典型星載螺旋天線的大功率微放電效應(yīng)仿真分析及試驗(yàn)研究

劉 敏，王曉天，魯 帆，趙鴻志，張立功，薛 欣

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部； 2. 北京市電磁兼容與天線測(cè)試工程技術(shù)研究中心；3. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司：北京 100094）

0 引言

隨著大容量廣播通信衛(wèi)星、高功率雷達(dá)偵察衛(wèi)星及遙感衛(wèi)星等的功能需求提升，衛(wèi)星微波系統(tǒng)的工作功率不斷提高，使得微波系統(tǒng)發(fā)生空間微放電的可能性大大增加，微放電效應(yīng)成為影響空間大功率微波部件可靠性的基礎(chǔ)性關(guān)鍵問(wèn)題。天線作為微波器件的關(guān)鍵單機(jī)之一，所要求的耐受功率也不斷增加，而大功率應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星天線的可靠性提出了更高要求。研究表明，大功率天線和微波器件在真空中容易發(fā)生微放電現(xiàn)象，而微放電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致放電表面侵蝕，嚴(yán)重的微放電會(huì)燒毀器件，使天線或微波器件性能變差甚至失效，從而造成衛(wèi)星微波系統(tǒng)性能下降乃至無(wú)法正常工作。

目前大部分的微放電研究分析主要集中于配電器、組件以及饋電網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)于直接暴露在衛(wèi)星表面的微波輻射天線的微放電分析和研究很少見諸報(bào)道。天線作為衛(wèi)星微波系統(tǒng)的重要組成部分，是衛(wèi)星各種數(shù)據(jù)信號(hào)下傳或星間互傳的關(guān)鍵單機(jī)之一，天線在軌一旦發(fā)生微放電故障，將直接影響衛(wèi)星正常工作，因此對(duì)天線進(jìn)行微放電分析以及對(duì)如何提高天線功率耐受能力進(jìn)行研究顯得尤為重要。

本文從典型星載雙繞背射螺旋天線的設(shè)計(jì)出發(fā)，利用HFSS 軟件對(duì)天線進(jìn)行微放電設(shè)計(jì)及仿真分析，以提高天線微放電閾值；采用前后向功率調(diào)零檢測(cè)法對(duì)天線進(jìn)行功率耐受和微放電試驗(yàn)，以驗(yàn)證該天線能否滿足衛(wèi)星微波系統(tǒng)的功率容量要求；最后對(duì)天線進(jìn)行功率加大的拉偏功率耐受試驗(yàn)，對(duì)天線放電現(xiàn)象及其對(duì)天線性能影響進(jìn)行研究分析。

1 微放電機(jī)理分析

微放電效應(yīng)是一種在真空環(huán)境下發(fā)生的諧振放電現(xiàn)象，通常是在2 個(gè)金屬表面間或單個(gè)介質(zhì)表面上，自由電子在外加射頻電場(chǎng)下激發(fā)的二次電子發(fā)射撞擊導(dǎo)致雪崩效應(yīng)。表面二次電子發(fā)射的特性又與部件的材料、表面處理、污染程度、溫度、電子撞擊表面時(shí)的速度以及部件中的縫隙電壓等因素有關(guān)。一般在2 個(gè)電極之間填充介質(zhì)，可以降低電子的自由程度，等效擴(kuò)大間隔尺寸，但大多數(shù)介質(zhì)只需要較低的原電子入射能量就能使其表面的二次電子發(fā)射系數(shù)＞1，從而獲得初始放電電子來(lái)源。

為理解微放電現(xiàn)象，可以將微波部件腔體內(nèi)部的微放電過(guò)程簡(jiǎn)化描述成圖1 所示的雙極板情況。進(jìn)入腔體內(nèi)兩極板之間的初級(jí)電子在射頻電場(chǎng)的作用下，加速撞擊其中一個(gè)壁面并通過(guò)二次電子發(fā)射激發(fā)電子，若電場(chǎng)方向在電子撞擊同時(shí)正好指向該壁面，產(chǎn)生的二次電子就會(huì)迅速離開并加速撞向另一個(gè)壁面，每次撞擊時(shí)電子二次發(fā)射都會(huì)釋放出更多的自由電子，如此持續(xù)，當(dāng)電子數(shù)量積累到一定程度時(shí)，雙極板內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)二次電子的雪崩效應(yīng)，從而引發(fā)微放電現(xiàn)象。

圖1 射頻間隙中雙平面微放電效應(yīng)示意Fig. 1 Schematic diagram of dual-plane micro-discharge effect in RF gap

2 星載天線微放電設(shè)計(jì)及仿真分析

某星載天線采用典型的雙繞背射螺旋天線形式，包括天線支架和天線本體2 部分，天線本體由外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、螺旋線及插座等組成，具體見圖2 所示。

圖2 天線本體組成Fig. 2 Configuration of the antenna

根據(jù)衛(wèi)星主流對(duì)地通信系統(tǒng)的使用需求，雙繞背射螺旋天線的功率容量設(shè)計(jì)值一般為50 W。天線在微放電設(shè)計(jì)方面主要是依據(jù)歐洲空間研究和技術(shù)中心（ESTEC）微波設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和航天器射頻部件與設(shè)備微放電試驗(yàn)方法進(jìn)行，通常采用6 dB測(cè)試容限，電子二次倍增效應(yīng)的設(shè)計(jì)容限和測(cè)試容限均為6 dB，設(shè)計(jì)容限的具體分配參見表1。

表1 微放電設(shè)計(jì)容限分配Table 1 Allocation of designed multipactor tolerance

應(yīng)用HFSS 軟件對(duì)天線進(jìn)行微放電設(shè)計(jì)與分析，天線材料主要為黃銅和鈹青銅，材料表面鍍金處理，二次電子發(fā)射系數(shù)取1.5，仿真分析選擇全輻射邊界。天線內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)越大越集中，越容易發(fā)生微放電效應(yīng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化天線螺旋線與外導(dǎo)體間隙、內(nèi)外導(dǎo)體間隙等最終確認(rèn)設(shè)計(jì)狀態(tài)。仿真分析天線電場(chǎng)分布如圖3 所示：在輸入功率為50 W 時(shí)，天線電場(chǎng)最大值位于外導(dǎo)體開縫外側(cè)，為5.051×10V/m；在輸入功率為200 W 時(shí)，天線電場(chǎng)最大值仍位于外導(dǎo)體開縫外側(cè)，約為5.052×10V/m。

圖3 天線電場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig. 3 Analytical result of electric field distributions on the antenna

在分析過(guò)程中專門針對(duì)天線的不同部位進(jìn)行電壓和電流的抽樣計(jì)算，抽樣部位包括電流、電壓相對(duì)集中的易發(fā)生微放電的部位。對(duì)電壓最大點(diǎn)（外導(dǎo)體開縫外）進(jìn)行分析，得到如圖4 所示的微放電閾值分析曲線，在輸入功率為50 W 時(shí)，該處的微放電設(shè)計(jì)閾值在13.5 dB 以上，可以看出該天線有足夠的微放電設(shè)計(jì)余量；而在輸入功率為200 W時(shí)，該處的微放電設(shè)計(jì)閾值僅有1.2 dB，說(shuō)明此時(shí)天線的微放電設(shè)計(jì)余量較小，發(fā)生放電的可能性較大。

圖4 天線微放電閾值分析曲線Fig. 4 Analytical curve of multipactor threshold of the antenna

3 天線功率耐受和微放電試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)的正確性以及天線實(shí)際的功率耐受能力，需要對(duì)天線進(jìn)行50 W 連續(xù)波的功率耐受和平均功率50 W 加6 dB 脈沖功率（峰值200 W）及電子的微放電試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間均為30 min。

3.1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本次天線試驗(yàn)采用入射/反射功率調(diào)零檢測(cè)法。微波系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)、加工等方面存在的不完善，系統(tǒng)中總是存在一定成分的反射功率。這種系統(tǒng)固有的反射功率與微放電產(chǎn)生的反射功率混合在一起，使常規(guī)入射/反射功率檢測(cè)法的靈敏度較低。入射/反射功率調(diào)零檢測(cè)法是將微波系統(tǒng)原有的入射和反射功率2 路信號(hào)通過(guò)調(diào)零電橋變?yōu)榈确聪嗟牧愎β始拥筋l譜儀上，當(dāng)發(fā)生微放電時(shí)，調(diào)零的狀態(tài)被破壞，頻譜儀上就會(huì)檢測(cè)到失去平衡的電橋的輸出信號(hào)。這種方法可以使檢測(cè)靈敏度提高60 dB，是目前微波系統(tǒng)應(yīng)用中最靈敏的微放電檢測(cè)方法。

試驗(yàn)系統(tǒng)由微波信號(hào)源、微波大功率放大器、大功率雙定向耦合器、頻譜儀、溫度巡檢儀和功率計(jì)等組成，如圖5 所示。信號(hào)源由電源、信號(hào)發(fā)生器、脈沖形成器、T/R 功率放大模塊組成，產(chǎn)生大功率脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)功放和雙定向耦合器傳輸至天線端；雙定向耦合器的入射及反射功率射頻信號(hào)經(jīng)調(diào)零單元，一路送入功率計(jì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中入射及反射功率的變化，另一路送入頻譜儀監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)零值的變化。如果沒(méi)有微放電現(xiàn)象，頻譜儀所觀察到的頻譜信號(hào)穩(wěn)定；一旦發(fā)生微放電現(xiàn)象，頻譜儀上的頻譜信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)連接框圖Fig. 5 Block diagram of the testing system

此外，自由電子的產(chǎn)生通過(guò)鎢絲冷發(fā)射實(shí)現(xiàn)，鎢絲發(fā)射電子的能量為3～8 keV，所發(fā)射自由電子通過(guò)與容器壁及試件碰撞損失能量后成為低能電子參與微放電。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前使用功率計(jì)標(biāo)定信號(hào)源的輸出功率，并測(cè)試天線試前端口駐波；試驗(yàn)中將天線置于真空試驗(yàn)罐內(nèi)，在天線插座位置粘貼測(cè)溫點(diǎn)，試驗(yàn)罐中氣壓低于1.3×10Pa 并保持2 h 后開始試驗(yàn)，按照3 min的時(shí)間間隔記錄溫度、調(diào)零電平、功率計(jì)正/反向功率等數(shù)值。天線的功率耐受和微放電試驗(yàn)流程如圖6 和圖7 所示。

圖6 天線功率耐受試驗(yàn)流程Fig. 6 Flow chart of power endurance test for the antenna

圖7 天線微放電試驗(yàn)流程Fig. 7 Flow chart of multipactor test of the antenna

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

天線的功率耐受和微放電試驗(yàn)過(guò)程中頻譜儀調(diào)零電平波形穩(wěn)定無(wú)跳變，監(jiān)測(cè)溫度無(wú)異常升高，試驗(yàn)過(guò)程記錄見表2 和表3。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)天線進(jìn)行了試后端口駐波測(cè)試，經(jīng)比對(duì)試驗(yàn)前、后天線端口的駐波比一致（均為1.31）且滿足指標(biāo)要求。同時(shí)對(duì)天線外觀及其內(nèi)部進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)發(fā)黃、發(fā)黑或介質(zhì)燒焦擊穿的痕跡，由此可以判定整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程未發(fā)生微放電，天線順利通過(guò)了50 W 連續(xù)波的功率耐受和平均功率50 W 加6 dB 脈沖功率（峰值200 W）及電子的微放電試驗(yàn)，證明天線功率耐受能力滿足50 W 的指標(biāo)要求。

表2 50 W 連續(xù)波的功率耐受試驗(yàn)過(guò)程記錄Table 2 The power endurance test process of 50 W continuous wave

表3 50 W 平均功率加6 dB 脈沖的加電子微放電試驗(yàn)過(guò)程記錄Table 3 The multipactor test process of 50 W average power plus 6 dB pulse and electron

4 天線拉偏試驗(yàn)及放電影響分析

為了分析天線發(fā)生微放電的現(xiàn)象以及微放電對(duì)天線性能的影響，對(duì)天線進(jìn)行加大功率的拉偏功率耐受試驗(yàn)。連續(xù)波輸入功率從60 W 逐漸增大到80、100、120、150、180 W，沿用第3 章的試驗(yàn)方法進(jìn)行功率耐受試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中均未發(fā)生放電現(xiàn)象。當(dāng)輸入功率加大到200 W，調(diào)零電平初始值為-90.65 dBm，試驗(yàn)進(jìn)行到3 min30 s 時(shí)，調(diào)零電平波形突然發(fā)生劇烈抖動(dòng)且不能維持在-60 dBm 以下，試驗(yàn)罐內(nèi)真空度由7.9×10Pa 跳變?yōu)?.7×10Pa，功率計(jì)反向功率由14.97 dBm 增大到22.85 dBm，測(cè)溫點(diǎn)溫度異常上升，由此可以判定天線發(fā)生了微放電。為了觀察放電持續(xù)時(shí)間，繼續(xù)保持200 W 的功率輸入，發(fā)現(xiàn)放電持續(xù)約30 s，試驗(yàn)進(jìn)行到4 min時(shí)，調(diào)零電平值瞬間恢復(fù)到-89.20 dBm 并保持穩(wěn)定，真空度恢復(fù)到7.8×10Pa，功率計(jì)反向功率穩(wěn)定在17.18 dBm 左右，由此可以判定天線恢復(fù)正常工作。后續(xù)26 min 的試驗(yàn)過(guò)程中，未再次發(fā)生微放電，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程記錄見表4。

表4 200 W 連續(xù)波的拉偏功率耐受試驗(yàn)過(guò)程記錄Table 4 200 W continuous wave pull-biased power tolerance test

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)天線進(jìn)行試后端口駐波測(cè)試，天線駐波比由1.31 變化為1.95。天線外觀無(wú)明顯異常，拆開天線發(fā)現(xiàn)其內(nèi)導(dǎo)體鍍金層已局部發(fā)黑，周圍聚四氟乙烯介質(zhì)已局部燒毀，如圖8 所示。由此可見，天線在200 W 連續(xù)波的功率耐受試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了微放電，與第2 章的設(shè)計(jì)仿真結(jié)果（輸入功率為200 W 時(shí)放電閾值僅為1.2 dB）較吻合。

圖8 天線放電后內(nèi)部照片F(xiàn)ig. 8 Inside view of the antenna after multipactor

結(jié)合天線在軌應(yīng)用情況，通常衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)傳輸一圈時(shí)間不超過(guò)20 min，即天線單次連續(xù)工作不超過(guò)20 min，正常情況下系統(tǒng)輸入功率為50 W，不會(huì)發(fā)生放電效應(yīng)；極端情況下，如天線前端發(fā)生故障導(dǎo)致輸入天線的功率高達(dá)200 W，則可能導(dǎo)致天線發(fā)生微放電效應(yīng)。根據(jù)上述試驗(yàn)現(xiàn)象可知，天線放電時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)突然中斷，中斷持續(xù)時(shí)間約30 s，放電后天線駐波會(huì)變化，但是由此造成的天線輻射性能下降不超過(guò)0.3 dB，遠(yuǎn)不足以導(dǎo)致傳輸鏈路失效，因此，衛(wèi)星信號(hào)傳輸在放電結(jié)束后可恢復(fù)正常，整星仍能在軌正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以典型星載天線為例，采用HFSS 軟件對(duì)該天線的微放電閾值進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明天線外導(dǎo)體開縫位置電場(chǎng)最大，最易發(fā)生微放電，但50 W 輸入功率下，該處的微放電設(shè)計(jì)閾值在13.5 dB 以上，說(shuō)明天線有足夠的微放電設(shè)計(jì)余量。采用前后向功率調(diào)零檢測(cè)法對(duì)天線進(jìn)行了功率耐受和微放電試驗(yàn)，試驗(yàn)均為一次通過(guò)，表明該天線滿足衛(wèi)星微波系統(tǒng)的50 W 功率容量要求，也驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)天線進(jìn)行功率加大的拉偏功率耐受試驗(yàn)，結(jié)果在輸入功率加大到200 W 時(shí)，天線發(fā)生微放電效應(yīng)，但不會(huì)對(duì)衛(wèi)星在軌應(yīng)用造成明顯影響。

該研究結(jié)果可為典型星載天線在軌高功率應(yīng)用的可靠性分析提供參考。