一種新型透波低無源互調溫箱箱體的設計

李硯平，柴繼澤，代 峰

（西安空間無線電技術研究所，西安 710100）

0 引言

無源互調（passive intermodulation, PIM）是一種在多個載頻條件下由無源器件自身固有非線性導致的雜散信號，通常發生在同軸線纜、濾波器、電連接器等部件中。

為控制大型可展開天線系統的尺寸和重量，減輕平臺負重，通常需要采用收發共用的工作形式，而收發共用易導致PIM 問題。PIM 產生的機理非常復雜，材料（鐵磁材料是強無源互調源）、加工工藝、過程污染、連接器接頭松動、金屬表面氧化形成的金屬-絕緣體-金屬結（metal-insulator-metal,MIM）乃至溫度等都是其誘發因素。因此，對PIM 電平值的準確理論分析和預測存在困難，而PIM 的影響不容忽視，須在有效載荷研制中將其列為重要指標，建立專門的測試系統進行部件級或整星級的測試評定?？臻g天線工作的空間環境具有嚴酷性、極端性和不確定性，交變溫度嚴重影響PIM電平值的大小和穩定，繼而影響天線的可靠性，因此空間天線要考慮溫度交變下的PIM 效應，通過地面測試驗證其在高低溫環境下的PIM 性能。

國外在高低溫PIM 研究方面起步較早，根據材料透波原理設計和建造了不同的透波高低溫PIM設備，進行天線透波高低溫PIM 測試。國內的相關研究尚處于探索階段，需要自主研發低無源互調透波溫箱。

本文基于對箱體保溫、耐壓和透波性能的綜合要求，優選2 種介質材料設計了一款低無源互調透波溫箱箱體。采用內、外箱體用不同介質材料嵌套的結構方式，兩層箱體采用彈性套連接方法，以克服單一介質材料保溫性能差、抗壓能力弱的缺陷，同時實現箱體本身的低無源互調性能。

1 透波溫箱箱體透波材料選擇

透波溫箱箱體材料選擇需要考慮3 點：1）確保箱體的低PIM 特性，不產生對測試件的干擾；2）確保箱體的透波性能，透波率優于85%；3）高低溫環境適用性，透波低無源互調溫箱的適用溫度范圍-150～150 ℃。

測試系統中產生PIM 一般有材料非線性和接觸非線性2 種。天線PIM 測試中產生的信號是測試系統和天線自身信號的疊加。要確保透波測試系統盡量不產生PIM 干擾，首先要選用不含非線性導電材料的介質材料；同時，為測試天線輻射特性下的PIM 性能，溫箱箱體需最大程度地將天線發射的信號透射出去，減少反射回波，因此溫箱箱體必須采用具有優異介電性能（＜10）的透波材料。具備以上2 種特性的材料包括自然生長的木材和合成復合介質材料；鑒于木材的介電常數隨其含水率和溫度變化而改變，影響測試系統的穩定性，故考慮選用合成復合介質材料。合成復合介質透波材料包括無機和有機兩大類，前者主要指磷酸鹽基復合材料和耐高溫陶瓷材料，后者主要指樹脂材料。樹脂材料良好的黏結性能保證其力學特性，且其無內部極化現象，相比陶瓷材料具有非常低的介電常數與損耗。

無機透波材料一般耐高溫性能較好（在1000 ℃以上），但耐低溫性能較差（在低于-60 ℃的情況下容易開裂損壞），且材料密度較大，不利于輕量化設計。相比而言，有機透波材料的耐高溫性能一般（長期可耐250～300 ℃），但低溫性能好（在-269 ℃的液氦中仍不會脆裂）；同時，有機透波材料密度小且具有良好的機械性能，適于大型試驗設備的安裝。綜上，根據本項目的技術指標，最終在有機透波材料中選定聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）和聚酰亞胺作為溫箱箱體透波材料。其中，PMI 的透波特性見表1，聚酰亞胺的介電常數為3.4，介電損耗角正切值為0.002。

表1 聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）的透波特性[13]Table 1 Wave-transparent characteristics of PMI[13]

2 箱體的結構設計

透波箱體結構設計需要考慮2 點：1）要實現良好的隔熱效果，保證箱內溫度可以在-150～150 ℃范圍內以一定的升降溫速率變化；2）升降溫過程中箱體要能夠承受巨大的壓力，該壓力值須在箱體材料安全范圍內。

試驗箱體設計要求箱內環境能夠滿足要求的升溫與降溫速率，并保證溫度均勻性；箱體內部溫度達到試驗所需值后，需要在使用時間內保持箱體內部穩定的流場與溫度場，即要求試驗箱體必須具有良好的密閉性和保溫性。實驗過程中對產品降溫時，液氮進入透波溫箱內，以1∶696 的比例迅速膨脹為氮氣，而溫箱內壓力會導致箱體的結構形變，但如果箱體采用高強度金屬框架，即使選用的是非鐵磁性的材料，仍會導致箱體的PIM 性能和透波性能下降，因此，采用完全的介質材料是確保溫度、PIM性能和透波性能同時滿足要求的最佳選擇。針對箱體耐壓、耐熱疲勞的要求，本文采用了內、外箱體PMI 和聚酰亞胺材料彈性嵌套的結構方式，兼取聚酰亞胺材料保溫性能優良和PMI 材料強度高的特點，以克服單一介質材料保溫性能差、抗壓能力弱的缺陷。通過對材料不同厚度下的力學特性分析，最終確定箱體材料規格為85 mm 厚的PMI 及50 mm厚的聚酰亞胺，以確保無源互調溫箱箱體結構合理、滿足力學安全裕度要求。

根據PMI 和聚酰亞胺的力學特性，將PMI 選作透波溫箱的外部框架，以保證溫箱箱體的結構強度和隔熱性能，將聚酰亞胺敷在箱體內側用于保溫。對這2 種材料組合后的透波性能在典型頻點下進行測試，得到如表2 所示的實測數值。

表2 材料組合后的透波性能實測數值Table 2 Test result of wave-transparent characteristics of assembly material

從表2 可以看出，PMI 板和聚酰亞胺都具有良好的透波性能，聚酰亞胺的透波性能更優，2 種材料組合后的總插損＜1 dB，完全滿足高低溫試驗系統對溫箱箱體材料透波性能的要求。

3 箱體的力學特性分析

采用有限元結構分析軟件對箱體力學特性進行分析，PMI 材料采用梁單元、聚酰亞胺材料采用殼單元模擬，螺釘連接及2 種材料的接觸在骨架的十字交叉點用多點約束方程及MPC（multipoint constraint）模擬，箱體內部壓力取0.002 MPa。溫箱箱體的有限元結構模型如圖1 所示。

圖1 溫箱箱體有限元結構模型Fig. 1 Finite element structural model of the temperature test box

力學特性分析計算中的參數取值如下：PMI 泡沫板材料厚度85 mm，彈性模量70 MPa，剪切模量19 MPa，泊松比0.37，拉伸強度1.9 MPa，壓縮強度0.9 MPa，密度52 kg/m；聚酰亞胺材料厚度50 mm，彈性模量2 MPa，泊松比0.3（彈性模量和泊松比為假設值，因為該材料很軟，對計算結果基本無影響）。實際高低溫無源互調試驗開展過程中，溫箱箱體除了滿足溫度和低互調要求，還要保證試驗過程的安全可靠，故依次對所設計箱體結構的PMI 框架、聚酰亞胺材料和組合箱體開展應力分析，計算結構的安全裕度，結果如圖2～圖4 所示?？梢钥吹剑篜MI 框架承受的壓力（4.49 MPa）遠遠大于聚酰亞胺材料承受的壓力（0.506 MPa），因此只需要重點考慮PMI 框架的受力；組合后的箱體實際承受的應力最大為18.2 MPa，此時箱體的形變為7.67 mm。該形變量滿足材料安全使用要求，不影響箱體使用中的測試結果。

圖2 PMI 框架應力云圖Fig. 2 Stress nephogram of the PMI frame

圖3 聚酰亞胺材料應力云圖Fig. 3 Stress nephogram of the polyimide

圖4 組合箱體形變云圖Fig. 4 Deformation nephogram of the assembly box

如前所述，箱體的結構強度分析主要針對PMI板承受的壓力。液氮進入溫箱膨脹后的箱內壓力最大為0.002 MPa，測試得到最大箱內壓力下箱體實際承受的最大應力為18.2 MPa。則箱體的安全裕度為

式中：為許用應力；為實際應力；為安全系數，=/，為極限應力。PMI 板的彎曲強度為45 MPa，安全系數取為1.5，則可計算得到箱體結構PMI 板的安全裕度為0.648，說明本文的箱體結構設計滿足力學抗壓要求。

4 箱體熱應力分析

星載天線在軌工作時，電磁場和熱場之間存在耦合作用，由于電磁損耗，天線中大功率微波的傳輸會在微波部件內部產生熱效應，包括電阻性損耗和磁性損耗，

其中：為電流密度；為電場能量；為磁通量密度；為磁場能量。

此外，在飛行過程中，天線受到自身結構遮擋以及外界熱流變化等因素的影響，導致結構溫度變化頻繁且變化幅度較大，因此天線結構極易出現熱應力和熱膨脹現象，進而發生變形，這種形變會導致金屬接觸發生變化，進而產生接觸非線性導致的PIM。結構由于溫度變化產生的應變量為

式中：為結構材料熱膨脹系數；為部件溫度；為應變參考溫度。

熱應力的產生與溫度變化和約束有關，結構由于溫度變化而發生自由變形時，并不會產生熱應力；當自由形變受到約束，溫度不同的相鄰部位在約束下不能自由伸縮時，就會產生熱應力。本文所設計的新型透波溫箱的主要功能是在高低溫環境開展天線的低互調測試，天線安裝在透波高低溫箱體中測試，如果箱體的形變量大，會影響到箱體的結構安全，同時導致天線的安裝位移，影響測試結果。因此，由介質材料構成的箱體需要保證熱應力和保溫性能同時滿足要求。

溫箱采用的新型透波材料在降溫的過程中受到-196 ℃液氮的溫度沖擊，故須對2 種箱體材料的耐溫能力和熱膨脹系數是否匹配進行熱應力分析。根據試驗要求，透波溫箱的溫度控制范圍是-150～150 ℃，實際工作環境溫度達到-180～180 ℃，并且在高低溫下保溫時長需≥1 h。PMI 板的耐溫范圍是-160～180 ℃，聚酰亞胺的耐溫范圍是-269～250 ℃，故可通過雙層保溫設計，主要由內層聚酰亞胺材料保證箱體的耐溫和保溫性能。

聚酰亞胺內壁溫度為-150 ℃時，經過聚酰亞胺隔溫其外壁溫度升高到-113 ℃，再經過PMI 板的隔溫，箱體外壁溫度接近室溫。仿真得到低溫下的溫箱箱體形變云圖（圖5），可以看到最大形變為20.22 mm。

圖5 低溫下的溫箱箱體形變云圖Fig. 5 Deformation nephogram of the box at low temperature

聚酰亞胺內壁溫度為150 ℃時，經聚酰亞胺隔溫，其外壁溫度降至112 ℃左右，再經過PMI 板的隔溫，箱體外壁溫度接近室溫。仿真得到高溫下的溫箱箱體形變云圖（圖6），可以看到最大形變為17.85 mm。

圖6 高溫下的箱體形變云圖Fig. 6 Deformation nephogram of the box at high temperature

由圖5 和圖6 可以看到，高、低溫下的最大應力形變發生處即箱體的受力薄弱環節是通道接口和箱門處，分析可得這2 處的受力分別為0.407 MPa和0.372 MPa，繼而可由式(1)計算得到箱體的安全裕度為0.106，雖滿足使用要求，但安全裕度較小，在實際施工時須針對管道進行特殊加固。

5 無源互調溫箱箱體測試與驗證

無源互調透波溫箱箱體研制完成后，對其進行溫度和無源互調性能測試。實測顯示，箱內溫度最高達到150.2 ℃，最低達到-149.8 ℃，滿足技術指標要求的溫度范圍（-150～150 ℃）；經歷4 次高低溫循環（-20～90 ℃）測試，溫箱箱體的PIM 性能基本穩定優于-150 dBm（雙波25 W×2，7 階），如圖7 所示，滿足設計指標要求。

圖7 箱體PIM 性能測試曲線Fig. 7 The tested PIM characteristic curve of the box

6 結束語

為設計一款可以用于高低溫無源互調測試的溫箱箱體，本文從抗壓、耐溫和透波性能三方面考慮，選用2 種介質材料——聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）和聚酰亞胺作為透波材料，設計嵌套結構箱體，并針對關鍵的力學承壓進行分析計算，在箱體制作完成后對其保溫性能開展測試驗證，結果滿足設計指標要求。

設計研制過程中存在后續需要注意和解決的問題有：

1）箱體PMI 材料在高、低溫下的最大應力分別為0.407 MPa 和0.372 MPa，對應的薄弱環節均位于通道開孔處，且經過計算安全裕度較小，已接近于0，實際工程中需要采取必要的加固工藝措施，降低結構損傷風險。

2）透波箱體采用雙層保溫設計，內層聚酰亞胺可保證透波材料的溫度耐受范圍和保溫性能，外層PMI 板可保證箱體結構強度和透波性能。但需要注意，內層聚酰亞胺在長期使用中存在微小泡沫顆粒污染產品的風險，需要進行潔凈度處理和設計，以滿足航天產品對潔凈度的要求。

本文設計的透波溫箱已在星載天線饋源、金屬網反射面等輻射類高低溫無源互調試驗中得到應用，隨著工程應用的要求發展，未來對透波溫箱箱體有大尺寸需求時，還需探索新材料和新工藝設計。