星載硬質(zhì)吸波材料真空功率耐受性能驗證

楊文麗 張振杰 鄭偉 敬紅勇 王超 牛寶華 王保新

（西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710100）

0 引言

通信、導(dǎo)航、遙感等系列衛(wèi)星中應(yīng)用復(fù)雜天線、各類微波組件等單機和部組件實現(xiàn)衛(wèi)星信號的接收、調(diào)制、解調(diào)等功能，在這些航天器配套產(chǎn)品中需要配置大量的波導(dǎo)負載組件以滿足這些產(chǎn)品的多端口隔離等需求。特別是在微波和天線組件進行大功率信號播發(fā)時，波導(dǎo)負載組件在軌通常長期吸收連續(xù)波或者脈沖功率，其性能好壞對保證整星射頻鏈穩(wěn)定運行具有至關(guān)重要的作用。

波導(dǎo)負載組件中的吸波材料作為吸收射頻單機和部組件微波功率的功能性材料，其功率容量直接影響了天線和微波系統(tǒng)的工作功率上限，特別是在低氣壓以及熱真空情況下的功率耐受能力，是其能否列裝使用的關(guān)鍵驗收指標。

波導(dǎo)負載組件的核心部件由硬質(zhì)吸波材料構(gòu)成，該吸收體是一種可吸收、衰減入射的電磁波能量，并通過材料損耗使電磁波能量轉(zhuǎn)變成熱能或其他能量耗散掉，或使電磁波因干涉而消失，而反射、散射和透射都很小的功能材料。這是一種由內(nèi)部吸收體將微波傳輸過程中的微波能量吸收后轉(zhuǎn)換為熱能，再通過散熱外導(dǎo)體散發(fā)出去的功能消耗器件。因此吸波材料是實現(xiàn)負載功率吸收功能的核心要素。若吸波材料的空間環(huán)境適用性、功率容量等不能滿足需求，將導(dǎo)致負載組件無法實現(xiàn)吸波功能，對大容量通信衛(wèi)星等配置大功率播發(fā)載荷的天線隔離度、系統(tǒng)容量保證等工程應(yīng)用均有極為不利的影響。國內(nèi)外航天器微波天線研制過程中，對吸波材料原材料級別環(huán)境適用性分析積累了豐富的工程經(jīng)驗［1］，但針對吸波材料真空功率耐受性能驗證的公開報道較少，大部分工作局限于微波組件和天線的整機級驗證。

本文首先介紹波導(dǎo)型負載吸收體的電磁波吸收原理，然后給出星載吸波材料原材料制備工藝關(guān)鍵要素和成型材料機加特點，設(shè)計加工相應(yīng)的波導(dǎo)型吸收負載試驗件；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套星載吸波材料真空功率耐受性能的專項驗證平臺，給出專項試驗驗證結(jié)果和性能分析情況，并提出提高星載吸波材料在軌服役可靠性和安全性的建議。

1 星載吸波材料的工作原理及負載設(shè)計

1.1 星載吸波材料的工作原理

星載硬質(zhì)吸波材料主要用于吸收星載天線、微波組件，以及艙內(nèi)設(shè)備隔離端口的功率，是以樹脂作為基體，以鐵氧體［2］或者羰基鐵粉［3］材料作為吸收劑組成的磁介質(zhì)型硬質(zhì)復(fù)合材料，如圖1所示為星載吸波材料電磁波吸收原理［4］。一般采用磁損性材料將電磁波中的磁場分量轉(zhuǎn)換成熱量耗掉，即電磁波入射到吸波材料表面，一部分電磁波被反射回去；一部分進入吸波材料內(nèi)部［5］。通過磁損耗機理將電磁能轉(zhuǎn)換成熱能耗散；小部分未被耗散或衰減的電磁波通過來回的反射進一步衰減。

圖1 吸波材料電磁波吸收原理圖Fig.1 The electromagnetic wave absorption mechanism of satellite wave-absorbing materials

受體積等資源限制，星載吸波材料負載均需要實現(xiàn)高集成度設(shè)計，有高質(zhì)密度和大功率容量耐受等特殊需求。

1.2 星載吸波材料原材料制備關(guān)鍵要素和成型工藝特點

1.2.1 星載吸波材料原材料制備關(guān)鍵要素

星載硬質(zhì)吸波材料原材料的主要生產(chǎn)工藝［6］流程如圖2所示。

圖2 硬質(zhì)吸波材料生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Wave-absorbing materials production process

（1）選取原材料環(huán)氧樹脂和鐵氧體。

（2）按照相應(yīng)比例進行原材料混合，使鐵氧體均勻分布到環(huán)氧樹脂中，得到待固化料。

（3）真空脫泡處理待固化料。

（4）將無氣泡固化料轉(zhuǎn)移至固定尺寸的模具中。

（5）采用模壓成型工藝，按照設(shè)定的工藝參數(shù)進行固化并脫模。

（6）獲得硬質(zhì)吸波材料板材，可根據(jù)用戶需求進行相應(yīng)尺寸的機械加工得到滿足要求的吸波材料。

星載吸波材料制作的過程中羰基鐵粉和環(huán)氧基材的混煉均勻性和成型很關(guān)鍵［7］，其制備工藝穩(wěn)定性對材料電磁參數(shù)均勻性具有重要影響。此外，在脫泡成型過程中，需要選取合適的固化溫度和真空壓力［8］，特別是在施加功率情況下，需保證產(chǎn)品可凝揮發(fā)物滿足要求，否則將可能影響產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和服役安全性。

1.2.2 星載吸波材料成型工藝特點

典型的星載硬質(zhì)吸波材料的板材加工后的負載吸收體實物如圖3、圖4 所示。負載吸收體具有薄壁及銳角突變（15°～75°）等特點，板材加工過程中涉及銑、磨、鉆孔等嚴苛的機加工藝。

圖3 星載硬質(zhì)吸波材料板材實物圖Fig.3 Photos of wave-absorbing material plates

圖4 典型波導(dǎo)負載吸收體實物圖Fig.4 Wave-absorbing material waveguide products

1.3 星載波導(dǎo)型負載試驗件設(shè)計

波導(dǎo)負載組件的主要作用是完成天線、微波部組件的隔離端口功率吸收和性能匹配，重點對其駐波特性和功率容量進行分析和設(shè)計。

在波導(dǎo)負載組件試驗件設(shè)計過程中，首先根據(jù)原材料的工作頻點以及實測電磁參數(shù)開展詳細設(shè)計，選取其波導(dǎo)截面，再對吸收體的形狀進行詳細設(shè)計，以滿足試驗所需的駐波要求。同時需對其力學特性和材料上的熱分布進行詳細分析。在考慮功率分布的情況下，通過詳細的熱分析，建立負載吸收體上的熱分布模型，以反演材料的功率密度和功率容量。

對某款吸波材料開展了先行樣件研制，研制過程中采用的標準固化工藝，并獲取了相應(yīng)的電磁參數(shù)；該吸波材料隨后進行批產(chǎn)試制，研制過程中采取了加速固化工藝方式。為了對比確認該款吸波材料的功率吸收性能，根據(jù)先行樣件的電磁參數(shù)開展波導(dǎo)負載試驗件設(shè)計。負載組件試驗件由外導(dǎo)體和吸收體組成，其中外導(dǎo)體一般采用鋁制鍍銀金屬材料加工而成，吸收體為吸波材料。如圖5、圖6 所示分別為負載組件設(shè)計的模型和駐波特性設(shè)計結(jié)果。

圖5 某波導(dǎo)負載試驗件設(shè)計的模型示意圖Fig.5 Design drawing of a waveguide product

圖6 波導(dǎo)負載試驗件駐波特性設(shè)計曲線Fig.6 VSWR design curve of a waveguide product

2 星載波導(dǎo)負載試驗件功率耐受試驗驗證結(jié)果分析

2.1 功率耐受試驗平臺構(gòu)建

根據(jù)大功率微放電試驗規(guī)范進行功率試驗。構(gòu)建出如圖7 所示的波導(dǎo)負載試驗件功率耐受驗證平臺。信號源發(fā)出射頻連續(xù)波或脈沖信號，通過相應(yīng)設(shè)備進入真空罐內(nèi)饋入被測件，若測試發(fā)生異常時，可由頻譜分析儀檢測到反射功率異常。

圖7 波導(dǎo)負載試驗件功率耐受試驗系統(tǒng)框圖Fig.7 Power test system of waveguide products

2.2 功率耐受試驗流程

波導(dǎo)負載試驗件功率耐受試驗以真實的應(yīng)用場景進行［9］，如圖8所示，其試驗流程如圖9所示。

圖8 波導(dǎo)負載試驗件功率耐受驗證平臺Fig.8 Power test platform of waveguide product

圖9 波導(dǎo)負載試驗件功率耐受試驗流程Fig.9 Power test processes of waveguide product

功率耐受試驗前先進行外觀檢查，并開展駐波性能測試，負載組件的駐波須滿足要求；隨后在真空罐中開展功率耐受試驗；試驗完成后開展目視外觀檢查和駐波性能復(fù)測。

相對試驗前，電壓駐波比變化率≤10%為滿足技術(shù)指標要求；同時，需開蓋檢查無多余物、負載組件無變形，產(chǎn)品應(yīng)無機械損傷。如果以上判據(jù)均滿足要求，則判斷該負載組件試驗件滿足功率耐受環(huán)境適應(yīng)能力要求。否則需要開展進一步研究分析。

2.3 功率耐受試驗驗證結(jié)果

環(huán)氧基硬質(zhì)吸波材料的制備工藝復(fù)雜，其中各原材料的摻雜比、混煉工藝、固化工藝等多個環(huán)節(jié)的調(diào)整均會對材料的物理特性有較大影響，也將形成不同的功率耐受能力。功率耐受試驗過程中，以固化工藝穩(wěn)定性為重要驗證參數(shù)。針對固化工藝不同，開展了多個試驗件相同工況下的試驗驗證，并作出了不同的標識。

● 試驗件1（標準固化工藝）

試驗件1的功率耐受試驗結(jié)果表明，波導(dǎo)負載試驗件試驗前后駐波變化率小于5%，滿足≤10%的技術(shù)指標要求。同時試驗完成后，對組件的外觀進行目視檢查檢測，結(jié)果表明試驗后試驗件的結(jié)構(gòu)完整，未見可見裂紋，無機械變形和多余物，如圖10、圖11所示。

圖10 波導(dǎo)負載試驗件1功率耐受試驗前后駐波比對Fig.10 Comparison to VSWR curves of experiment product 1 before &after the power test

圖11 波導(dǎo)負載試驗件1功率耐受試驗開蓋檢測結(jié)果Fig.11 The photo of experiment product I after the power test

● 試驗件2（加速固化工藝）

以先行件電磁參數(shù)設(shè)計的相同技術(shù)狀態(tài)試驗件，試驗件2 初測駐波性能與試驗件1 即有所差異，之后經(jīng)歷相同工況下的功率耐受試驗結(jié)果也表明：功率耐受試驗前后駐波變化率較大，不滿足≤10%的技術(shù)指標要求。對試驗件進行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)負載發(fā)生了揮發(fā)和鼓包變形，波導(dǎo)蓋板上也有環(huán)氧膠揮發(fā)污染現(xiàn)象，如圖12、圖13所示。

圖12 波導(dǎo)負載試驗件2功率耐受試驗開蓋檢測結(jié)果Fig.12 The photo of experiment product 2 after the power test

圖13 波導(dǎo)負載試驗件2功率耐受試驗前后駐波比對Fig.13 Comparison to VSWR curves of experiment product 2 before &after the power test

2.4 功率耐受試驗驗證結(jié)果分析

從試驗件1功率耐受試驗結(jié)果可以看出：試驗前后負載組件的駐波變化率性能指標滿足技術(shù)要求；開蓋檢查結(jié)果也表明無異常情況出現(xiàn)，證明試驗件1的吸波材料導(dǎo)熱性能良好，吸波損耗滿足要求，吸波材料發(fā)揮穩(wěn)定作用。

從試驗件2功率耐受試驗結(jié)果可以看出：雖然整個負載組件設(shè)計狀態(tài)與試驗1相同，但是初測駐波即有所差異，試驗前后負載組件的駐波變化率也較大，功率試驗對材料的基本電性能造成了影響，性能指標不滿足技術(shù)要求；開蓋檢查結(jié)果表明吸收體出現(xiàn)異常情況，波導(dǎo)蓋板上也有膠污染現(xiàn)象，證明試驗件2的吸波材料未發(fā)揮穩(wěn)定作用。型號若采用此材料將導(dǎo)致大功率放電和射頻鏈失效，影響型號任務(wù)成敗。

通過進一步的原因查找，試驗件1 和試驗件2 的吸收體采用的基礎(chǔ)原材料、工藝配比等技術(shù)方案均相同。差別僅在于，為了節(jié)約固化時間，試驗件2 的吸波材料未進行高溫預(yù)處理，殘存未固化的小分子，在高溫真空工況下可凝揮發(fā)物析出增多，與外導(dǎo)體鍍銀層發(fā)生氧化反應(yīng)，該析出物通過頻譜分析得到進一步證實。試驗件1 的吸收體則是采用經(jīng)過高溫預(yù)處理后的吸波材料制作而成，在高溫下的真空質(zhì)損及可凝揮發(fā)物均得到了有效控制，經(jīng)高溫預(yù)處理后的電磁參數(shù)也趨于穩(wěn)定。而試驗件2 的吸波材料電磁參數(shù)對負載組件駐波性能的影響不僅體現(xiàn)在初測時有所差異，同時在真空高溫下相對變化較大，進而引起負載組件的駐波變化率較大。

3 結(jié)論

根據(jù)航天器微波、天線產(chǎn)品吸波材料部位結(jié)構(gòu)和環(huán)境效應(yīng)因素特征，設(shè)計了一種星載波導(dǎo)型負載試驗件，以保留局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的試驗件代替微波、天線整機，同時構(gòu)建了一套星載吸波材料功率耐受性能的驗證平臺開展功率試驗，對兩種工藝固化方法制備的波導(dǎo)型吸收負載試驗件進行了試驗驗證，結(jié)果表明：高溫預(yù)處理后的吸波材料，在高溫下的真空質(zhì)損及可凝揮發(fā)物均得到了有效控制，其電磁參數(shù)也趨于穩(wěn)定。

結(jié)合在各類工況情況下對吸波材料本體機、電、力、熱的性能進行試驗檢測，有效保證了在大功率和微放電、低氣壓、功率循環(huán)等環(huán)境邊界條件，吸波材料的污染特性和電磁參數(shù)滿足使用要求，進而全面保障吸波材料可靠性滿足星載應(yīng)用設(shè)計使用要求。