低气压放电引起的应答机功率跳变问题研究

樊文平， 卢建新， 张正娟

(太原卫星发射中心技术部 太原 030027)

低气压放电引起的应答机功率跳变问题研究

樊文平， 卢建新， 张正娟

(太原卫星发射中心技术部 太原 030027)

飞行跟踪测量任务中地面雷达接收到的应答机信号电平存在异常跳变问题。经过对影响信号传输的各种因素的分析，确认原因是应答机输出功率值发生了跳变。在研究微波低气压放电理论的基础上，进一步推断功率跳变是由应答机内腔体滤波器低气压放电引起的，通过地面环境试验验证了结论的正确性，并提出改进应答机性能的具体措施。

低气压放电； 腔体滤波器； 应答机； 功率跳变

引言

弹上多测速应答机协同地面雷达完成外弹道测量任务，但在跟踪测量任务中曾多次出现地面雷达接收电平跳变现象，表现为初始段某一时间点多个测量站接收电平同时降10dB～20dB，间隔几十秒后又突然恢复正常，电平突降容易引起地面雷达测量数据超差，接收机间断失锁，甚至丢失目标。影响跟踪测量雷达接收电平值的因素很多，弹上应答机是其中的一个关键环节。查找影响接收电平的因素，如弹上天线增益、发动机尾焰干扰等，其结果均不能解释多个测量站同时发生电平跳变的现象。若是应答机内部存在器件性故障，则输出功率跳变后不会在间隔一段时间后又恢复正常。又核对弹道高程—气压关系曲线，发现有多次电平跳变现象出现在易发生电击穿的低气压区间中。而多测速应答机功率输出值较低，约1W～3W，一般情况下也不会引起击穿放电现象。在研究异常现象具有可恢复性的特点时，产生了这样的疑问：应答机内是否存在对低气压环境十分敏感的器件?

战略武器试验弹载设备在飞行过程中经历着复杂的力学环境。其中，低气压环境与振动、冲击、噪声等环境条件一样，会影响电子设备的性能。而探讨设备的低气压工作特性，需要研究低气压环境对产品性能的影响，特别是气压连续变化条件下产品的动态电气性能变化情况，要贴近实际飞行环境对产品进行低气压例行试验；还需要研究弹载应答机经历的真实低气压环境过程，包括飞行环境气压变化情况、整机与机内各部件的密封情况及在气压升降过程中气压值滞后于外围环境气压值的程度。目前的全固态化应答机与过去内含真空器件的应答机相比，不再保留密封良好的技术要求，也废除了环境条件试验中的气密性检查项目，这就要求应答机内各器件在各种复杂环境下依旧保持良好的工作性能。弹载应答机是多测速系统中的关键环节，研究其低气压工作特性并改进其性能，对确保战略武器试验测控任务的完成具有重要意义。

1 多测速应答机转发功率跳变问题分析

1.1 多测速应答机转发功率跳变问题

在飞行试验跟踪测量任务中，分布于航区的多测速雷达出现接收机电平同时突降、间隔一段时间后又突升的现象，多台接收机电平跳变值在10dB～20dB范围。影响地面雷达接收电平值的因素有弹上应答机功率、天线增益、大气衰减、发动机尾焰衰减、极化损耗、地面雷达天线增益及指向准确性、地面接收信道增益等。结合弹道数据、地面各测站雷达跟踪角度、弹上天线安装位置和天线方向图数据计算，并和同一型号试验任务情况比对分析，上述可能原因中除应答机功率外其余因素均可排除，只有应答机输出功率跳变才能解释异常现象。

图1为某次试验任务应答机功率遥测与地面某测站A通道接收电平对比曲线。在第110s，接收电平突降15dB，而第140s接收电平突升12dB，各测量站跳变现象与时刻完全一致，在电平变化的同一时刻应答机功率遥测参数也跳变0.1V～0.2V。功率遥测参数值与输出功率呈非线性关系，然而当应答机功率下降10dB以上时，功率遥测参数变化值也应超过上述数值范围；此外，在第140s，功率遥测参数值变化与接收电平变化方向不一致。图1所示现象表明，应答机输出功率发生了跳变，但跳变机理仍需要深入研究。

图1 应答机功率遥测与地面雷达接收电平对比

1.2 多测速应答机输出功率跳变分析

多测速应答机基于上、下变频技术完成信号频率捕获接收、跟踪与变换，在中频完成相参转发处理(相参指频率成有理数倍数关系、相位保持同步)，接收两路上行信号，经锁相接收和功率放大后转发两路下行频率信号，供多测速雷达接收。两路信号分别指A通道与B通道信号。其A通道信号流程如图2所示，图中双工器由接收腔体滤波器和发射腔体滤波器并联而成，fR1、fT1分别为A通道接收频率和转发频率。B通道与A通道信号流程图相同，只是工作频率存在差异。

图2 多测速应答机射频信号流程图

应答机功率输出异常，涉及到发射链路上的本振输入、中频输入、功率放大等多个环节。当射频本振信号电平降低或中频输入信号电平降低或功率放大器件发生故障时，发射支路输出功率会下降。这几种情况均属于器件性故障，出现时会导致转发功率下降，功率遥测参数下降，但这些故障是不可恢复的，因此与图1实际飞行现象不完全相符，可予以排除。弹上应答机在发射试验中，要经历一个从常压到低气压，再到极低气压，之后气压快速回升的过程。可见，低气压环境是一个连续变化的过程，而在低气压环境下当电场强度达到一定值时可能发生放电现象。分析多测速应答机各组成部件性能，发现应答机双工器内的发射腔体滤波器易发生低气压电击穿，可能会引起功率传输异常。

若是低气压电击穿引起应答机功率传输异常，那么越过易发生电击穿区域后即可恢复原信号传输状态，这与实际情况相符，且有迹象表明电平突降与低气压工作环境有关。

2 微波低气压放电特性分析及验证

2.1 微波低气压放电现象

气体作为微波电极之间的绝缘介质时，在低气压条件下，容易出现放电现象而导致器件工作异常。这是因为随着气压的降低，电子的自由行程增大，自由电子在微波功率激发下加速时间变长，碰撞速度与动能增大，容易发生碰撞电离，相应的击穿电压就降低。微波击穿功率大小主要与气体电子的碰撞频率、电离速率、电子复合和附着速率、电子扩散系数、电子速度分布函数及气压值等有关。微波电极周围有着不均匀的场分布特性，局部较强的电场很容易引发电晕放电现象。特别是当电子的碰撞频率和外加微波频率相同时，电晕现象更容易发生。

若只考虑电离速率、电子复合和附着速率、电子扩散系数，则电子增加的速率可用式(1)表示[1]。

式中，νi为电离速率，νa为电子复合和附着速率，D为电子扩散系数，n为电子个数。时，也即气体电离引起的电子密度增加大于因扩散、复合和附着作用所引起的电子损失时，将导致气体的强烈激发和电离，产生电晕或打火。

对于直流电压条件下的击穿现象，可用帕森曲线描述击穿电压值与气压值之间的关系，且击穿电压值在低气压某区间有一个最小值。对于微波击穿现象，相应的击穿电压低于直流条件下的结果，通常用击穿功率值与气压值的关系曲线来描述，同样击穿功率在低气压某区间存在一个最小值[2]。图3为某型号S波段天线击穿功率与气压值关系的试验结果，试验条件是天线周围有等离子体存在。由图3可以看出，在气压值200Pa左右，击穿功率值最小。

图3 微波击穿功率值随气压值变化曲线

多测速应答机内微波器件结构中，只有双工器为空腔结构，并传输较大值的微波功率，其余传输线、频率变换器、压控振荡器、滤波器及功率放大器等均不存在空腔结构，且传输功率均为毫瓦量级，所以需要研究的是双工器内腔体滤波器低气压放电特性。

2.2 腔体滤波器电击穿特性分析

同轴腔体滤波器具有Q值高、通带窄、带内插损小及带外抑制度高等特点，在弹上外测系统中得到广泛应用。多测速应答机双工器中的发射滤波器采用同轴腔体结构，其组成主要有谐振腔、调谐螺杆、调谐螺钉、输入端及输出端等，用于滤除边带干扰和实现收发隔离功能。三个谐振腔之间通过相邻腔体中间的矩形窗口来耦合信号，使得微波信号能够从一个腔体进入另一个腔体。在矩形窗口上方通过盖板插入了调谐螺杆，用于调整耦合系数大小。调谐螺杆调得越深，则滤波带宽越宽，反之滤波带宽越窄。通过盖板还插入了调谐螺钉，用于调节谐振频率。调谐螺钉调得越深，则谐振频率越低，反之谐振频率越高。调谐螺钉的作用主要还是为实现功率传输的最佳匹配，这是因为不同的发射滤波器在结构工艺上存在差异。每个谐振腔有各自的谐振频率，通过耦合构成滤波器的通带曲线。发射腔体滤波器结构如图4所示，结构图中谐振杆顶部与调谐螺钉、盖板之间存在相对较强的电场。

图4 发射腔体滤波器结构示意图

谐振腔用品质因数Q值来表征频率选择性和能量损耗程度，无载品质因数Q0也称固有品质因数，接有外负载的品质因数称为有载品质因数Qe(也称外Q值)。滤波器工作状态与传输线有所不同，传输线通常工作在行波状态，而滤波器以驻波状态工作，传输相同功率时谐振腔内部射频电压比传输线中高。谐振腔的信号输入端和输出端分别可以看作源和负载。因腔体滤波器谐振腔的无载Q0值很大，谐振腔的等效电容两端电压可近似为[3]

其中，ω0为谐振腔谐振频率，ω为滤波器输入信号频率，1/ω0C为谐振腔等效容抗，R0为谐振腔输入端源电阻，V0为谐振腔输入端源电压。

从式(2)中可以看到，在通带范围内谐振腔的等效电容两端电压近似与Qe的均方根成正比，与谐振腔归一化等效容抗的均方根成正比。由于发射滤波器内谐振腔Qe值较高，因此谐振腔的等效电容端电压可以比传输线中高出数十倍。此外，从式(2)中还能够看到，当滤波器输入信号频率偏离中心频率时，谐振腔内的电压最大值会随频率偏移值的增加而急剧增大，所以在工作频率通带边缘等效电容端电压会很高。正常情况下，应答机转发功率在一般微波器件中传输不足以引起电击穿，但当该功率经过谐振腔时，很高的等效电容端电压可能会引发电击穿。

2.3 地面模拟试验验证

分析多测速应答机内部各部件低气压工作特性后，认为机内腔体滤波器最容易出现放电击穿现象。抽取多只腔体滤波器进行微波功率传输试验，结果其中一只出现了放电现象。将出现放电现象的腔体滤波器安装到多测速应答机内，模拟飞行环境进行低气压加电试验。当气压降到1169Pa，对应高度30km时，应答机功率出现下降，功率遥测参数值也略有下降；当气压在1169Pa～0.025Pa区间，对应高度30km～100km时，应答机保持低功率输出；而当气压降到5.3×10－3Pa，对应高度110km时，应答机功率回升至正常值，同时功率遥测参数恢复正常。试验结果如表1所示。

表1 多测速应答机低气压试验结果

试验结束后，拆解多测速应答机内腔体滤波器，发现其射频信号馈入端的调谐螺钉和内导体之间有明显的打火痕迹。调谐螺钉用于腔体滤波器的谐振频率调整，通过调整调谐螺钉与内导体之间的距离来改变滤波特性，对于不同的腔体滤波器，该距离值是不同的。当该距离值较小时，此处击穿强度降低，容易出现低气压放电现象。飞行试验任务中，实际地面雷达跟踪电平有时出现电平异常跳变，有时电平正常，说明部分腔体滤波器出现了放电现象。而当击穿放电发生后，放电将在某段气压范围内保持。由于放电时传输功率一部分消耗在放电部位，一部分被反射，因此输出到负载的微波功率值明显下降。应答机功率遥测参数值由功放输出端耦合信号检波后得到，由于反射信号相位不确定，因此叠加后的功率遥测参数值或变大或变小，这就是图1中140s处功率遥测参数值与接收电平变化方向不一致的原因。验证试验表明，多测速应答机内腔体滤波器在1169Pa～0.025Pa气压区间出现低气压放电现象，导致微波功率输出下降，这是地面雷达测量任务中电平跳变的主要原因。

3 避免发生低气压电击穿的措施

微波低气压放电现象十分复杂，相同的功率传输值在不同的滤波器中传输，因场的分布特性不同，放电的功率阈值不同；传输信号的频率不同，对应易发生击穿的低气压值也不同；器件表面洁净度不同，放电的功率阈值也不同[4]。针对腔体滤波器低气压放电现象，可采取的主要措施有以下五个。

①增加绝缘防护措施。在空腔中采取密封充气或者填充固体介质的办法，避免低气压环境的形成。固体介质可选介电强度高的材料，如环氧树脂、有机硅凝胶或有机硅橡胶等，这些材料具有良好的绝缘、防震和隔离作用[5]。

②降低谐振腔的等效电容端电压。在允许的情况下，采取降低谐振腔的外Q值、降低谐振腔等效容抗1/ω0C以及使滤波器准确调谐在工作频率等措施，均可有效降低谐振腔的等效电容端电压。由于场分布不均匀的空腔内击穿电压会下降很多，因此可通过改进谐振腔、调谐螺杆、调谐螺钉的结构，尽量避免出现毛刺、棱角等，增大腔体表面曲率半径，来消除局部场分布增强现象。调试方面要避免因结构差异和负载牵引作用而导致谐振腔频率偏离。

③保持元器件清洁，避免污染，提高空腔内气体的绝缘强度。金属屑、油污、灰尘等多余物的存在，会降低气体的击穿电压。根据洁净度的不同，击穿电压可能会相差一个数量级[6]。因此，加强对微波器件的清洁，特别是消除金属屑，对于预防放电击穿大有益处。

④按照规范设置产品低气压放电余量指标。比如按行业标准，有鉴定级产品满足低气压放电余量6dB、试样产品满足低气压放电余量3dB的技术要求。弹载微波设备功率不高，但由于调试的差异性，无法对余量进行精确控制，也无法对洁净度进行量化控制，所以指标设置和试验验证二者需结合使用。

⑤对未采取密封防护技术的产品，应设置排气通道，以减轻低气压放电现象的危害程度。低气压放电现象发生在特定区段气压下，弹载设备要么采取密封防护措施，要么在高真空环境下让产品内部的气体尽快排出；滞留在产品内部的空气和内部材料释放出的气体会造成长时间的低气压环境，增大了低气压放电现象的危害性。

4 结束语

随着武器装备的发展和技术的进步，弹载微波设备功率器件实现了全固态化，机内不存在直流高压，也没有低气压条件下的直流高压放电打火问题，但是在产品取消密封性技术要求后，还必须考虑低气压环境下存在的散热以及腔体滤波器放电等问题。在环境例行试验中，需要细化在气压连续变化情况下的试验验证或仿真过程。产品试验状态的变化也必须经过可靠性方面充分的论证和考核。实践证明，低气压放电效应是造成多测速雷达系统接收电平异常的主要原因，应答机采取绝缘防护措施后即消除了由此引发的接收电平跳变问题。

[1] 徐学基，褚定昌.气体放电物理[M].上海：复旦大学出版社，1996.

[2] 武占成，张希军，胡有志.气体放电[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3] 吴须大，周 颖.同轴腔滤波器与微放电[J].空间电子技术，2000，(4)：6～9.

[4] 黄好强.大功率腔体滤波器优化设计[J].河北省科学院学报，2008，25(6)：36～48.

[5] 成 钢，王少宁.航天高电压设备的绝缘防护研究[J].电子设计工程，2011，19(8)：144～146.

[6] 王宇平，夏玉林.星载微波设备低气压放电及其防范[J].上海航天，2005，(增刊)：65～68.

Research on the Power Jump of the Transponder Due to Low-pressure Discharge

Fan Wenping， Lu Jianxin， Zhang Zhengjuan

The receiving level of signal from the transponder jumps abnormally in the mission of radar tracking and measuring，and various factors affecting the signal transmission are examined to identify the cause of the abnormality.It is convinced that the reason is that the output power of the transponder jumps suddenly.Based on the theory of low-pressure discharge，it is further inferred that the low-pressure discharge in the cavity filter causes the power jump of the transponder.The ground environmental test verifies the validity of the conclusion.Then some measures are put forward to improve the transponder performance.

Low-pressure discharge； Cavity filter； Transponder； Power jump

TN836

A

CN11-1780(2014)02-0064-05

樊文平 1964年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为遥外测总体技术。

2013-02-04 收修改稿日期：2013-03-04

卢建新 1979年生，硕士，工程师，主要研究方向为遥外测总体技术。

张正娟 1988年生，硕士，工程师，主要研究方向为飞行器控制技术。