航天器大功率天线部件的微放电试验方法①

双龙龙,胡少光,郭鲁川

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

伴随着人类对航天技术应用需求的不断增长,航天探索不断迈向更深更高的层次,对航天器有效载荷技术提出了更高的要求。 除去传统军事应用之外,近年来,以天地一体化、低轨互联网星座、6G 移动通信等新兴概念为牵引的商业航天发展如火如荼。 基于航天器工作环境及任务的特殊性,总结起来,多通道、大容量、抗干扰、远距离通信等已成为航天器有效载荷技术发展的重要趋势。 足够的发射功率是支撑以上技术发展的必要条件,在此背景下,航天器有效载荷产品的功率容量要求越来越高,随之而来的大功率可靠性问题逐渐凸显。

微放电(Multipactor)效应,又称“二次电子倍增效应”,是微波系统在真空条件下所产生的一种放电击穿现象,是航天器有效载荷所面临的一种重要的功率可靠性问题[1-3]。 微放电主要发生于两个金属表面之间或单个介质表面[4-5],分别具体称为“金属微放电” 或“介质微放电”,其物理原理基本相同[6-7]。 如图1 所示,初级电子在射频场正半周期向上加速,击中上表面金属板,激发出二次电子,在射频场负半周期时,所激发出的二次电子在射频场中向下加速运动,并撞击下表面金属板,再次激发出二次电子。 若器件表面材料二次电子发射系数＞1,则每次撞击都会产生更多的二次电子。 当器件结构与所施加射频电场频率构成谐振条件时,上述过程循环往复,致使大量二次电子被激发聚集,经过一定时间积累后,当电子数目超过一定数量时,达到放电阈值,则会导致击穿放电现象发生[8]。

图1 微放电过程示意图Fig.1 Schematic diagram of multipactor process

由于内部结构、材料、表面处理工艺及工作频段、太空环境等因素影响,航天器有效载荷大功率微波部件极易产生微放电效应。 当微波系统发生微放电现象时,轻者会造成传输系统驻波增大,反射功率增加,噪声电平抬高,影响系统正常工作,严重时则会直接导致微波部件的永久性损坏失效,严重威胁飞行器在轨运行安全。 同时,面向未来发展需求,微放电效应是制约航天器微波系统功率容量提升的重要障碍,成为影响航天器装备技术发展的重要瓶颈问题[9-10]。

天线是航天器有效载荷系统的重要组成部分,大功率天线馈源广泛应用于各类通信卫星中,作为承载大功率发射的关键部分,天线产品的微放电设计成为工程应用中至关重要的方面。 为验证产品的微放电性能是否合格,抗微放电设计方法是否有效,测试试验手段不可或缺。 相比封闭结构的微波部件,天线产品由于开放结构的辐射特性,其大功率微放电测试试验方法存在着一定的特殊性。 文章基于多年工程应用实践,在介绍通用微放电测试方法基础上,针对天线馈源产品,重点论述了两种典型的辐射式微放电测试试验方法,为航天器有效载荷天线产品的微放电测试提供一定的技术指导。

1 微放电设计余量

在实际工程应用中,由于在生产加工、调试及测试过程中存在污染、氧化等因素,会导致微放电阈值下降,实际生产加工中影响微放电阈值的因素如表1 所列,表1 中列出了这些因素对产品微放电阈值造成的恶化程度。 为保证航天器产品的长期可靠稳定运行,需要保证最终的交付产品具有一定的微放电余量。 基于此考虑,欧空局技术中心(ESTEC)以及国内外主要的宇航公司对微放电效应进行大量研究基础,将微放电设计余量定为6 dB,即微波系统的微放电设计阈值要高于系统承载的峰值功率6 dB。部件及系统的微放电阈值无法通过仿真手段精确模拟,实际中只能依赖高性能的测试试验,获得部件或系统精确的微放电阈值,因此,微放电的测试试验至关重要。

表1 阈值影响因素Tab.1 Factors that influence the threshold of multipactor

2 微放电的主要测试方法

微放电的检测方法有多种,总体上可分为全局检测法和局部检测法,包括光学检测(局部)、电子探针检测(局部)、二次谐波检测(全局)、残余物质检测(全局)、前向/后向功率调零检测(全局)、近载波低噪声检测(全局)、输出频谱检测(全局)、近载波相位噪声检测(全局)等。 采用局部检测法可以接近实际放电位置,即检测点可选择靠近待测部件,但在测量完整组件时不宜采用局部检测方法,特别是航天器部件,实际中不可能在待测件上增加检测孔或其他破坏性的改变。 对于完整件的组件测试,采用全局性测试方法可以获知微放电发生在组件系统中的某个部位。

由于微放电过程对微波信号具有非线性影响,类似于其他非线性器件或效应,发生微放电前后,微波系统的传输信号特征会发生变化,微放电全局检测方法就是利用了这种信号变化特性所实现,通过观测信号的不同特征变化来检测微放电。 经过国内外多年的研究,根据不同的信号特征变化,已经建立了几种全局检测方法,其对应关系如表2 所列。

表2 微放电对信号影响及对应的检测方法Tab.2 Different test methods of multipactor

微放电对信号的影响,体现出随机性,需要不同的检测方法判断。 一般采用调零检测法、正向反向功率检测法、二次或三次谐波检测法、输出频谱检测法,测试中至少采用两种方法同时进行检测,其中优先选用调零检测法。 实际工程应用中,具备两种以上的全局检测方法是建立微放电测试实验室必备的条件。

3 天线产品微放电测试方法

针对天线产品,其微放电测试目前主要采用调零检测法、正向反向功率检测法、谐波检测法及输出频谱检测法等。 由于天线产品辐射结构的特殊性,在实际试验中要考虑辐射功率的吸收,除此之外还需要考虑温度、功率、尺寸结构等,总体上,建立合格的天线产品微放电试验系统十分困难,其主要难点和关键点包括:

1)大尺寸天线产品的合理放置:要确保被测件在真空罐内安装后与实际工作状态接近,安装过程中须不断测试连接的驻波状态,合理调整天线位置与方向,保证驻波满足测试要求状态。 安装过程不应改变其热边界条件和测试设备的状态。 安装所用悬挂、支撑和固定装置不得使用高放气量和含污染物质的材料,工装不能靠近天线的辐射场内。

2)高低温试验设计:考虑到航天器舱外天线的实际工作温度,高温试验通常要求大于100 ℃。 为满足微放电试验的高低温要求,可采用外挂加热笼的方式。

3)大功率测试载波吸收:天线产品的最大试验功率可达到连续波上百瓦,脉冲功率上千瓦量级,如何吸收辐射出的大功率测试载波对整个试验系统是一个很大的挑战;须选用满足真空功率要求的测试附件。

4)测试准确性:通常要求多种测试方法并用,以确保测试结果的准确性。

基于以上考虑,针对不同天线馈源种类,考虑其结构、尺寸及性能等因素,研制了两种通用的大型测试系统架构,其主要区别在于是否采用透波真空系统。

3.1 采用透波真空系统的天线微放电测试

基于天线产品微放电试验的特殊要求,采用大功率透波真空罐、吸波暗室以及远程控制测试相结合的方式,提出一种大功率微波天线在透波真空罐中的微放电测试方法[11],测试系统架构如图2 所示。

图2 采用透波真空罐的辐射式测试方法示意图Fig.2 Multipactor test system for antenna feeds based on permeable vacuum tank

信号源发出射频信号,经过微波信号调制单元形成高电平和低电平可调的脉冲信号,由微波功率放大器件放大后,经过双定向耦合器,再经过密封波导窗(或密封同轴接头)进入透波真空罐内(如图3所示),通过波导(或同轴电缆)馈入天线,天线的辐射功率辐射至吸波暗室。 采用该架构时,可同时使用调零检测法、正向反向功率检测法、通过暗室的接收天线可同时使用二次或三次谐波检测法、并监测输出频谱。 试验过程中通过监测调零信号、信号入射、反射功率变化情况及真空容器外接收天线在载波频率上接收电平的变化情况,确定是否发生微放电现象。

图3 透波真空罐实物图Fig.3 photograph of permeable vacuum tank is used

3.1.1 主要设计考虑

采用透波真空罐实现微放电测试,需从以下几个方面进行设计和验证:

1)透波材料性能:对于微放电测试系统,合格的透波材料必须具备优良的介电性能(ε＜10),优良的力学性能,较低的热膨胀系数以及足够的温变适应范围。

2)吸波材料承受功率密度:根据测试载波的功率谱密度要求,同时考虑吸波暗室物理尺寸及频率覆盖范围等因素,需选用满足微放电试验需要的吸波材料。 吸波材料的承受功率密度计算公式如式(1)所示。 其中,Pt是系统最大辐射功率,C是同频波束集中因子,Gt是系统辐射单元增益,R是馈源距反射面中心距离。

3)温变范围:测试系统的温变范围基于航天器天线实际工作环境温度选定,同时需考虑透波材料的耐受温度、热膨胀系数、耐压能力等多项参数。 通常要求试验温度范围为-120 ℃ ~+80 ℃,真空度优于 6.65×10-3Pa。

4)远程控制测试技术:基于大功率辐射测试的安全性考虑,测试控制工作必须在辐射场之外的安全区域操作,因此,合理、高效的远程控制测试技术是必要的。

3.1.2 方法特点及适用性

该方法采用透波真空系统保证了真空测试环境,同时以常压环境的大型吸波暗室作为辐射功率吸收载体,从而可以保证更高的辐射功率吸收和更好的散热性能,因此十分有利于大功率测试,同时可以保证更好的测试驻波状态,获得更优的测试效果。此外,远程控制测试技术的运用,使得在满足测试精度的前提下,保证了测试人员及设备的安全,安全性较高。

但是,由于透波真空系统的体积限制,该方法只适用于结构尺寸较小的天线产品,无法满足大型天线的微放电试验要求。

3.2 采用非透波真空系统的天线微放电测试

针对以上采用透波真空系统实现微放电测试的局限性,提出另一种使用非透波真空系统的微放电测试方法,二者实现功能及需求的互补。 采用非透波真空系统时,其内部需使用专用的真空吸波箱体,测试系统架构如图4 所示,信号源发出射频信号,经过微波信号调制单元形成高电平和低电平可调的脉冲信号,由微波功率放大器件放大后,经过双定向耦合器,再经过密封波导窗(或密封同轴接头)进入真空罐内,通过波导(或同轴电缆)馈入天线,天线的辐射功率辐射至真空大功率吸波箱体。 采用该架构时,可同时使用调零检测法、正反向功率检测法以检测微放电现象的发生与否。

图4 采用非透波真空罐的辐射式测试方法测试示意图Fig.4 Multipactor test system for antenna feeds based on non-permeable vacuum tank

真空系统中的大功率真空吸波箱是实现该测试架构的关键,需考虑其吸波性能、吸波材料承受功率密度及温变范围等。 图5 所示为大功率真空吸波箱结构图,包括主吸波屏、吸波箱体及侧壁吸波屏等部分,其均由吸波模块和吸波框架组成。

图5 大功率真空吸波箱Fig.5 High power vacuum microwave anechoic chamber

3.2.1 吸波材料选用

图6 所示为大功率真空吸波箱中常用的吸波材料结构,其由耐高温和低放气性的 SiC 材料经1 300 ℃高温烧结而成, 最高可耐温度为1 000 ℃。 尖锥结构在测试其真空挥发性能时所承受的温度范围为25 ℃ ~125 ℃,满足航天部标准QJ1558—88《真空中材料挥发性能测试方法》要求,满足在真空环境下的使用要求。

图6 大功率真空吸波箱中的吸波材料Fig.6 Absorbing material of high power vacuum microwave anechoic chamber

3.2.2 吸波性能

吸波箱的吸波性能由吸波模块决定。 图7 所示为50 型尖锥在不同入射角下的反射率情况,在1.0~32 GHz 范围内,反射率均≤-33 dB,吸波性能满足要求。

图7 吸波箱不同入射角的反射率图Fig.7 Reflectivity of absorbing box under different incident angle

3.2.3 方法特点及适用性

该方法可以在常规的非透波真空系统中实现天线微放电测试,相比采用透波真空系统,测试系统搭建的复杂度较低。 且该方法不再受限于透波真空系统的尺寸限制,可根据实际天线规模定制专用的大功率真空吸波箱体,从而可以实现大型天线系统的微放电试验。 该方法由于天线放置空间较大,试验过程中比较容易实现天线位置方向的调整,以获得合格的测试驻波状态。 但是该方法对于吸波箱体的要求较高,吸波箱体应使用铁氧体类不易挥发的吸波材料,以避免吸波材料对被测件造成污染。

3.3 航天器天线的微放电测试实例

图8 所示为中国空间技术研究院西安分院为某型号高频(27 ~30 GHz)天线辐射式微放电测试试验,该试验在通用非透波真空设备搭载大功率吸波箱内进行,很好的验证了高频天线的微放电设计余量,同时也考核了大功率吸波箱在真空环境下的性能。

图8 某高频天线馈源微放电试验Fig.8 A multipactor test for large antenna feeds

图9 所示为中国空间技术研究院西安分院某微放电测试试验系统环境,其中所测试天线产品的直径达到1.5 m,最多由24 路馈源组成。 由于通用的真空设备和吸波箱无法满足要求,为解决大天线的微放电试验,最终在KM3 真空设备中实现。 根据真空设备的结构特性,研制了满足大天线馈源阵的大功率吸波箱,特制的吸波箱内切圆直径达到2 m,同时组建3 路L 频段微放电测试系统,完成了天线的测试试验,整个试验周期为5 天,这也是国内首次实现最大尺寸的天线微放电试验,目前已发星的天线产品在轨工作正常。

图9 某大型天线馈源微放电试验环境Fig.9 A multipactor test environment for large antenna feeds

4 结论

微放电效应严重制约航天器有效载荷的功率容量提升,微放电测试试验是工程应用中检测产品微放电性能是否合格的必要手段。 文章介绍了通用的微放电测试方法,在此基础上,针对不同类型天线产品的微放电测试,介绍了两种典型的辐射式微放电测试方法,给出了设计原则和关键点分析。 文章所述方法在航天器工程中得到了实际应用,有效验证了航天器有效载荷天线产品的微放电性能,提高了我国航天器天线的研制技术水平。