箭载应答机飞行过程中的低气压放电及防护

李 军，邹 骥，李 鑫

（1. 中国西南电子技术研究所，成都，610036；2. 成都天奥电子有限公司，成都，610036）

箭载应答机飞行过程中的低气压放电及防护

李 军1，邹 骥2，李 鑫1

（1. 中国西南电子技术研究所，成都，610036；2. 成都天奥电子有限公司，成都，610036）

某新型应答机内部腔体双工器在飞行过程中出现放电现象，经过分析及试验验证，确认放电原因为气体密度降低导致内部导体之间的击穿电压降低（低气压放电）。利用Ansoft HFSS场仿真软件和Ansoft designer电路仿真软件，采用场路结合的方法，对该双工器发射通路内部的电场强度进行建模仿真计算，根据仿真计算结果，给出适应工程化应用的加固处理方法。

应答机；低气压放电；加固防护

0 引 言

某新型双频测速应答机是中国新一代用于外弹道测量任务的箭载连续波体制外测产品，自首飞以来，已参加了多次靶场飞试，从系统测量的角度来看，历次飞行均圆满完成了测量任务。

在某次任务的事后数据处理中，经过仔细分析，发现火箭起飞约225 s后，表征应答机输出功率大小的功率遥测参数出现了约1 V左右的下降，该现象持续约30 s后恢复正常，一直到飞行结束该异常现象未再次出现。另一方面，通过对该时间段内地面雷达站的接收信号指示电压进行判读，可以确认在上述时间段内应答机的输出功率确实出现了约10 dB的下降。由于系统设计余量较大，地面雷达站在应答机功率下降的情况下仍能够正常完成跟踪任务。

经过大量仿真计算和试验验证，可以确定导致应答机在飞行过程中出现输出功率下降的原因是内部微波腔体双工器在该时间段内出现了低气压放电现象，使得射频输出端口插损增大，输出功率下降。本文对放电原因进行了分析并给出了设计加固和检验措施。

1 放电模式的确定及验证

根据弹道飞行数据，当弹上应答机输出功率发生异常时，火箭飞行高度约为120～136 km，该高度所对应的气压值在1.8×10-3～8.39×10-4Pa之间。从高度值来看，主要属于微放电作用区域，但在工程应用上也存在低气压放电的实际案例。由于这2种放电模式的机理存在较大差异，同时发生的可能性不大，因此需要对所怀疑的放电模式进行确定。

1.1 微放电模式。

微放电又称电子倍增击穿，是发生在高真空条件下、大功率微波元器件或组件内部的射频击穿现象。发生该现象需满足以下几个条件：a）高真空环境，气压低于6.65 Pa；b）射频（微波）电场（功率）大于阈值；c）穿越电极和缝的电子渡越时间等于射频场半周期或半周期的整数倍，在两极表面雪崩似地产生二次电子；d）电极表面材料二次电子发射系数大于1。

某型应答机在飞行过程中出现异常时，其飞行高度在120～136 km之间，仅从外部气压值来看，属于比较典型的微放电区域，确存在出现微放电的可能。但另一方面，由于其内部腔体双工器采用了整体铝铣腔体加盖板的设计方式，并且盖板螺钉较多，本身具有一定的密封性，存在“慢漏气”的现象，即在火箭上升飞行，外部气压快速变化的情况下，腔体内部气压并不会同步快速降低（即双工器内外部气压变化不一致，已通过漏气率测试得到验证），因此在飞行高度达到微放电区域时，其内部气压还较高。

另一方面，根据目前工程上进行微放电功率阈值计算时所使用的欧洲太空局技术中心提供的经典计算公式，采用镀银腔体的双工器对应于产生微放电的功率阀值为

式中P为阈值下限功率；f为工作频率；d为内部导体间距离；Z为阻抗。

根据应答机所采用的腔体双工器的设计调试情况，f=5.3 GHz；d=0.2 mm；Z=50 Ω，据此可计算出：

从式（2）可以看出，应答机双工器出现微放电的阈值功率为17.04 dBW，而应答机的实际最大输出功率仅为0 dBW，远小于微放电模式所需的功率阈值，不具备产生微放电的可能。

1.2 低气压放电模式[1,2]

低气压放电又称日冕放电击穿，一般认为它是残留气体中的自由电子因微波功率激发获得能量产生等离子体，继而引起放电，其过程、机理都比微放电复杂。在常压下，由于气体分子密度大，气体电离后的带电离子在电场作用下受到的阻力也大，因此气体击穿所需的电压也高，随着气压的降低，气体密度的减少，要使气体击穿所需的电压也随之降低，而当气压进一步降低，气体密度进一步的减小，气体分子被电离的可能性也就减少，气体击穿所需的电压反而又有提高。因此，气体击穿电压U是关于气压P和距离d的函数。这种U和P，d之间的关系曲线叫做帕邢曲线，可用图1定性表示。从图1可以看出，与微放电现象相比，低气压放电的气体击穿电压存在一个最小值，约为66 Pa·cm[3]。

考虑到应答机内所采用的双工器采用了谐振腔设计，而在传输相同功率的情况下，高Q值（品质因素）谐振腔内部的电压要远高于传输线上的电压，在这种情况下，不能以常规思维认为仅在较大功率注入的情况下（5 W以上）才会产生低气压放电的情况。

1.3 试验验证

为进一步验证关于放电模式的分析，采用低气压试验对应答机内所采用的双工器进行专项考核。考虑到异常现象出现的机率，为充分验证设双工器的设计能力，共抽取了5只产品进行试验，采用工程上通用的增大3 dB馈入功率的方式进行考核。

试验情况如表1所示。

表1 低气压试验情况

从对双工器单独开展低气压试验的情况来看，参试的5只产品中有1只在低气压试验中出现了明显的插损增大情况，出现插损增大时对应的高程约为80～110 km。

将在试验中出现插损增大情况的双工器开盖进行检查，结果发现在功率馈入端第1级有明显的放电后留下的烧蚀痕迹，具体位置如图2箭头所示。

从试验结果来看，5只参试产品中有1只在低气压环境下出现放电情况，说明该型双工器确实存在低气压下适应能力不足的缺陷，设计值临界，这也验证了之前的分析：由于该型微波双工器的工作频率较高，谐振腔内部调谐螺钉与内导体之间距离的设计值本身就较小，而由于调试时个体差异的存在，个别双工器在调试时需要将调谐螺钉调得更深，从而导致调谐螺钉与内导体距离偏小，容易出现低气压放电现象。

2 加固改进及验证措施

由于气体密度降低导致内部导体之间的击穿电压降低，腔体滤波器发生低气压放电现象，对于增强类似腔体结构器件对低气压环境下适应能力，工程上可采取的措施很多，除了工艺方法加严控制外，更多还需要从设计上加强工作，最常用的有以下几种方法[4]：

a）增大腔体内部空间：使内导体与外导体（调谐螺杆、调谐螺钉）之间保持足够的安全距离，但由于产品小型化设计要求日益提高，单纯保持安全距离的方法已很难满足产品设计的总体要求；

b）密封设计：对滤波器进行密封处理，使滤波器内的气体密度不随外部气压的变化而变化，这种方法为了采用焊接或激光封焊密封的措施，需要对滤波器体积加以扩大以留出焊接的空间；

c）介质填充：在滤波器内部导体之间填充介质，也能增强滤波器的低气压环境适应性，这种方法一般应用在结构紧凑的滤波器设计中，由于介质的密度不随外部气压的变化而变化，从而保证了其击穿电压不随外部气压的变化而变化，因此，即使气体密度降低，产品也不会出现低气压放电现象。

上述3种方法都可以用来对双工器的设计进行改进，但前2种方法需要对双工器的设计方案做出较大改动，甚至可能需要对结构外形作出调整，对于成熟产品并不适用。

根据技术指标要求，箭载应答机单次飞行时长不超过60 min，在这种长度的时间段内，采用“抗放电”设计，尽量降低放电效应对电性能的影响，易于“消除放电”的设计方式。而比较各种“抗放电”设计的思路，采用介质局部填充则是一个效费比较高的方法。

在这种思路牵引下，利用Ansoft HFSS场仿真软件和Ansoft Designer电路仿真软件，采用场路结合的方法，对该双工器发射通路内部的电场强度进行建模仿真计算[5,6]：

a）进行场处理，在Ansoft HFSS仿真软件中建立单腔谐振器模型，本征模式，源因子为1，即1 W；计算出本征模式下的单个谐振器最大电场强度Emax_HFSS为0.634 49 V/m，如图3所示。

利用 Ansoft HFSS场计算器计算单腔峰值储能Wp_HFSS=2.15687694258738× 10-20J 。

腔体结构固定以后，结构系数ξ为常数，它表明电场最大值的平方与储能具有线性关系：

b）利用 Ansoft Designer 微波电路仿真软件进行电路处理。

1）建立带通滤波器KQ值电路原型。

2）设置激励源Pin=1 W，仿真获得幅频响应特性，如图5所示，每腔储能，如图6所示。

可以获得谐振腔最大储能为Wp_designer=4× 10-9，计算端口激励功率与谐振腔最大储能之间的比例系数：

3）常压下承受功率计算[7,8]。

考虑加工制造因数，干燥空气击穿电场强度取值为1.3×106V/m，有：

式中η为比例系数；ξ为结构系数；Ep为击穿场强度。

4）最大场强预计值。

Pmax=1 W输入时最大场强预计值：

得到内部场强的最大值约2.732×105V/m。对放电区域采用介质局部填充，由于聚四氟乙烯电场击穿强度为17×106V/m，且该值不随气压的变化而降低，可以有效抵御放电效应的影响。同时聚四氟乙烯材料本身的介电常数较低，对双工器的电气指标影响很小。

经过综合分析，对该型双工器采取了如下的改进措施：a）圆形内导体及耦合螺钉均套上圆柱形介质护套；b）窗口的底部添加介质块，其宽度与耦合螺钉的介质套外直径相当，并由耦合螺钉的介质护套将其压住，不会移动。

经过加固后的产品如图7所示。

通过上述处理，有效提升了放电敏感区域的抗击穿电场强度，可在任务要求的低气压工作时间段内保证腔体滤波器的电性能稳定性。同时，为确保措施的有效性，对采取加固措施后的双工器抽样10只产品（含改进后的故障件）按前述条件开展试验，未出现异常。

3 结束语

低气压放电作为一种复杂的空间物理现象，一旦发生，将对产品的电气性能造成重大影响甚至导致损坏，消除或降低低气压放电的影响，对箭载应答机顺利完成测控任务具有重要意义。本文结合工程实际案例所提出的“抗低气压”设计加固思路，从工程理念到仿真、实现、试验验证手段均具有较强的可借鉴性。

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Prevention of Low Pressure Discharge for Rocket Responder

Li Jun1, Zou Ji2, Li Xin1
(1. Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu, 610036; 2. Chengdu Spaceon Electronic Co.Ltd, Chengdu, 610036)

A discharge Phenomena occurred during the flight of a new type transponder with a duplex cavity fixed inside. After analysis and experimental verification, the discharge is caused by low pressure when the gas density reduction makes the breakdown voltage lower between two conductors of the duplexer. With the help of simulation software such as Ansoft HFSS and Ansoft Designer, we model and simulate the electric field intensity within transmission channel of the duplexer. According to the simulation results, we put forward a method to reinforce it for engineering application.

Rocket responder; Low pressure discharge; Prevention

V556

A

1004-7182(2017)02-0099-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170222

2016-07-14；

2016-09-01

李 军（1975-），男，高级工程师，主要研究方向为航天箭载测控系统