Tesat公司在空间微波领域的最新研究进展①

倪大宁，于晓乐*，蔺朝阳，姚凯学

(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；2. 陕西省知识产权局，西安 710000)

0 引言

Tesat Spacecom Gmbh & Co.KG(以下简称Tesat公司)是空客公司下属的专业化子公司，主要从事微波无源部组件、微波功放产品、激光通信终端等卫星有效载荷产品的研发和生产。在过去的五十多年里，这家公司为700多个空间飞行器提供了有效载荷产品，在国际宇航产业链中发挥了至关重要的作用。

鉴于Tesat公司是欧洲不可或缺的宇航产品制造商且深度参与了欧空局“先进通信系统研究”(Advanced Research in Telec-ommunication System，简称ARTES)计划，本文对其近十年来的学术文献、专利信息和政府资助项目进展进行了检索、分析、融合与研究，以期“管窥”欧洲航天工业的研制能力和发展趋势，为我国卫星有效载荷技术的发展提供“他山之石”。

1 Tesat公司在微波无源领域的研究进展

(1)频率可调滤波器/多工器

在德国宇航中心(DLR)和联邦经济与技术部(BMWi)的支持下，Tesat公司联合达姆施塔特工业大学、联邦材料研究与测试部(BAM)、德国默克集团(Merck KGaA)、IMST公司、CST公司等开展了LiquidSky项目，对基于液晶材料的频率可调微波谐振器与滤波器开展了原理验证[1]。

在完成了原理验证并受让了达姆施塔特工业大学技术转让的基础上，Tesat公司开展了后续的研发并在2016年4月申请了“谐振器与采用谐振器的滤波器”专利(DE102016107955)，其技术方案是在谐振器中插入液晶材料，并在液晶材料周围设置电极，通过电极驱动液晶材料中场方向变化以改变其电导率，进而实现对滤波器谐振频率的调谐(见图1)。鉴于液晶材料在严苛的空间环境中体积会膨胀和收缩，可能导致容纳液晶材料的介质棒内压力过大，Tesat公司又在2017年4月和11月提出了两项改进型专利；“采用液晶和补偿单元的谐振器”(DE102017128368.4)专利采用了一种热膨胀系数低于液晶材料和介质腔的补偿单元，能够避免介质腔内部压力过大而形成破坏性影响的技术风险；“采用液晶和气泡的谐振器”(DE102018109054.4)专利中的调谐单元由第一腔室、第二腔室和连接通道组成，液晶材料和气体分别位于第一和第二腔室，在温度变化的情况下可以用气体的体积变化来补偿液晶材料的体积变化。

图1 DE102016107955专利附图

Tesat公司提出的另一种实现滤波器频率可调的技术途径是调谐谐振腔的体积。在2017年1月申请的“频率可调通道滤波器”(DE 102017100714.8)专利中，鉴于现有技术采用高精度驱动机构导致成本较高的技术问题，在每个谐振器的侧壁上设置了两个调整单元，每个调整单元上具有两个不同尺寸的切口；通过驱动调整单元转动，可以调谐谐振器的体积从而改变滤波器的工作频率(见图2)。

图2 DE102017100714.8专利附图

(2)带宽可调滤波器/多工器

依托ARTES计划“先进技术”专项的资助，Tesat公司研制出了Ka频段大功率输出多工器(见图3)[2]，并以专利的方式对其成果进行了保护。针对铝合金热膨胀系数高而空间环境温度会导致输出多工器电气性能恶化的技术问题，2012年6月申请的“波导母线”(DE102012011765)专利提出了一种在每两个输入端口间引入额外并行谐振器的技术方案，通过热机械驱动机构改变并行谐振器的体积，从而调整相邻输入端口之间的相位关系。这一技术方案本身用于补偿温度变化，但同时又可带来可调谐多工器电气性能(如带宽)的技术效果。

图3 Tesat公司的Ka频段温度补偿OMUX

基于这一专利的技术启示，2012年10月申请的“带宽可调微波滤波器”(DE102012 020576)专利进而提出了采用多相电机控制机电作动器以调整相邻谐振器之间的可调谐振器的体积的方案，从而调谐滤波器的工作带宽。在几乎同期申请的“可调波导母线”(DE102012021157)专利中，其解决方案是在波导母线的通道滤波器之间设置耦合单元，通过作动机构调整耦合单元的体积/截面/长度，从而实现一种带宽/中心频率可调谐的输出多工器(见图4)；与采用环形器链路的现有技术相比，这一发明能够降低系统的插入损耗并抑制无源互调的产生。基于以上专利技术，Tesat公司已经在德国联邦经济与技术部的资助下完成了Ka频段原理样机的开发。

图4 DE102012021157专利附图

(3)滤波器的批量化和快速制造技术

传统的星载滤波器产品往往为定制产品，其设计理念和生产方式难以实现产业化制造。为了降低设计和生产成本，Tesat公司在“通用的通道滤波器”(DE102014012752)专利中提出了一种配置了第一调谐机构(例如调谐盘)和第二调谐机构(金属或介质螺钉)的方案，分别用来实现工作频率的粗调和精调。这种技术方案的优势在于，针对例如工作在11GHz附近的Ku频滤波器，设计和生产阶段不再受限于具体项目的中心频率，批量生产之后根据具体项目的技术指标进行调谐，从而实现“货架产品”式的研发模式转型。

在欧空局ARTES计划的支持下，Tesat公司与弗劳恩霍夫应用研究促进协会激光技术研究所合作[3]，利用3D打印技术制造出了滤波器产品(见图5)。与铣削工艺相比，采用选择性激光融化(Selective Laser Melting，简称SLM)工艺打印出的滤波器产品在供货周期、成本和重量方面都具有一定的优势，但尚未见到其在轨使用的报道。Tesat公司认为由于目前的3D打印技术在表面精度方面尚存在缺陷，暂无法满足窄带滤波器产品的要求，但却是宽带滤波器产品的备选加工方案。

图5 Tesat 3D打印的滤波器

为了实现波导的快速连接，Tesat公司于2015年和2016年分别申请了两件连接方法专利。在“用于空腔波导的快速连接装置”专利(DE102015014590)中，针对螺钉连接方式复杂且耗时、焊接方式无法修复的技术问题，提出了一种具有弹性力的压紧装置方案(见图6)，能够节约装配时间、提高连接法兰的电气紧密型并形成更均匀的接触压力。而在“用于连接空腔波导的杆状连接装置”专利(DE 102016125084)中，采用了由驱动杠杆、弹簧装置和支架等部件构成的夹型连接装置(见图7)，能够实现便于拆卸、防止法兰磨损和污染以及避免装配不当造成电磁波泄露等技术效果。

图6 DE102015014590专利附图

图7 DE102016125084专利附图

(4)产品小型化、轻量化和大功率等技术

依托ARTES计划“竞争性与成长性”专项支持，Tesat公司将新型介质谐振器滤波器设计方法应用于Ka频段输入多工器产品中，与传统设计方法相比，产品的体积和重量分别减小了50%和30%，且在成本得以降低的同时可靠性得到了提升。这一产品已经应用于多颗卫星，有力的提升了Tesat公司的市场竞争力(图8)。

图8 Ka频段小型化输入多工器

在ARTES计划“先进技术”专项的资助下，Tesat公司开展了两项输出多工器的开发。在与西班牙曙光软件与测试公司联合申请的“Ku频段每通道500W输出多工器”项目中，为了满足卫星传输高清电视业务对EIRP指标的技术要求，解决了微放电、电晕放电和散热等关键问题，满足了每通道500W的设计指标；通过联合卡尔斯鲁厄理工学院开实施“多通道小型化Ku频段输出多工器”项目，提出了新的介质谐振器解决方案，在体积和重量得以有效降低的同时，带外抑制和插入损耗等指标也得以提升。

在与西班牙高等科研理事会、欧空局联合申请的“抗微放电装置”(ES2564054)专利中，提出了一种槽长宽比大于4且表面槽密度大于70%的抗微放电金属涂层。在采用了这种涂层的Ku频段群岛滤波器实施例中，在15000W的输入功率条件下未测得微放电现象的产生，与现有技术相比有效提高了微放电阈值。

针对宽频带滤波器/多工器的需求，Tesat公司在2013年11月申请的“将介质插入相邻单元且水平布局的用于30GHz输入多工器的介质滤波器”专利(DE102013 018484)中，提出了一种采用交叉耦合技术的方腔介质谐振器滤波器。与现有技术相比能够在保持较高Q值(>5000)的情况下提高产品的工作带宽。

2 Tesat公司在微波有源领域的研究进展

(1)行波管放大器技术

在行波管放大器技术领域，Tesat公司主要与法国Thales公司及其子公司Thales Electron Devices合作[4]。Tesat负责电子功率调节器(Electronic Power Conditioner，简称EPC)和线性化通道放大器(Linearized Channel Amplifier，简称LCAMP)的研发，Thales公司负责研制行波管，两家公司均具有产品集成能力。

依托欧空局ARTES计划“竞争力与成长性”专项，Tesat公司针对可重构载荷的市场需求开发出了饱和功率为300W的Ku频段灵活可编程微波功率模块(见图9)，通过控制行波管的阴极电流来控制饱和输出功率的数字化在轨调整(In-Orbit Adjustability)，已经成功应用于Hylas-1等卫星；针对下一代高通量卫星的需求，为Q/V频段的馈电链路开发出了螺旋线电压为15kV、输出功率为150～200W的Q频段EPC；为了满足S频段移动通信卫星低增益用户终端的迫切需求，开发了输出功率为500W的S频段TWTA。

图9 Tesat公司300W功率可调TWTA

Tesat公司申请了系列专利以保护其商业利益。例如在“发射放大器单元的控制装置”专利(DE102013002477)中，提出将TWTA的工作参数存储于存储器中，通过遥控信号发送频率和调制方式信息控制预放、通道放大器和线性化器等模块性能的方法，以实现灵活控制放大器工作频段、提高功效和避免传输指令错误导致故障的风险。在“TWT模块的运行方法”专利(DE1020130039 04)中，通过控制TWT空闲模式和放大模式的阴极电流，保证其一直工作在最优的工作效率，与现有技术相比具有重量轻和成本低的优势。发明名称均为“运行卫星放大器模块的方法”的两项专利(DE102013003903、DE102013004673)中，采用了非易失性存储器(Non-volatile Memory，简称NVM)模块；前一项专利中NVM被用于存储放大器配置参数，从而可以更快的使放大器工作在最优状态；后者中NVM被用于存储放大器故障信息，从而解决无法准确、及时获取放大器故障信息的技术问题。在“TWT的能源供应单元”专利(DE102015014587.8)中，针对TWTA开关机时输出功率突然变化导致高阶跃负载并引起高压下降的问题，通过在切换工作模式的过程中逐步改变信号输入接口处信号模式对应的控制信号的方法，可以简化系统构成并降低成本。

(2)高压绝缘技术

基于降低产品重量和成本，以及消除国际武器贸易条例(International Traffic in Arms Regulations，ITAR)限制的目的，Tesat公司在ARTES计划“先进技术”专项的资助下开展了高压绝缘技术的研究，开发出了用于EPC的新绝缘材料，并以在Q/V频段产品上进行了验证。

在高压绝缘领域申请的专利包括：基于减轻TWTA产品重量的专利“用于电气元件高压绝缘的生产方法”(DE102014018277.0)，与传统采用整体浇注绝缘材料的方式相比，该发明采用分层涂敷(包括可以采用3D打印方式)将绝缘材料包裹与电气元件之外，除了减轻重量还能降低部件的热机械应力；“采用陶瓷嵌体的电路板”(DE102013019617)专利提出了在多层电路板中预埋陶瓷嵌体的方案，通过与电气元件的位置交叠将其上的热量传导至外部的耦合单元，不但能够提高工作电压，还能降低产品的成本和重量；“高压连接器及其制造方法”专利(DE102016 000921)针对传统的TWT和EPC的连接问题，提出了一种由插座、插头和软管组成的插拔式压接连接方式(见图10)，与传统的接合连接方式相比，不但能够降低修复的难度，还能将工作电压提高到15kV以上；“高压连接器”专利(DE102015007882)提出了一种包括由背靠背的梳状载体单元等构成的连接器(见图11)，由此可以将电位差最大的电缆对安置在距离最远的凹槽中，不但可以通过避免击穿现象的产生而提高工作电压，还能提升产品的电磁兼容性能。

图10 DE102016000921专利附图

图11 DE102015007882专利附图

(3)固态放大器技术

2013年5月，Tesat公司与肖特公司联合开发的新型氮化镓功率放大器气密封装解决方案成功应用于欧空局Proba-V卫星[5]。与传统方案相比，这种气密封装结构(见图12)不但能依靠陶瓷-金属通孔降低插入损耗，还能依靠底座的高热传导性能协助MMIC放大器散热。

图12 Tesat和SCHOTT公司研制的放大器

Tesat公司还与UMS公司联合开发了P波段氮化镓固态功率放大器，其中的氮化镓芯片由UMS提供，Tesat公司负责封装和验证工作[6]。这一产品未来将在欧空局的Biomass卫星上得到在轨验证。

由于宇航产品小型化的发展趋势，封装外壳的尺寸也越来越小，这会导致焊接过程中外壳上的热负载传导到壳体内部，存在对器件造成损伤的风险，因此Tesat公司在“通过光学方法连接封装外壳的方法”专利(DE102013002628)中提出了将封装外壳侧壁局部变薄或减小局部截面的解决方案(见图13)，在激光焊接的过程中可以降低局部导热系数，阻碍外部的热量传导到封装外壳内部。

图13 DE102013002628专利附图

鉴于压力孔测试等常规的气密性测试方法不适用于空间环境，Tesat公司在“封装外壳的气密性试验方法”专利(DE10201202 4346)中提出了一种在封装外壳内部设置MEMS压敏传感器、密封外壳并测试封装外壳内部压力随时间和温度变化的方法，有利于简化测试流程。

由于采用环形器的保护电路方法体积和功耗大，Tesat公司在“保护高频功率放大器免受终端故障的方法和器件”专利(DE 102201106234.7)中，提出了一种由检波二极管和控制电路组成的失配保护电路，可以实现保护放大器中的半导体器件因阻抗失配而损坏的技术效果。

3 结论

(1)通过分析近期的学术文献、专利信息和政府资助项目可见，Tesat公司依托欧空局ARTES计划、德国联邦经济与技术部等资助渠道开展了技术储备，目前至少已经突破了S频段单通道500W、Ku频段单通道300～500W、Ka频段单通道300W和Q频段单通道150～ 200W的设计方法和制造技术，达到了国际先进水平。

(2)在微波无源产品领域，Tesat公司已经掌握了小型化、轻量化等关键技术，近年来的研发重点有二：一是为了满足用户对可重构载荷的需求，对频率/带宽可调技术开展了深入研究，突破了传统微波无源部件的研发思路，将驱动机构、驱动电极等应用于设计理念中；二是在进一步提高产品交付能力和降低成本方面进行了有益的尝试。

(3)在行波管放大器产品领域，Tesat公司突破了在轨输出功率调整技术并已应用于Hylas-1等卫星。近年来一方面着重于电磁、力、热等多物理场耦合设计，已将EPC的螺旋线电压从前期的8kV提高到了15kV，有利支撑了产品输出功率的提升；另一方面在新型灌封材料的研发和产品轻量化方面开展了探索，以期降低产品成本并摆脱ITAR的限制。

(4)在固态放大器领域，针对产品不断小型化的发展趋势，Tesat公司与芯片供应商进行了密切的合作，攻克了温度和环境适应性问题，尤其是在氮化镓芯片的封装方面具备了较强的技术优势。

(5)德国的产学研合作和大学的技术转让机制对Tesat公司的创新发展形成了有力支撑，使其可以聚焦于工程问题研制。例如达姆施塔特工业大学率先提出了采用液晶材料的可调滤波器原理并牵头完成了概念验证，Tesat公司则实在受让了技术转让之后才开展了进一步工程研制。

致谢

特别感谢崔万照研究员、汪蕾研究员、李俊平高级工程师、梁君利高级工程师对作者的帮助。