一种星载巴特勒矩阵微放电特性的分析与验证

2022-09-26牛雪杰

空间电子技术 2022年4期

彭健，华岳，陶啸，牛雪杰，崔镇，2

(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；2.西安电子科技大学大学空间科学与技术学院，西安 710126)

0 引言

近年来，随着星载雷达技术的发展，其测量精度和分辨率不断提高。为了满足星载雷达系统越来越高的性能需求，其载荷的功率也随之不断增大，这对雷达系统的射频通道也提出了更高的要求。在大功率应用场景下，星载雷达载荷中微波部件的微放电效应需要在设计过程中进行仔细的分析。微放电效应是一种在真空环境下的大功率射频部件中，在特定条件下材料表面发生二次电子发射并与射频部件内传输的时谐电磁场相位变化同步，在上述情况下引发射频部件内部的电子谐振倍增，乃至雪崩和放电的物理现象[1-6]。微波产品的微放电效应影响系统的功率容量，严重的微放电会导致微波器件烧毁，导致系统故障[7-9]。而作为星载雷达射频通道的重要部件之一的巴特勒矩阵[10-11]，一旦发生微放电故障，将影响星载雷达系统的使用效果。

本文针对一款用于星载雷达的大功率巴特勒矩阵，首先研究了其微放电的产生机制，并给出了微放电阈值的计算模型；为验证该模型的正确性，本文对其微放电阈值和二次电子分布特性进行了仿真分析；最后，利用前后向功率调零测试法，对本文提出的大功率巴特勒矩阵进行了微放电测试。测试结果表明，该巴特勒矩阵的微放电阈值与分析结果一致，能够满足实际工程中不小于3dB功率余量的微放电要求。

1 星载大功率巴特勒矩阵设计方案

基于巴特勒矩阵的功率动态合成网络是集中式星载雷达系统的核心部件之一，用以实现大功率射频信号的动态功率合成。图1给出了本文提出的4×4巴特勒矩阵的原理示意图，该巴特勒矩阵由4个完全相同的3dB定向耦合器，通过射频馈线连接组成，其包含4个输入端口(1、2、3、4号端口)和4个输出端口(5、6、7、8号端口)。当向1～4号中的其中一个端口输入射频信号时，5～8号端口将输出等幅、相位差分的信号。输入端口与输出端口之间的相位差如表1所列，表格中的数值表示各通道的相位滞后值。

图1 巴特勒矩阵原理示意图Fig.1 Principle of Butler matrix

表1 巴特勒矩阵端口相位关系(单位：deg)Tab.1 Phase distribution Butler matrix (deg)

由表1可知，当4个输入口(1～4)的相位按照特定的规律分布时，可实现在4个输出端口(5～8)的功率合成：当1、2、3、4端口按照幅度相等、相位分别为0°、-90°、-90°、-180°输入信号时(符号表示相位超前)，在端口5会输出4个输入信号的合成信号，其功率为4个输入信号的功率之和，而6、7、8号输出端口为隔离端口，没有功率输出。同理，当4个输入的相位分别为-90°、-180°、0°、-90°时，会在6号端口输出合成信号；当4个输入的相位分别为-90°、0°、-180°、-90°时，会在7号端口输出合成信号；当4个输入的相位分别为-180°、-90°、-90°、0°时，会在8号端口输出合成信号。

在上述合成工况下，4个输入端口的功率，在同一个输出端口合成输出，如图2所示。本文提出的巴特勒矩阵，其4个输入端口的输入功率均为1.75kW，输出端口的合成功率为7kW。此时，输出合成信号的端口将承受最大的功率。为避免巴特勒矩阵发生大功率微放电现象，在其设计阶段应采用如下的思路：端口驻波和插损性能尽可能最优，以保证其内部电磁场的单模高效传输特性；此外，其内腔应尽可能平坦、宽阔，以避免狭缝产生较高的电压，从而激发二次电子效应。本文提出的巴特勒矩阵，内腔的最小间隙尺寸为3mm，没有尖刺等非线性结构。设计结果表明，各端口的电压驻波比均优于1.1，通道插损小于0.2dB。本文提出的巴特勒矩阵采取了以上的设计手段，从而可以有效的避免微放电现象的发生。

图2 大功率巴特勒矩阵功率合成示意图Fig.2 Schematic diagram of power synthesis effect of high-power Butler matrix

微放电现象是指大功率微波器件在真空环境中，其内部的二次发射电子受传输的微波功率影响而倍增谐振，最终引起器件放电的现象。微放电现象通常发生于包含金属表面的腔体式电磁谐振结构中。当自由电子在腔体的两个金属表面之间的渡越时间与腔体内传输时谐电磁波半个周期的奇数倍相当时，发生微放电现象的概率比较大。本文提出的巴特勒矩阵为基模波导式，从图3所示的巴特勒矩阵波导截面内腔结构可见，其传播模式为矩形波导的基模即TE10模。如图3所示，在受波导内传输的大功率射频场电场方向影响，图3(a)中所示的第一个周期内，两波导腔内壁之间的初级电子在射频场上半周期加速度方向为从下方指向上方的波导内壁，并在半个周期内击中上方的波导内壁。由于波导腔为纯金属结构，且金属原子外层电子的能级具有不确定性，初级电子与金属原子会进行能量交换，使得部分金属原子的外层电子脱离其原本的原子核的束缚，从金属表面发射出来，形成如图3(b)所示的二次电子。在波导内传输电磁场的下半周期，在上半周期中被激发出来的二次电子受电场的作用力向下加速运动，并撞击下方的波导内壁，使得更多的二次电子被激发出来。如此循环，如图3(c)和图3(d)所示，每次撞击波导内壁时都会释放出比原来更多的二次电子，二次电子积累到一定程度会产生雪崩效应。

图3 巴特勒矩阵内腔微放电效应产生过程Fig.3 The generation process of multipaction effect in the inner cavity of Butler matrix

此外，对于本文提出的巴特勒矩阵，其功率合成端口的电场要强于输入端口的功率；在巴特勒矩阵结构布局中，波导内腔的狭窄部分的电场强于宽阔尺寸部分。根据前面的论述，巴特勒矩阵腔体内传输的射频场为二次电子提供了加速度，且二次电子获得的加速度与腔体内传输的射频场的场强成正比关系。因此，巴特勒矩阵微放电发射概率较大的部位主要集中在功率合成端口附近的波导狭窄处。

如图3所示，假设巴特勒矩阵内腔的某导体壁上有一自由电子，初始速度v0，在射频场VRFsin(ωt)作用下加速运动，最终到达其对侧导体壁上时，其速度为

(1)

其中，ω表示巴特勒矩阵内射频场的周期，t表示时间，VRF表示射巴特勒矩阵内射频场的场强，e表示电子电荷值，me表示电子质量，α表示巴特勒矩阵内射频场的初始相位值，d1表示巴特勒矩阵内两个导体壁之间的距离。此外，巴特勒矩阵内传输的射频场的场强与其功率有关，引起微放电的射频场功率P(dBW)可表示为

P=6.55+20lg(fd1)

(2)

其中，f表示射频场的电磁波频率，单位为GHz。

由式(2)可知，巴特勒矩阵内腔越狭窄的部分，其导体壁间距越小，相应触发微放电的功率就越小，发生微放电现象的概率就会增加。

此外，除了前文中所述的设计手段外，在巴特勒矩阵的工程实现中，还应加强对产品的生产过程控制，以减小微放电的发生。这是因为二次发射电子对巴特勒矩阵内腔的材料一致性很敏感，不光滑的金属内腔会形成接触非线性效应，在其表面形成大量的自由电子；此外，金属内腔中若存在污染物，会形成材料非线性效应。上述的接触非线性效应和材料非线性效应都会降低微放电的阈值。因此在进行巴特勒矩阵结构设计时，应当选择合适的材料；在巴特勒矩阵加工、测试和装配过程中，应做好波导端口的封闭工作，要避免多余物的出现。

2 星载大功率巴特勒矩阵微放电特性仿真分析

实际工程中，由于各部件间微放电特性独立，因此系统的微放电指标不需要分解，其性能主要取决于波导中电场强度最强的区域，也称微放电敏感区。由式(2)可知，引起微放电的载波功率P与射频信号的频率f成正比，因此，对于本文中的巴特勒矩阵，只需要针对最低工作频率的微放电进行分析即可。

图4给出了巴特勒矩阵微放电阈值的仿真曲线图，图中横坐标表示时间，纵坐标表示巴特勒矩阵内腔中的自由电子数目。图中的每一条曲线表示在某设定的射频输入功率情况下，自由电子数目随时间的变化值。当自由电子的数目随时间不断增加时，即发生了微放电现象，而引起微放电现象的最低功率即为微放电阈值。可以看出，功率达到30kW以上时，巴特勒矩阵发生了微放电现象。因此，本文提出的巴特勒矩阵微放电的阈值为30kW。考虑到在长寿命工作情况下，大功率器件受到无法预见的氧化、腐蚀、驻波比恶化、污染(包括污染迁移)等因素的影响，微放电阈值会降低。因此，一般要求大功率微波部件的微放电设计阈值高于额定功率6dB、试验达到3dB余量。对于本文提出的巴特勒矩阵，其额定工作功率为7kW，经仿真分析其微放电阈值为30kW，二者相除后取dB值，可得其微放电设计余量为6.3dB，该阈值满足设计环节微放电余量大于6dB的要求。因此，该巴特勒矩阵能满足额定功率为7kW的微放电设计。图5表示巴特勒矩阵内腔中的电子分布情况，图中蓝色的点表示自由电子，可以看出自由电子集中在其功率合成端内腔最狭窄处。

图4 巴特勒矩阵粒子数随时间变化曲线Fig.4 Particle number of Butler matrix variation with time

图5 发生微放电时巴特勒矩阵中自由电子空间分布Fig.5 Spatial distribution of particles in Butler matrix when multipaction occurs

3 星载大功率巴特勒矩阵微放电特性的试验验证

3.1 试验原理与试验平台搭建

为了检验本文提出的巴特勒矩阵，在真空条件下承受二次倍增的能力，对其开展了真空微放电测试，以检测其在大功率条件下是否发生微放电现象，并验证前文中对其进行微放电特性分析的正确性。该测试采用前后向功率调零检测法，该方法的原理是利用双定向耦合器，将系统输入巴特勒矩阵的信号、巴特勒矩阵的反射信号分别进行采样后，两路采样信号在调零单元内部分别调幅、调相后达到等幅反相状态。之后，两路等幅反相信号在调零单元内部合成后输出到频谱分析仪，从而实现电平调零，调零信号通过频谱分析仪进行实时监测。在试验过程中，若发生微放电现象，反射采样信号的幅度和相位会发生改变，从而导致调零信号的变化，并被频谱分析仪监测到。前后向功率调零检测法是目前灵敏度最高的微放电测试方法[12-13]，并且可以工作在脉冲模式下，适合于雷达器件的工作模式。

由于巴特勒矩阵为微波无源互易网络，可在巴特勒矩阵的功率合成端口注入与合成功率相同的射频信号，这样可以在保证测试有效性的前提下，简化测试系统。图6是采用前后向功率调零法进行巴特勒矩阵微放电试验的测试系统的原理框图。图中所示系统的信号源由电源、信号发生器、脉冲形成器组成，其生成的脉冲信号经微波功率放大器形成大功率脉冲信号，产生的大功率脉冲信号经过双定向耦合器传输至巴特勒矩阵的功率合成端口。大功率信号通过双定向耦合器的正向耦合端口产生的耦合信号，与巴特勒矩阵合成端口的反射信号经过双定向耦合器的反向耦合端口一同进入调零单元后合成。通过调零单元内置的移相器调整两路信号的幅相权值，使得2路信号等幅反相后合成1路调零信号，调零单元出口与频谱分析仪连接。在测试过程中，如果被测的巴特勒矩阵中没有发生微放电现象，则频谱分析仪上监测的调零信号将呈现稳定的状态；而测试过程中，一旦被测的巴特勒矩阵发生微放电现象，频谱分析仪监测的调零信号电平值与前述的稳定状态相比，将会出现剧烈变化。该变化与2路信号的幅度、相位的变化相关，信号幅相的微小变化即可引起调零信号强度的大幅度提高，从而实现对被测巴特勒矩阵微放电现象的高灵敏度检测。

图6 巴特勒矩阵微放电测试试验框图Fig.6 Block diagram of Butler matrix multipactor test

此外，采用钨丝冷发射设备加高压产生自由电子去激活表面二次电子，来进行微放电性能测试。在一个微波脉冲峰值持续时间内，被测巴特勒矩阵内至少应注入1×102个自由电子。

3.2 试验步骤

测试前将巴特勒矩阵置于图6所示的罐体内，罐体合盖密封后先抽真空再调整罐内温度，待罐体内真空状态和温度达到试验要求后开始测试。测试过程中，真空试验罐的气压应低于6.65×10-3Pa，由于巴特勒矩阵为纯金属式腔体结构，其二次电子的活性与产品温度成正比关系，因此微放电试验在115℃高温工况下开展。测试步骤为：

(1) 试验开始前，先进行巴特勒矩阵各端口的驻波测试，保证其射频性能正常；

(2) 打开信号源，向测试系统中输入射频信号。测试过程中，须逐步增加射频功率，直至所要求的试验功率；

(3) 调节调零单元中衰减值和相位值，使得调零单元的输出信号电平最小，该电平值一般应小于-60dBm；

(4) 试验过程中，实时记录被测巴特勒矩阵的温度，频谱分析仪显示的调零电平值，以及频谱分析仪监测的波形是否有跳变。监测过程中若频谱分析仪的监测信号发生跳变，应降低信号源输出功率，重新核对巴特勒矩阵的微放电阈值，30min后试验结束；

(5) 微放电试验结束后，关闭信号源的射频输出及自由电子产生设备。再次测试并记录巴特勒矩阵端口驻波，证明微放电试验前后，巴特勒矩阵的射频性能保持一致。

3.3 试验结果

该巴特勒矩阵的微放电试验在115℃高温工况下开展，在输入占空比为10%条件下对本文提出的大功率巴特勒矩阵开展了14kW峰值功率测试。测试结果表明，测试前后巴特勒矩阵端口驻波性能一致性好，测试过程频谱分析仪监测到的调零信号电平稳定、无跳变现象。测试结束后，从真空罐内取出巴特勒矩阵进行表面状态试验后确认，未发现被测巴特勒矩阵内腔及连接面有烧焦发黄、发黑、击穿的痕迹。由此，可以判定巴特勒矩阵在大功率微放电测试过程没有微放电现象发生，巴特勒矩阵顺利通过试验功率14kW(功率余量3dB)的大功率微放电试验。