一種星載巴特勒矩陣微放電特性的分析與驗證

彭 健，華 岳，陶 嘯，牛雪杰，崔 鎮(zhèn)，2

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.西安電子科技大學(xué)大學(xué) 空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710126)

0 引言

近年來，隨著星載雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，其測量精度和分辨率不斷提高。為了滿足星載雷達(dá)系統(tǒng)越來越高的性能需求，其載荷的功率也隨之不斷增大，這對雷達(dá)系統(tǒng)的射頻通道也提出了更高的要求。在大功率應(yīng)用場景下，星載雷達(dá)載荷中微波部件的微放電效應(yīng)需要在設(shè)計過程中進(jìn)行仔細(xì)的分析。微放電效應(yīng)是一種在真空環(huán)境下的大功率射頻部件中，在特定條件下材料表面發(fā)生二次電子發(fā)射并與射頻部件內(nèi)傳輸?shù)臅r諧電磁場相位變化同步，在上述情況下引發(fā)射頻部件內(nèi)部的電子諧振倍增，乃至雪崩和放電的物理現(xiàn)象[1-6]。微波產(chǎn)品的微放電效應(yīng)影響系統(tǒng)的功率容量，嚴(yán)重的微放電會導(dǎo)致微波器件燒毀，導(dǎo)致系統(tǒng)故障[7-9]。而作為星載雷達(dá)射頻通道的重要部件之一的巴特勒矩陣[10-11]，一旦發(fā)生微放電故障，將影響星載雷達(dá)系統(tǒng)的使用效果。

本文針對一款用于星載雷達(dá)的大功率巴特勒矩陣，首先研究了其微放電的產(chǎn)生機制，并給出了微放電閾值的計算模型；為驗證該模型的正確性，本文對其微放電閾值和二次電子分布特性進(jìn)行了仿真分析；最后，利用前后向功率調(diào)零測試法，對本文提出的大功率巴特勒矩陣進(jìn)行了微放電測試。測試結(jié)果表明，該巴特勒矩陣的微放電閾值與分析結(jié)果一致，能夠滿足實際工程中不小于3dB功率余量的微放電要求。

1 星載大功率巴特勒矩陣設(shè)計方案

基于巴特勒矩陣的功率動態(tài)合成網(wǎng)絡(luò)是集中式星載雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件之一，用以實現(xiàn)大功率射頻信號的動態(tài)功率合成。圖1給出了本文提出的4×4巴特勒矩陣的原理示意圖，該巴特勒矩陣由4個完全相同的3dB定向耦合器，通過射頻饋線連接組成，其包含4個輸入端口(1、2、3、4號端口)和4個輸出端口(5、6、7、8號端口)。當(dāng)向1～4號中的其中一個端口輸入射頻信號時，5～8號端口將輸出等幅、相位差分的信號。輸入端口與輸出端口之間的相位差如表1所列，表格中的數(shù)值表示各通道的相位滯后值。

圖1 巴特勒矩陣原理示意圖Fig.1 Principle of Butler matrix

表1 巴特勒矩陣端口相位關(guān)系(單位：deg)Tab.1 Phase distribution Butler matrix (deg)

由表1可知，當(dāng)4個輸入口(1～4)的相位按照特定的規(guī)律分布時，可實現(xiàn)在4個輸出端口(5～8)的功率合成：當(dāng)1、2、3、4端口按照幅度相等、相位分別為0°、-90°、-90°、-180°輸入信號時(符號表示相位超前)，在端口5會輸出4個輸入信號的合成信號，其功率為4個輸入信號的功率之和，而6、7、8號輸出端口為隔離端口，沒有功率輸出。同理，當(dāng)4個輸入的相位分別為-90°、-180°、0°、-90°時，會在6號端口輸出合成信號；當(dāng)4個輸入的相位分別為-90°、0°、-180°、-90°時，會在7號端口輸出合成信號；當(dāng)4個輸入的相位分別為-180°、-90°、-90°、0°時，會在8號端口輸出合成信號。

在上述合成工況下，4個輸入端口的功率，在同一個輸出端口合成輸出，如圖2所示。本文提出的巴特勒矩陣，其4個輸入端口的輸入功率均為1.75kW，輸出端口的合成功率為7kW。此時，輸出合成信號的端口將承受最大的功率。為避免巴特勒矩陣發(fā)生大功率微放電現(xiàn)象，在其設(shè)計階段應(yīng)采用如下的思路：端口駐波和插損性能盡可能最優(yōu)，以保證其內(nèi)部電磁場的單模高效傳輸特性；此外，其內(nèi)腔應(yīng)盡可能平坦、寬闊，以避免狹縫產(chǎn)生較高的電壓，從而激發(fā)二次電子效應(yīng)。本文提出的巴特勒矩陣，內(nèi)腔的最小間隙尺寸為3mm，沒有尖刺等非線性結(jié)構(gòu)。設(shè)計結(jié)果表明，各端口的電壓駐波比均優(yōu)于1.1，通道插損小于0.2dB。本文提出的巴特勒矩陣采取了以上的設(shè)計手段，從而可以有效的避免微放電現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 大功率巴特勒矩陣功率合成示意圖Fig.2 Schematic diagram of power synthesis effect of high-power Butler matrix

微放電現(xiàn)象是指大功率微波器件在真空環(huán)境中，其內(nèi)部的二次發(fā)射電子受傳輸?shù)奈⒉üβ视绊懚对鲋C振，最終引起器件放電的現(xiàn)象。微放電現(xiàn)象通常發(fā)生于包含金屬表面的腔體式電磁諧振結(jié)構(gòu)中。當(dāng)自由電子在腔體的兩個金屬表面之間的渡越時間與腔體內(nèi)傳輸時諧電磁波半個周期的奇數(shù)倍相當(dāng)時，發(fā)生微放電現(xiàn)象的概率比較大。本文提出的巴特勒矩陣為基模波導(dǎo)式，從圖3所示的巴特勒矩陣波導(dǎo)截面內(nèi)腔結(jié)構(gòu)可見，其傳播模式為矩形波導(dǎo)的基模即TE10模。如圖3所示，在受波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)拇蠊β噬漕l場電場方向影響，圖3(a)中所示的第一個周期內(nèi)，兩波導(dǎo)腔內(nèi)壁之間的初級電子在射頻場上半周期加速度方向為從下方指向上方的波導(dǎo)內(nèi)壁，并在半個周期內(nèi)擊中上方的波導(dǎo)內(nèi)壁。由于波導(dǎo)腔為純金屬結(jié)構(gòu)，且金屬原子外層電子的能級具有不確定性，初級電子與金屬原子會進(jìn)行能量交換，使得部分金屬原子的外層電子脫離其原本的原子核的束縛，從金屬表面發(fā)射出來，形成如圖3(b)所示的二次電子。在波導(dǎo)內(nèi)傳輸電磁場的下半周期，在上半周期中被激發(fā)出來的二次電子受電場的作用力向下加速運動，并撞擊下方的波導(dǎo)內(nèi)壁，使得更多的二次電子被激發(fā)出來。如此循環(huán)，如圖3(c)和圖3(d)所示，每次撞擊波導(dǎo)內(nèi)壁時都會釋放出比原來更多的二次電子，二次電子積累到一定程度會產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。

圖3 巴特勒矩陣內(nèi)腔微放電效應(yīng)產(chǎn)生過程Fig.3 The generation process of multipaction effect in the inner cavity of Butler matrix

此外，對于本文提出的巴特勒矩陣，其功率合成端口的電場要強于輸入端口的功率；在巴特勒矩陣結(jié)構(gòu)布局中，波導(dǎo)內(nèi)腔的狹窄部分的電場強于寬闊尺寸部分。根據(jù)前面的論述，巴特勒矩陣腔體內(nèi)傳輸?shù)纳漕l場為二次電子提供了加速度，且二次電子獲得的加速度與腔體內(nèi)傳輸?shù)纳漕l場的場強成正比關(guān)系。因此，巴特勒矩陣微放電發(fā)射概率較大的部位主要集中在功率合成端口附近的波導(dǎo)狹窄處。

如圖3所示，假設(shè)巴特勒矩陣內(nèi)腔的某導(dǎo)體壁上有一自由電子，初始速度v0，在射頻場VRFsin(ωt)作用下加速運動，最終到達(dá)其對側(cè)導(dǎo)體壁上時，其速度為

(1)

其中，ω表示巴特勒矩陣內(nèi)射頻場的周期，t表示時間，VRF表示射巴特勒矩陣內(nèi)射頻場的場強，e表示電子電荷值，me表示電子質(zhì)量，α表示巴特勒矩陣內(nèi)射頻場的初始相位值，d1表示巴特勒矩陣內(nèi)兩個導(dǎo)體壁之間的距離。此外，巴特勒矩陣內(nèi)傳輸?shù)纳漕l場的場強與其功率有關(guān)，引起微放電的射頻場功率P(dBW)可表示為

P=6.55+20lg(fd1)

(2)

其中，f表示射頻場的電磁波頻率，單位為GHz。

由式(2)可知，巴特勒矩陣內(nèi)腔越狹窄的部分，其導(dǎo)體壁間距越小，相應(yīng)觸發(fā)微放電的功率就越小，發(fā)生微放電現(xiàn)象的概率就會增加。

此外，除了前文中所述的設(shè)計手段外，在巴特勒矩陣的工程實現(xiàn)中，還應(yīng)加強對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程控制，以減小微放電的發(fā)生。這是因為二次發(fā)射電子對巴特勒矩陣內(nèi)腔的材料一致性很敏感，不光滑的金屬內(nèi)腔會形成接觸非線性效應(yīng)，在其表面形成大量的自由電子；此外，金屬內(nèi)腔中若存在污染物，會形成材料非線性效應(yīng)。上述的接觸非線性效應(yīng)和材料非線性效應(yīng)都會降低微放電的閾值。因此在進(jìn)行巴特勒矩陣結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)選擇合適的材料；在巴特勒矩陣加工、測試和裝配過程中，應(yīng)做好波導(dǎo)端口的封閉工作，要避免多余物的出現(xiàn)。

2 星載大功率巴特勒矩陣微放電特性仿真分析

實際工程中，由于各部件間微放電特性獨立，因此系統(tǒng)的微放電指標(biāo)不需要分解，其性能主要取決于波導(dǎo)中電場強度最強的區(qū)域，也稱微放電敏感區(qū)。由式(2)可知，引起微放電的載波功率P與射頻信號的頻率f成正比，因此，對于本文中的巴特勒矩陣，只需要針對最低工作頻率的微放電進(jìn)行分析即可。

圖4給出了巴特勒矩陣微放電閾值的仿真曲線圖，圖中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示巴特勒矩陣內(nèi)腔中的自由電子數(shù)目。圖中的每一條曲線表示在某設(shè)定的射頻輸入功率情況下，自由電子數(shù)目隨時間的變化值。當(dāng)自由電子的數(shù)目隨時間不斷增加時，即發(fā)生了微放電現(xiàn)象，而引起微放電現(xiàn)象的最低功率即為微放電閾值?？梢钥闯觯β蔬_(dá)到30kW以上時，巴特勒矩陣發(fā)生了微放電現(xiàn)象。因此，本文提出的巴特勒矩陣微放電的閾值為30kW?？紤]到在長壽命工作情況下，大功率器件受到無法預(yù)見的氧化、腐蝕、駐波比惡化、污染(包括污染遷移)等因素的影響，微放電閾值會降低。因此，一般要求大功率微波部件的微放電設(shè)計閾值高于額定功率6dB、試驗達(dá)到3dB余量。對于本文提出的巴特勒矩陣，其額定工作功率為7kW，經(jīng)仿真分析其微放電閾值為30kW，二者相除后取dB值，可得其微放電設(shè)計余量為6.3dB，該閾值滿足設(shè)計環(huán)節(jié)微放電余量大于6dB的要求。因此，該巴特勒矩陣能滿足額定功率為7kW的微放電設(shè)計。圖5表示巴特勒矩陣內(nèi)腔中的電子分布情況，圖中藍(lán)色的點表示自由電子，可以看出自由電子集中在其功率合成端內(nèi)腔最狹窄處。

圖4 巴特勒矩陣粒子數(shù)隨時間變化曲線Fig.4 Particle number of Butler matrix variation with time

圖5 發(fā)生微放電時巴特勒矩陣中自由電子空間分布Fig.5 Spatial distribution of particles in Butler matrix when multipaction occurs

3 星載大功率巴特勒矩陣微放電特性的試驗驗證

3.1 試驗原理與試驗平臺搭建

為了檢驗本文提出的巴特勒矩陣，在真空條件下承受二次倍增的能力，對其開展了真空微放電測試，以檢測其在大功率條件下是否發(fā)生微放電現(xiàn)象，并驗證前文中對其進(jìn)行微放電特性分析的正確性。該測試采用前后向功率調(diào)零檢測法，該方法的原理是利用雙定向耦合器，將系統(tǒng)輸入巴特勒矩陣的信號、巴特勒矩陣的反射信號分別進(jìn)行采樣后，兩路采樣信號在調(diào)零單元內(nèi)部分別調(diào)幅、調(diào)相后達(dá)到等幅反相狀態(tài)。之后，兩路等幅反相信號在調(diào)零單元內(nèi)部合成后輸出到頻譜分析儀，從而實現(xiàn)電平調(diào)零，調(diào)零信號通過頻譜分析儀進(jìn)行實時監(jiān)測。在試驗過程中，若發(fā)生微放電現(xiàn)象，反射采樣信號的幅度和相位會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致調(diào)零信號的變化，并被頻譜分析儀監(jiān)測到。前后向功率調(diào)零檢測法是目前靈敏度最高的微放電測試方法[12-13]，并且可以工作在脈沖模式下，適合于雷達(dá)器件的工作模式。

由于巴特勒矩陣為微波無源互易網(wǎng)絡(luò)，可在巴特勒矩陣的功率合成端口注入與合成功率相同的射頻信號，這樣可以在保證測試有效性的前提下，簡化測試系統(tǒng)。圖6是采用前后向功率調(diào)零法進(jìn)行巴特勒矩陣微放電試驗的測試系統(tǒng)的原理框圖。圖中所示系統(tǒng)的信號源由電源、信號發(fā)生器、脈沖形成器組成，其生成的脈沖信號經(jīng)微波功率放大器形成大功率脈沖信號，產(chǎn)生的大功率脈沖信號經(jīng)過雙定向耦合器傳輸至巴特勒矩陣的功率合成端口。大功率信號通過雙定向耦合器的正向耦合端口產(chǎn)生的耦合信號，與巴特勒矩陣合成端口的反射信號經(jīng)過雙定向耦合器的反向耦合端口一同進(jìn)入調(diào)零單元后合成。通過調(diào)零單元內(nèi)置的移相器調(diào)整兩路信號的幅相權(quán)值，使得2路信號等幅反相后合成1路調(diào)零信號，調(diào)零單元出口與頻譜分析儀連接。在測試過程中，如果被測的巴特勒矩陣中沒有發(fā)生微放電現(xiàn)象，則頻譜分析儀上監(jiān)測的調(diào)零信號將呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)；而測試過程中，一旦被測的巴特勒矩陣發(fā)生微放電現(xiàn)象，頻譜分析儀監(jiān)測的調(diào)零信號電平值與前述的穩(wěn)定狀態(tài)相比，將會出現(xiàn)劇烈變化。該變化與2路信號的幅度、相位的變化相關(guān)，信號幅相的微小變化即可引起調(diào)零信號強度的大幅度提高，從而實現(xiàn)對被測巴特勒矩陣微放電現(xiàn)象的高靈敏度檢測。

圖6 巴特勒矩陣微放電測試試驗框圖Fig.6 Block diagram of Butler matrix multipactor test

此外，采用鎢絲冷發(fā)射設(shè)備加高壓產(chǎn)生自由電子去激活表面二次電子，來進(jìn)行微放電性能測試。在一個微波脈沖峰值持續(xù)時間內(nèi)，被測巴特勒矩陣內(nèi)至少應(yīng)注入1×102個自由電子。

3.2 試驗步驟

測試前將巴特勒矩陣置于圖6所示的罐體內(nèi)，罐體合蓋密封后先抽真空再調(diào)整罐內(nèi)溫度，待罐體內(nèi)真空狀態(tài)和溫度達(dá)到試驗要求后開始測試。測試過程中，真空試驗罐的氣壓應(yīng)低于6.65×10-3Pa，由于巴特勒矩陣為純金屬式腔體結(jié)構(gòu)，其二次電子的活性與產(chǎn)品溫度成正比關(guān)系，因此微放電試驗在115℃高溫工況下開展。測試步驟為：

(1) 試驗開始前，先進(jìn)行巴特勒矩陣各端口的駐波測試，保證其射頻性能正常；

(2) 打開信號源，向測試系統(tǒng)中輸入射頻信號。測試過程中，須逐步增加射頻功率，直至所要求的試驗功率；

(3) 調(diào)節(jié)調(diào)零單元中衰減值和相位值，使得調(diào)零單元的輸出信號電平最小，該電平值一般應(yīng)小于-60dBm；

(4) 試驗過程中，實時記錄被測巴特勒矩陣的溫度，頻譜分析儀顯示的調(diào)零電平值，以及頻譜分析儀監(jiān)測的波形是否有跳變。監(jiān)測過程中若頻譜分析儀的監(jiān)測信號發(fā)生跳變，應(yīng)降低信號源輸出功率，重新核對巴特勒矩陣的微放電閾值，30min后試驗結(jié)束；

(5) 微放電試驗結(jié)束后，關(guān)閉信號源的射頻輸出及自由電子產(chǎn)生設(shè)備。再次測試并記錄巴特勒矩陣端口駐波，證明微放電試驗前后，巴特勒矩陣的射頻性能保持一致。

3.3 試驗結(jié)果

該巴特勒矩陣的微放電試驗在115℃高溫工況下開展，在輸入占空比為10%條件下對本文提出的大功率巴特勒矩陣開展了14kW峰值功率測試。測試結(jié)果表明，測試前后巴特勒矩陣端口駐波性能一致性好，測試過程頻譜分析儀監(jiān)測到的調(diào)零信號電平穩(wěn)定、無跳變現(xiàn)象。測試結(jié)束后，從真空罐內(nèi)取出巴特勒矩陣進(jìn)行表面狀態(tài)試驗后確認(rèn)，未發(fā)現(xiàn)被測巴特勒矩陣內(nèi)腔及連接面有燒焦發(fā)黃、發(fā)黑、擊穿的痕跡。由此，可以判定巴特勒矩陣在大功率微放電測試過程沒有微放電現(xiàn)象發(fā)生，巴特勒矩陣順利通過試驗功率14kW(功率余量3dB)的大功率微放電試驗。

4 結(jié)論

本文對巴特勒矩陣的微放電閾值和二次發(fā)射電子的空間分布進(jìn)行了仿真分析，得到如下結(jié)論：

(1) 本文提出的波導(dǎo)式巴特勒矩陣的微放電現(xiàn)象主要發(fā)生在其沿電場方向的內(nèi)腔金屬壁之間，且波內(nèi)腔狹窄處發(fā)生微放電的概率更大；

(2) 利用仿真軟件可以對巴特勒矩陣的微放電閾值進(jìn)行分析，從而提高設(shè)計效率；

(3) 利用仿真軟件可以得到巴特勒矩陣內(nèi)部微放電余量最為緊張的部位，從而以此為依據(jù)，確定產(chǎn)品在生產(chǎn)、裝配等各環(huán)節(jié)中需要進(jìn)行嚴(yán)格過程控制的部位，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量；

(4) 對本文提出的巴特勒矩陣進(jìn)行了大功微放電試驗，試驗結(jié)果表明，該巴特勒矩陣可以滿足使用要求，驗證了微放電分析的正確定。

本文研究了某星載雷達(dá)大功率巴特勒矩陣微放電發(fā)生機理，采用仿真軟件對其微放電閾值進(jìn)行了分析。為驗證仿真結(jié)果的正確性，本文針對提出的巴特勒矩陣開展了真空環(huán)境下的微放電試驗，試驗結(jié)果驗證了該巴特勒矩陣能夠滿足星載雷達(dá)的使用環(huán)境下對微放電性能的要求。

致謝

本文的研究工作得到了國防科技173計劃技術(shù)領(lǐng)域基金(基金號2021-JCJQ-JJ-0828)的支持。