高低温环境下测试卫星天线无源互调的系统

2022-03-19李砚平柴继泽杨晓敏蔡小宏

空间电子技术 2022年1期

李砚平，柴继泽，杨晓敏，蔡小宏

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

无源互调(passive intermodulation 简写为PIM)属于一种新的电磁干扰源，它是指由无源部件的固有非线性导致的互调产物。通常产生于滤波器、同轴线缆及连接器、金属连接面、天线馈源及天线等无源部件。在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应[1]。

随着航天技术的飞速发展，航天大天线技术飞速发展，新技术广泛应用，收发共用技术就是其中一项技术，收发共用面临的可靠性问题之一就是PIM效应。PIM的存在会对通信系统产生干扰，特别是落在接收频带内的互调产物将对系统的接收性能产生严重影响。采用收发共用天线系统的卫星，PIM更应引起重视。大功率卫星中的PIM严重威胁卫星系统的运行，它不仅浪费宝贵的卫星发射功率，又使本来就十分微弱的接收信号受到干扰[2]。PIM严重地增加了接收系统的噪声电平，降低了系统灵敏度。航天天线作为航天载荷中必不可少的关键元件，由于工作空间环境的严酷性、极端性和不确定性，交变温度严重影响PIM性能的大小和稳定性，影响天线性能的可靠性，因此，空间天线要考虑温度交变下的PIM 效应[3]。温度交变下的PIM效应从材料非线性和接触非线性考虑，主要取决于金属材料之间的热扩散效应，金属导热性，热离子发射等因素[4]，这几种效应同时作用，且各自所占的影响比率在同一个部件中不固定，建立动态理论模型存在困难，理论仿真存在局限性。欧美航天经过探索，目前都通过地面验证测试确保温度交变下的PIM。加拿大航天中心DFL试验室建立了木制的透波温度调节系统开展测试，受材质影响，这种系统温度范围有限。ESA下属的瑞典RUAE公司建立了温度交变下的PIM测试系统，采用了介质材料，受薄弱点影响，温度范围是-35 ℃～120 ℃。这种测试方法和设备国内外没有现成的成品可以使用，都是自主研发的产品。本文根据空间天线的特点和PIM要求，结合国内的现有材料和温度控制技术，探索出两种测试温度交变下PIM性能的测试系统，并设计研制了测试设备。一种是利用现有的温箱设备，在温箱设备中嵌套放置专用吸波箱，待测试天线放置在吸波箱体中，采用反射法测试天线PIM。这种嵌套装置，由于吸波材料的耐高温能力受限，适用的温度范围是-70 ℃～70 ℃。另一种是设计了专用的透波暗室，透波温箱箱体放置在吸波暗室中，温控机组放置在控制室中，采用反射法和辐射法均可以测试温度交变下的PIM。此测试系统不受吸波材料的耐温限制，可以应用的范围是-70 ℃～150 ℃，两种测试系统均已应用在地面验证试验中。在测试系统和设备的设计研制中，充分考虑了影响PIM性能的材料非线性和连接非线性，确保测试系统和测试设备的PIM低于测试产品，减少测试误差。

1 温度对PIM影响

卫星在轨运行时，在太阳的正对辐射下处于高温，如果所处位置背对地球被遮挡时，处于低温。极限温度在-120 ℃～120 ℃变化，这是卫星系统老化的主要原因，同时，由于温度的变化，PIM信号在系统工作中变化异常活跃。在波导连接情况下，波导金属和螺钉材料之间的热扩散系数不同，温度变化会产生应力，一天内金属表面会经受周期性的作用，由于金属结的老化，导致接触电阻会增加。除了环境温度的变化影响，在任何元件上，局部温度变化都会引起整体的温度变化，出现超噪声电平信号的PIM信号频率。这种情况下，PIM激励和金属的导热性具有线性相关性，产生谐波分量，在PIM频率处引起腔壁上的电流，在金属波导结的情况下，将产生金属接触电阻。根据Franz-Wiedemann定律，将电和热的导热系数与纯金属接触处的电压降和温度联系起来[5]。

式中L是洛伦兹数(L≈10-8V2K-2), 它定义为热传导系数和电传导系数之商。T是变化后的温度，T0是初始温度，V是金属接触处的电压降。

对常用金属的电压降和温度的变化开展了计算，计算的结果如图1所示，T0选用的是203.15 K(-70 ℃)。

图1 四种金属的电压降和温度的变化关系Fig.1 Schematic diagram relation of four type metal voltage change with temperature

通过图1可知，对大部分金属而言是常数，金属特殊敏感点处的温度升高对接触电阻有很大的影响，微弱的电压变化也会引起温度的剧烈变化，对于银、铜、金、铝、电压变化0.17 V,可使接触温度从203 K升高到300 K[6]。对于有的金属温度达到金属的熔点，可以发生熔接，高温可以软化氧化层使得薄层破裂，引起系统接触电阻降低。温度的变化，将会引发PIM电平的变化[7]。因此地面验证试验需要开展温度变化下的PIM验证测试。

2 高低温PIM测试系统设计

根据不同被测件的特性，PIM测试方法主要有5种:直通测量法、反射测量法、辐射测量法、再辐射式测量法和整星级测量法[8]。目前根据测试件有无辐射，可将PIM测试系统分为两大类：非辐射测量系统和辐射测量系统。非辐射式PIM测试系统适用于非辐射型单端口、双端口和多端口射频部件，如大功率负载、滤波器、双工器和多工器等；辐射式PIM测试系统适用于测试辐射型射频部件与设备，如天线及馈源等。根据测试件的特点和需求，测试系统结合5种测试方法灵活使用[9]。航天PIM测试条件需要测试温度变化下的PIM性能。对于非辐射的测试件，测试系统和方法不需要额外改进，只需要将测试件置于温箱中，控制和调节环境温度过程中测试PIM性能。对于辐射式的测试件，需要结合测试方法建立新的测试设备，构建新的测试系统。本文针对天线及馈源等辐射类测试件和需要再次被辐射的测试件如天线反射面、反射面测试样品、天线支撑结构、反射面支撑臂、天线热控多层组件(MLI)和整星隔热保护硬件等，建立了两种测试温度交变下PIM性能的测试系统。

2.1 嵌套吸波箱法

目前随着航天的发展，测试温度循环变化下的PIM非常普遍。常见的温度循环范围是±70 ℃，特殊的要求是±150 ℃[10]。PIM热循环吸波箱设计要求有：第一、热循环箱中的温度根据试验条件满足温度循环变化；第二、吸收天线辐射的微波能量；第三、不能产生影响测试件的多余的PIM信号。嵌套式的吸波箱放置在温度循环箱中，依据以上3个要求，选择的外围的框架材料是铝材，内部采用的是耐高低温的低PIM大功率吸波材料。放置在温箱中的结构示意图如图2所示。吸波箱放置在温箱中，形成了一个嵌套的吸波箱，温箱中的环境温度变化调整了吸波箱中的温度变化。这样放置在吸波箱中的天线处于高低温环境变化中。

图2 嵌套式吸波温箱示意图Fig.2 Schematic diagram of nested type absorbing thermal box

如图3所示，两路不同频率的大功率测试信号f1、f2由射频合路器合成，经过低PIM双工器1送至放置在嵌套高低温箱中的PIM吸波箱中的被测试天线，其输出大功率信号被吸波箱中吸波材料吸收。两路不同频率的大功率信号功率值分别在功率计1和功率计2上监测，被测试天线产生的PIM信号可在频谱分析仪1上测得(反射法)[11]。这种嵌套结构可以使用的测试件的大小取决于外层的温箱大小。这种结构的缺点是由于吸波箱嵌套在温箱中，由于吸波材料的耐温和耐功率性能的局限性，可以测试的温度范围一般为±70 ℃，能够满足常用测试天线的温度需求。对于温度范围要求较高的测试天线，需要采用透波箱法。

图3 嵌套式吸波温箱PIM测试系统框图Fig.3 Schematic diagram of nested type absorbing thermal box PIM test system for antenna

2.2 透波暗室法

由于嵌套法的温度范围有限，根据测试天线的要求，可以设计透波温箱法。透波温箱法是将高低温箱的箱体使用透波材料研制，然后将此箱体放置在吸波暗室中，如图4图所示。

图4 透波温箱示意图Fig.4 Schematic diagram of transparent thermal box

这种结构的特点是因透波箱放置在吸波暗室中，克服了吸波材料的耐温和耐功率性能局限性，可以测试的温度范围一般为-70 ℃～150 ℃，能够满足温度高温的考核。设计时要同时考虑采用的材料低PIM性能、耐热、耐压和透波性能。

以上两种方法根据测试产品的特点，设备的大小，可以选用合适的测试方法。

3 测试系统结果验证

两种测试系统设计建成后，需要验证测试系统的PIM性能指标，满足要求后才能投入使用。验证方法如图3、图4 的测试方法，天线选用的是低PIM性能的标准天线。测试系统性能如下：

测试系统：S频段

发射频率范围：2 000～2 300 MHz

接收频率范围：1 000～2 000 MHz

测试功率：50 W*50 W

PIM阶数：13阶

选用的天线性能：增益11 dBi,,天线波束宽度60°

图5，图6是建成后的嵌套式和透波式的PIM测试系统。嵌入式的系统大小受限于温箱箱体内部的大小，透波温箱的大小取决于放置温箱箱体的吸波暗室的大小。根据天线使用的条件和要求，设计最优化的试验设备。测试结果如图7、图8所示。嵌入式测试系统测试的温度范围是-40 ℃～45 ℃，测试的循环数是9次，整个温度循环范围内整体PIM数据处于-150 dBm以下。透波式的测试系统测试温度范围是-20 ℃～90 ℃，测试的循环数是3.5次，除了第一个循环开始有部分数据有跳动外，后面数据整体稳定，PIM数据处于-150 dBm以下。两种测试系统测试的数据和温度要求都满足目前卫星天线PIM测试要求。

图5 嵌套式吸波温箱PIM测试实物图Fig.5 Physical map of nested type thermal absorbing PIM test system

图6 透波式吸波温箱PIM测试实物图Fig.6 Physical map of transparent thermal type PIM test system

图7 嵌套式吸波温箱PIM系统测试结果Fig.7 Test result of nested type thermal absorbing PIM test system

图8 透波式吸波温箱PIM系统测试结果Fig.8 Test result of transparent thermal type PIM test system

嵌套式和透波式的PIM测试系统,PIM测试射频链路是相同的，最重要的区别是测试环境的设计方面不同。嵌套式侧重点是设计放置在高低温环境中的吸波嵌套箱体，对于箱体的结构选材需要低互调的金属支撑结构，一般选择铝材，内部的吸波材料工作在高低温度变化下，需要耐高低温的吸波材料，同时在温变的环境下，吸波性能不能受影响。透波的箱体，侧重点选择透波材料，目前主要有木质和介质材料，同时材料需承压和保温，需要开展相应的局部耐压测试和保温试验选材。