用于热真空环境下整星微波无线测试的低PIM吸波热沉研制

杜春林，秦家勇，尹晓芳，王晶,2，孙嘉明，许忠旭，陶涛,2，顾磊



用于热真空环境下整星微波无线测试的低PIM吸波热沉研制

杜春林1，秦家勇1，尹晓芳1，王晶1,2，孙嘉明1，许忠旭1，陶涛1,2，顾磊1

（1. 北京卫星环境工程研究所；2. 北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

随着通信卫星技术的发展，收发共用已成为通信卫星有效载荷常用的设计方法，在这种情况下，无源互调（passive intermodulation, PIM）问题就显得尤为突出。为了完成整星及转发器分系统在热真空环境下的PIM指标测试，利用碳化硅吸波材料研制了一种低PIM吸波热沉，并利用该吸波热沉建立了指标小于150dBm的低PIM测试环境，同时兼具热流模拟功能和微波功率耐受能力。在热真空环境下圆满完成了国内首次有整星参与的微波载荷无线PIM测试试验。

热真空；无源互调；吸波热沉；热流模拟；碳化硅

0 引言

无源互调（passive intermodulation, PIM）是一种非线性干扰现象，是采用收发共用通道技术的大功率微波无源产品存在的共性问题。随着通信卫星技术的快速发展，收发共用已成为通信卫星有效载荷常用的设计方法，在这种情况下，无源互调问题就显得尤为突出，而所有的无源器件包括电缆、连接器、双工器、滤波器、定向耦合器、衰减器、功率分割器、合路器等无一例外都会产生互调失真。对于卫星的发射机，无源互调产生的干扰信号幅度远低于发射信号幅度，因而不会影响发射信号的质量；但这些微弱的干扰信号如果进入高灵敏度的接收机，则极可能超过接收机的热噪声底带，影响卫星正常工作，严重时可使卫星处于瘫痪状态[1]。因此，解决卫星无源互调问题需要从整星角度来考虑，而不是仅仅关注载荷单机，这是关系卫星成败的关键技术之一。

温度变化是影响PIM指标的重要因素，为了在热真空环境下完成有整星参与的无线PIM试验，北京卫星环境工程研究所开展了基于低PIM指标的大型吸波热沉拼接工艺和吸波环境建立技术的研究，成功研制出一套适用于S频段的具有一定功率耐受能力的低PIM吸波热沉；并在热真空环境模拟器内开展了整星及微波载荷的无线PIM测试。

1 技术难点分析及解决方案

PIM的产生机理极其复杂，通常表现出一定程度的随机特性。因此，在理论模型不够成熟的条件下，为了解决工程实际中的PIM问题，最直接也最有效的方法就是对PIM进行实际测量，以此来评价微波器件或系统的PIM性能是否满足要求[2]。

在热真空环境下进行整星及微波载荷的无线PIM测试，国际上尚无公开报道。由于空间环境模拟器（以下简称“容器”）的筒体及热沉全部采用金属制造，经环境氧化的金属表面会产生较高电平的互调产物，这使得容器本身成为一个重要的PIM源。因此，要完成热真空环境下的无线PIM测试，必须在容器内建立一个低PIM的吸波环境，如图1所示。

图1 空间环境模拟器内低PIM吸波环境的建立

低PIM吸波环境建立主要有以下难点：

1）虽然螺旋单元是以伞状形式向前方发射功率，但考虑反射和边缘效应的影响，需要将吸波热沉研制成馈源塔的形式并覆盖于馈源塔的正面和侧面，以消除正面、侧面的环境影响。

2）馈源塔背面安装了红外加热笼，没有吸波热沉，如果微波经多次反射到达红外笼表面，则红外笼可能成为PIM源，因此需采用单层镀铝膜对吸波热沉与馈源塔的边缘进行封堵，以消除馈源塔背面的环境影响。

3）吸波热沉结构复杂，体积较大，试验时温度变化范围可达150℃。高低温交变会导致吸波热沉结构形变从而带动吸波模块移动，严重时会使相邻吸波模块间产生缝隙；微波透过缝隙到达外部金属环境，可以形成PIM源。为了消除这一影响，试验中吸波热沉需控制在一个恒定的温度，该温度为螺旋单元提供一个稳定的背景热流，确保接插件控温点可以按温度循环及温变速率要求进行控温。

2 低PIM吸波热沉的研制

2.1 研制流程

低PIM吸波热沉研制与应用流程如图2所示。

图2 低PIM吸波热沉研制与应用流程

2.2 吸波材料选择

材料选择过程中重点对碳化硅、铁氧体、石墨烯3种吸波材料进行了测试，测试项目包括微波反射率、功率耐受性、热导率、发射率、真空质损、可凝挥发物、比热容、密度等[3-7]，最终确定碳化硅材料作为吸波热沉的材料。其材料特性见表1。

表1 碳化硅吸波材料特性

2.3 吸波模块设计

吸波模块由一定数量的碳化硅锥形吸收体（以下简称“锥体”）和安装板组成。

锥体由配置的碳化硅混合粉末通过模具热压铸成型，然后通过1000℃以上的高温烧结而成；为了满足安装工艺要求，锥体下端采用错位开槽设计，以保证连接的可靠性和密闭性。安装板用铝合金拉制而成，长度可按需截取；安装板开槽与锥体相配合，内部T型槽与吸波尖锥配合。

利用锥体和安装板相互匹配的错位槽形结构进行组装；组装过程中使用硅胶进行加固，从而保证了尖锥和固定安装板间的结合强度和导热性能。吸波模块效果图如图3所示。

图3 吸波模块效果图

2.4 低PIM工艺设计

常规的锥体拼接工艺无法满足吸波热沉的低PIM指标要求。经过理论分析和试验验证，决定采用多种特殊的结构外形和拼接工艺，具体如下：

1）单个锥体下端在保证强度的前提下采用错位开槽设计，错位安装后可以遮挡2块铝制基板的拼接处缝隙。

2）受锥体加工精度的限制，2个锥体错位对接处受温度或结构应力影响存在分开产生缝隙的可能，导致微波可能到达2块铝制基板的拼接处，从而形成PIM源。针对此，采用吸波模块基板侧面聚酰亚胺封堵工艺，确保2块铝制基板间不会直接接触，这样即使有微波透过尖椎体达到铝制基板拼接处，也不会产生PIM。

3）大型吸波热沉连接直角处采用柱状吸波材料错位拼接工艺，钝角处采用条（或板）状吸波材料阶梯拼接工艺，这样有助于消除PIM源。

4）为了在与产品对接时保证产品安全，大型吸波热沉特殊位置采用了可移动或翻动的模块结构。这一结构具有2项功能：一是实现对产品的避让，避免磕碰；二是保证对接处的金属遮挡，消除PIM源。

2.5 赋形结构设计

吸波热沉需要根据馈源天线的形状进行赋形设计，试验要求吸波材料与馈源阵面安全距离为250mm。结构框架采用分块设计，分为4部分，如图4所示。吸波模块与结构框架按照正面、外侧面、外斜面、顶面、内侧面（下到上）、下翻板、上翻板、底面的顺序进行拼接。

设计的难点主要体现在2个方面：

1）上下翻板结构均为独立的移动模块，质量均超过80kg。吸波热沉与馈源天线对接时，翻板打开，就位后翻板再与主体结构对接。吸波材料的拼接和安装板的对接动作同步完成，实现错位拼接，以消除PIM源。吸波材料错位拼接深度为1.5mm，因此设计要求拼接方向的尺寸误差小于0.5mm。

2）吸波热沉外形尺寸为2725mm×2840mm×1360mm；整体质量约2500kg，设计要求吸波热沉结构框架各方向在-100～+100℃温度交变环境下累积变形小于1mm，确保其在试验中不会因温度变化产生PIM源。

图4 吸波热沉结构框架

2.6 热控设计与测试

2.6.1 热控设计

试验过程中，接插件控温主要依靠红外笼完成，吸波热沉需要提供一定的热流以保证接插件控温点的温度稳定。

加热时吸波热沉内的热流方向是从红外笼经接插件到吸波热沉正面。设计计算中取吸波热沉正面温度与接插件温度相同，使得红外笼经过接插件控温点到达吸波热沉的热流为0，此时吸波热沉所需的总功率最大。吸波热沉正面的有效表面积约为9m2，可得出吸波热沉所需的总功率约为7600W。试验中吸波热沉采用安装板背面粘贴薄膜加热器的方式进行温度控制，共有80个加热回路，每个加热回路功率可达100W。

2.6.2 温控测试

试验过程中首次使用吸波材料替代常规外热流模拟加热器实现微波载荷的外热流模拟，实际温度控制过程中需要通过薄膜加热器控制吸波材料温度以达到间接控制控温点温度的目的，此类大比热容材料二次反馈温度控制方式有别于传统热试验外热流控制方式，控温难度很大[8]。

使用薄膜加热器控制吸波材料温度是基于热传导方式。碳化硅材料的热导率很低，只有5.4W/(m·K)，因此容易在安装板和锥体间形成温度梯度。为了摸清吸波模块的控温规律，同时验证热设计的正确性，选用锥体尺寸不同的2种吸波模块进行了温控测试。2种吸波模块均直接放置在容器热沉上（可视为背景热流相同），每个吸波模板的安装板背面均粘贴薄膜加热器，安装板背面、锥体内部粘贴测温热电偶，用于测量相同加热功率下不同位置的温度。

针对碳化硅材料的温度控制特点，研发了分段式多级PID控制方法，实现了真空低温环境下吸波热沉外热流模拟的快速、精确控制。控温效果如图5所示。

(a) 吸波模块1

(b) 吸波模块2

图5 锥体尺寸不同的2种吸波模块温度曲线

Fig. 5 Temperature curve of two kinds of absorbing module with different size of cones

3 摸底试验

3.1 试验方法

正式试验前进行了吸波热沉性能摸底试验，主要目的是测试吸波热沉自身的PIM性能。测试采用传输法[1,9]，测试原理如下：上行信号（单载波）通过2根测试电缆分别与真空罐穿墙法兰上的2个接口连接，当吸波热沉及环境产生PIM时，信号会被螺旋单元接收，并通过电缆传输至容器外的低噪声放大器和频谱仪，由此可测得对应的PIM值。

试验要进行6个循环的测试，测试前进行高温烘烤24h和吸波箱升降温能力测试。

3.2 温度要求

1）馈源单元与馈电电缆的连接部分：在双载波状态下接插件连接部分的温度范围为-57.3～+82℃；

2）卫星其余部分的温度范围：卫星本体，包括双工器及其连接部分及南北板用灯阵，温度维持在20℃左右；

3）每个温度循环时间维持在1h；

4）馈源塔测点温度在±100℃以内。

3.3 系统配置

吸波热沉的PIM性能测试试验见图6。测试中使用12个螺旋单元备份件、连接12根大功率电缆，通过专用支架安装到法兰对应位置；馈源塔背面红外笼、馈源塔正面吸波热沉及液氮冷板、吸波热沉与卫星间隙封堵均按正式试验实施。

图6 吸波热沉性能试验系统配置

3.4 试验结果

第一个循环中，利用第1组馈源进行了第1次PIM测试，发现异常，如图7所示，PIM值最大达到-130dBm。经现场分析，认为是高温（75℃）导致吸波热沉结构框架形变带动吸波模块移动所致，且此时第1组馈源的频点很接近，不是实际试验状态，因此进行调整：一是降低吸波热沉温度至50℃，二是将馈源的频点分开。

图7 第1组馈源第1次PIM测试频谱

吸波热沉降温至50℃后，具备测试条件，进行了2组馈源频点分开状态下的测试，PIM值均正常。于是利用第2组馈源进行监视，接插件控温点和吸波热沉同时开始降温，目标温度-60℃，降温过程中冷板恢复供液（在后续的循环中发现冷板温度对吸波热沉升降温情况基本无影响，因此一直保持供液状态使其正常工作）。第2组馈源共完成了3个循环的升/降温测试，PIM值均正常。

之后利用第1组馈源进行高低温循环测试，仍然是接插件控温点和吸波热沉同时升/降温，冷板始终保持供液状态。此过程中共出现了多次PIM值有较大跳动的情况，如图8所示，且均出现在吸波热沉升/降温转换阶段，最大值达到了-130dBm左右。

图8 第1组馈源高低温循环测试频谱

经现场分析，为了消除吸波热沉结构形变的影响，决定在正式试验中，将吸波热沉控制在一个相对稳定的温度，接插件控温点则按照温度循环要求控温。

4 试验应用

正式试验分两个阶段进行，第一阶段为功率分散工况；第二阶段为功率集中工况。PIM测试结果如下：

1）功率分散工况中，常温环境下最大值为-142.1dBm，热真空环境下最大值为-139.3dBm；互调产物的频谱特征未出现整体底噪抬升和多尖现象，试验结果满足设计要求。

2）功率集中工况中，常温环境下最大值为-135.22dBm，热真空环境下最大值为-129.2dBm；互调产物的频谱特征未出现整体底噪抬升和多尖现象，试验结果满足设计要求。

试验过程中使用红外笼控制馈源天线的接插件温度，控温范围为-57.3℃（允差为-4～0℃）～+82℃（允差为0～4℃），试验共进行了7个循环的PIM测试，每个循环约30h；馈源单元接插件温度严格控制在试验要求之内，温变速率小于15℃/h；试验中TNC接头温度如图9所示。

图9 接插件接头温度曲线

试验中吸波热沉温度控制在-35℃，以尖锥内部测点作为接插件控温点。馈源测试过程中，受到馈源功率的影响，锥体温度一般温升在15～20℃左右，安装板温度会随之略有上升。虽然温度有变化，但并未影响试验PIM测试结果。试验过程中吸波热沉尖锥内部测点温度曲线如图10所示。

图10 吸波热沉尖锥内部测点温度曲线

5 结论与展望

北京卫星环境工程研究所利用碳化硅吸波材料研制了一种低PIM吸波热沉，并在热真空环境下圆满完成了整星参与的无线PIM测试试验。该吸波热沉达到了以下技术指标：

1）吸波材料功率耐受能力＞0.1W/cm2；

2）双载波2×70W条件下，PIM指标＜-150dBm；

3）热流模拟能力＞900W/m2。

在吸波热沉的研制和使用过程中积累了丰富的经验，发现了一些问题，也明确了继续进行工艺攻关的工作方向，具体如下：

1）碳化硅吸波材料作为本次吸波热沉研制的主要材料，性能稳定，通过设计可以研制成针对不同频段的吸波热沉。但碳化硅材料过重，为了保证装置的力学稳定性，配套的支撑工装也需要足够的强度。如本次试验所用吸波热沉重达2.5t，运输、组装、吊装、支撑都有极大的难度，同时也增加了操作风险。

2）作为碳化硅吸波材料的替代品，石墨烯蜂窝材料有进一步研究的价值。该材料质量轻、易加工、可塑性好，对应同一频段比碳化硅吸波材料尺寸要小；缺点是导热系数太低，不利于试验中的整体温控，有必要寻找适当的替代材料。

3）安全防护十分必要。本次研制的吸波热沉顶部锥体的尖部垂直向下，考虑到锥体有断裂的风险，吸波热沉拼装前对顶部的吸波模块进行了防护处理，即用聚酰亚胺膜包裹，侧面使用聚酰亚胺膜封边，以不影响吸波模块拼接为准。

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（编辑：许京媛）

Development of low-PIM absorbing heat sink in microwave load wireless test for spacecraft in thermal vacuum environment

DU Chunlin1, QIN Jiayong1, YIN Xiaofang1, WANG Jing1,2, SUN Jiaming1, XU Zhongxu1, TAO Tao1,2, GU Lei1

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, 2. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

With the development of the communication satellite technology, the sending and receiving system becomes a common design target for the communication satellite payload, and the passive intermodulation (PIM) becomes particularly prominent. In order to complete the low PIM index test of the satellite transponder system in the thermal vacuum environment, a low PIM heat sink is developed by using the silicon carbide absorbing material. The heat sink not only provides a low-PIM test environment with an indicator of less than 150dBm, but also enjoys the heat flow simulation function and the microwave power tolerance in the vacuum heat test. The first microwave load wireless PIM test in China is successfully completed with the help of the satellite.

thermal vacuum; passive intermodulation; absorbing heat sink; heat flow simulation; silicon carbide

V416.5

A

1673-1379(2017)04-0370-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.005

杜春林（1980—），男，硕士学位，高级工程师，主要从事真空技术、航天器热试验技术研究。E-mail: to_cl2004@126.com。

2017-03-01；

2017-07-10

卫星型号项目支持

DU C L, QIN J Y, YIN X F, et al. Development of low-PIM absorbing heat sink in microwave load wireless test for spacecraft in thermal vacuum environment[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(4): 370-375