箱箱體透波材料。其中，PMI 的透波特性見(jiàn)表1，聚酰亞胺的介電常數(shù)為3.4，介電損耗角正切值為0.002。

表1 聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）的透波特性[13]Table 1 Wave-transparent characteristics of PMI[13]

2 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

透波箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮2 點(diǎn)：1）要實(shí)現(xiàn)良好的隔熱效果，保證箱內(nèi)溫度可以在-150～150 ℃范圍內(nèi)以一定的升降溫速率變化；2）升降溫過(guò)程中箱體要能夠承受巨大的壓力，該壓力值須在箱體材料安全范圍內(nèi)。

試驗(yàn)箱體設(shè)計(jì)要求箱內(nèi)環(huán)境能夠滿足要求的升溫與降溫速率，并保證溫度均勻性；箱體內(nèi)部溫度達(dá)到試驗(yàn)所需值后，需要在使用時(shí)間內(nèi)保持箱體內(nèi)部穩(wěn)定的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)，即要求試驗(yàn)箱體必須具有良好的密閉性和保溫性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品降溫時(shí)，液氮進(jìn)入透波溫箱內(nèi)，以1∶696 的比例迅速膨脹為氮?dú)?，而溫箱?nèi)壓力會(huì)導(dǎo)致箱體的結(jié)構(gòu)形變，但如果箱體采用高強(qiáng)度金屬框架，即使選用的是非鐵磁性的材料，仍會(huì)導(dǎo)致箱體的PIM 性能和透波性能下降，因此，采用完全的介質(zhì)材料是確保溫度、PIM性能和透波性能同時(shí)滿足要求的最佳選擇。針對(duì)箱體耐壓、耐熱疲勞的要求，本文采用了內(nèi)、外箱體PMI 和聚酰亞胺材料彈性嵌套的結(jié)構(gòu)方式，兼取聚酰亞胺材料保溫性能優(yōu)良和PMI 材料強(qiáng)度高的特點(diǎn)，以克服單一介質(zhì)材料保溫性能差、抗壓能力弱的缺陷。通過(guò)對(duì)材料不同厚度下的力學(xué)特性分析，最終確定箱體材料規(guī)格為85 mm 厚的PMI 及50 mm厚的聚酰亞胺，以確保無(wú)源互調(diào)溫箱箱體結(jié)構(gòu)合理、滿足力學(xué)安全裕度要求。

根據(jù)PMI 和聚酰亞胺的力學(xué)特性，將PMI 選作透波溫箱的外部框架，以保證溫箱箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和隔熱性能，將聚酰亞胺敷在箱體內(nèi)側(cè)用于保溫。對(duì)這2 種材料組合后的透波性能在典型頻點(diǎn)下進(jìn)行測(cè)試，得到如表2 所示的實(shí)測(cè)數(shù)值。

表2 材料組合后的透波性能實(shí)測(cè)數(shù)值Table 2 Test result of wave-transparent characteristics of assembly material

從表2 可以看出，PMI 板和聚酰亞胺都具有良好的透波性能，聚酰亞胺的透波性能更優(yōu)，2 種材料組合后的總插損＜1 dB，完全滿足高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)溫箱箱體材料透波性能的要求。

3 箱體的力學(xué)特性分析

采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)箱體力學(xué)特性進(jìn)行分析，PMI 材料采用梁?jiǎn)卧?、聚酰亞胺材料采用殼單元模擬，螺釘連接及2 種材料的接觸在骨架的十字交叉點(diǎn)用多點(diǎn)約束方程及MPC（multipoint constraint）模擬，箱體內(nèi)部壓力取0.002 MPa。溫箱箱體的有限元結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 溫箱箱體有限元結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Finite element structural model of the temperature test box

力學(xué)特性分析計(jì)算中的參數(shù)取值如下：PMI 泡沫板材料厚度85 mm，彈性模量70 MPa，剪切模量19 MPa，泊松比0.37，拉伸強(qiáng)度1.9 MPa，壓縮強(qiáng)度0.9 MPa，密度52 kg/m；聚酰亞胺材料厚度50 mm，彈性模量2 MPa，泊松比0.3（彈性模量和泊松比為假設(shè)值，因?yàn)樵摬牧虾苘?，?duì)計(jì)算結(jié)果基本無(wú)影響）。實(shí)際高低溫?zé)o源互調(diào)試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，溫箱箱體除了滿足溫度和低互調(diào)要求，還要保證試驗(yàn)過(guò)程的安全可靠，故依次對(duì)所設(shè)計(jì)箱體結(jié)構(gòu)的PMI 框架、聚酰亞胺材料和組合箱體開(kāi)展應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全裕度，結(jié)果如圖2～圖4 所示?？梢钥吹剑篜MI 框架承受的壓力（4.49 MPa）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚酰亞胺材料承受的壓力（0.506 MPa），因此只需要重點(diǎn)考慮PMI 框架的受力；組合后的箱體實(shí)際承受的應(yīng)力最大為18.2 MPa，此時(shí)箱體的形變?yōu)?.67 mm。該形變量滿足材料安全使用要求，不影響箱體使用中的測(cè)試結(jié)果。

圖2 PMI 框架應(yīng)力云圖Fig. 2 Stress nephogram of the PMI frame

圖3 聚酰亞胺材料應(yīng)力云圖Fig. 3 Stress nephogram of the polyimide

圖4 組合箱體形變?cè)茍DFig. 4 Deformation nephogram of the assembly box

如前所述，箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要針對(duì)PMI板承受的壓力。液氮進(jìn)入溫箱膨脹后的箱內(nèi)壓力最大為0.002 MPa，測(cè)試得到最大箱內(nèi)壓力下箱體實(shí)際承受的最大應(yīng)力為18.2 MPa。則箱體的安全裕度為

式中：為許用應(yīng)力；為實(shí)際應(yīng)力；為安全系數(shù)，=/，為極限應(yīng)力。PMI 板的彎曲強(qiáng)度為45 MPa，安全系數(shù)取為1.5，則可計(jì)算得到箱體結(jié)構(gòu)PMI 板的安全裕度為0.648，說(shuō)明本文的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足力學(xué)抗壓要求。

4 箱體熱應(yīng)力分析

星載天線在軌工作時(shí)，電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)之間存在耦合作用，由于電磁損耗，天線中大功率微波的傳輸會(huì)在微波部件內(nèi)部產(chǎn)生熱效應(yīng)，包括電阻性損耗和磁性損耗，

其中：為電流密度；為電場(chǎng)能量；為磁通量密度；為磁場(chǎng)能量。

此外，在飛行過(guò)程中，天線受到自身結(jié)構(gòu)遮擋以及外界熱流變化等因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度變化頻繁且變化幅度較大，因此天線結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)熱應(yīng)力和熱膨脹現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生變形，這種形變會(huì)導(dǎo)致金屬接觸發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生接觸非線性導(dǎo)致的PIM。結(jié)構(gòu)由于溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變量為

式中：為結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)；為部件溫度；為應(yīng)變參考溫度。

熱應(yīng)力的產(chǎn)生與溫度變化和約束有關(guān)，結(jié)構(gòu)由于溫度變化而發(fā)生自由變形時(shí)，并不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；當(dāng)自由形變受到約束，溫度不同的相鄰部位在約束下不能自由伸縮時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。本文所設(shè)計(jì)的新型透波溫箱的主要功能是在高低溫環(huán)境開(kāi)展天線的低互調(diào)測(cè)試，天線安裝在透波高低溫箱體中測(cè)試，如果箱體的形變量大，會(huì)影響到箱體的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)導(dǎo)致天線的安裝位移，影響測(cè)試結(jié)果。因此，由介質(zhì)材料構(gòu)成的箱體需要保證熱應(yīng)力和保溫性能同時(shí)滿足要求。

溫箱采用的新型透波材料在降溫的過(guò)程中受到-196 ℃液氮的溫度沖擊，故須對(duì)2 種箱體材料的耐溫能力和熱膨脹系數(shù)是否匹配進(jìn)行熱應(yīng)力分析。根據(jù)試驗(yàn)要求，透波溫箱的溫度控制范圍是-150～150 ℃，實(shí)際工作環(huán)境溫度達(dá)到-180～180 ℃，并且在高低溫下保溫時(shí)長(zhǎng)需≥1 h。PMI 板的耐溫范圍是-160～180 ℃，聚酰亞胺的耐溫范圍是-269～250 ℃，故可通過(guò)雙層保溫設(shè)計(jì)，主要由內(nèi)層聚酰亞胺材料保證箱體的耐溫和保溫性能。

聚酰亞胺內(nèi)壁溫度為-150 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)聚酰亞胺隔溫其外壁溫度升高到-113 ℃，再經(jīng)過(guò)PMI 板的隔溫，箱體外壁溫度接近室溫。仿真得到低溫下的溫箱箱體形變?cè)茍D（圖5），可以看到最大形變?yōu)?0.22 mm。

圖5 低溫下的溫箱箱體形變?cè)茍DFig. 5 Deformation nephogram of the box at low temperature

聚酰亞胺內(nèi)壁溫度為150 ℃時(shí)，經(jīng)聚酰亞胺隔溫，其外壁溫度降至112 ℃左右，再經(jīng)過(guò)PMI 板的隔溫，箱體外壁溫度接近室溫。仿真得到高溫下的溫箱箱體形變?cè)茍D（圖6），可以看到最大形變?yōu)?7.85 mm。

圖6 高溫下的箱體形變?cè)茍DFig. 6 Deformation nephogram of the box at high temperature

由圖5 和圖6 可以看到，高、低溫下的最大應(yīng)力形變發(fā)生處即箱體的受力薄弱環(huán)節(jié)是通道接口和箱門(mén)處，分析可得這2 處的受力分別為0.407 MPa和0.372 MPa，繼而可由式(1)計(jì)算得到箱體的安全裕度為0.106，雖滿足使用要求，但安全裕度較小，在實(shí)際施工時(shí)須針對(duì)管道進(jìn)行特殊加固。

5 無(wú)源互調(diào)溫箱箱體測(cè)試與驗(yàn)證

無(wú)源互調(diào)透波溫箱箱體研制完成后，對(duì)其進(jìn)行溫度和無(wú)源互調(diào)性能測(cè)試。實(shí)測(cè)顯示，箱內(nèi)溫度最高達(dá)到150.2 ℃，最低達(dá)到-149.8 ℃，滿足技術(shù)指標(biāo)要求的溫度范圍（-150～150 ℃）；經(jīng)歷4 次高低溫循環(huán)（-20～90 ℃）測(cè)試，溫箱箱體的PIM 性能基本穩(wěn)定優(yōu)于-150 dBm（雙波25 W×2，7 階），如圖7 所示，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖7 箱體PIM 性能測(cè)試曲線Fig. 7 The tested PIM characteristic curve of the box

6 結(jié)束語(yǔ)

為設(shè)計(jì)一款可以用于高低溫?zé)o源互調(diào)測(cè)試的溫箱箱體，本文從抗壓、耐溫和透波性能三方面考慮，選用2 種介質(zhì)材料——聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）和聚酰亞胺作為透波材料，設(shè)計(jì)嵌套結(jié)構(gòu)箱體，并針對(duì)關(guān)鍵的力學(xué)承壓進(jìn)行分析計(jì)算，在箱體制作完成后對(duì)其保溫性能開(kāi)展測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

設(shè)計(jì)研制過(guò)程中存在后續(xù)需要注意和解決的問(wèn)題有：

1）箱體PMI 材料在高、低溫下的最大應(yīng)力分別為0.407 MPa 和0.372 MPa，對(duì)應(yīng)的薄弱環(huán)節(jié)均位于通道開(kāi)孔處，且經(jīng)過(guò)計(jì)算安全裕度較小，已接近于0，實(shí)際工程中需要采取必要的加固工藝措施，降低結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)。

2）透波箱體采用雙層保溫設(shè)計(jì)，內(nèi)層聚酰亞胺可保證透波材料的溫度耐受范圍和保溫性能，外層PMI 板可保證箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和透波性能。但需要注意，內(nèi)層聚酰亞胺在長(zhǎng)期使用中存在微小泡沫顆粒污染產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行潔凈度處理和設(shè)計(jì)，以滿足航天產(chǎn)品對(duì)潔凈度的要求。

本文設(shè)計(jì)的透波溫箱已在星載天線饋源、金屬網(wǎng)反射面等輻射類(lèi)高低溫?zé)o源互調(diào)試驗(yàn)中得到應(yīng)用，隨著工程應(yīng)用的要求發(fā)展，未來(lái)對(duì)透波溫箱箱體有大尺寸需求時(shí)，還需探索新材料和新工藝設(shè)計(jì)。