數(shù)傳發(fā)射機中腔體濾波器的微放電設(shè)計研究

申勝起，張 強

（中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051）

0 引 言

數(shù)傳發(fā)射機承擔(dān)著將衛(wèi)星有效載荷及衛(wèi)星平臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼邮照镜闹匾饔谩ｋS著通信設(shè)備輸出功率的加大，數(shù)傳發(fā)射機（如數(shù)傳發(fā)射機末端腔體濾波器）的微放電現(xiàn)象越來越被人重視。在射頻電路的工作模式中，腔體和微帶有著不同的工作方式。腔體采用諧振腔結(jié)構(gòu)，具有高的Q值，傳輸信號處于諧振狀態(tài)，而微帶均工作在“行波”狀態(tài)，因此在相同的功率電平下，諧振腔內(nèi)部射頻電壓比傳輸線中高出數(shù)倍，腔體與微帶線相比更容易放電。

本文結(jié)合數(shù)傳發(fā)射機的實際工作需要，對末端腔體濾波器的微放電現(xiàn)象進行設(shè)計和分析。

1 腔體濾波器的設(shè)計

1.1 設(shè)計指標(biāo)

數(shù)傳發(fā)射機采用數(shù)字調(diào)相正交相移鍵控（QPSK）模式，碼速率為10.2 Mbps，輸出功率指標(biāo)為20 W。為防止對鄰近頻段的接收機造成干擾，需在發(fā)射機末端增加濾波器，濾除帶外雜散信號及噪聲能量。

由于腔體濾波器的微放電閾值與帶寬成正比，當(dāng)濾波器的帶寬擴大1倍時，微放電閥值就增加3 d B余量。結(jié)合濾波器的通帶帶寬、插入損耗、功率等技術(shù)指標(biāo)之間的聯(lián)系，提出了腔體濾波器的研制指標(biāo)：中心頻率f0為2 280 MHz，插入損耗≤0.7 dB，通帶3 dB，帶寬40 MHz，帶外抑制≥50 dB（f0±100 MHz）。由于發(fā)射機實際輸出功率為20 W，考慮濾波器插損以及6 dB余量，因此該腔體濾波器抗微放電能力按照100 W設(shè)計。

1.2 仿真計算

濾波器采用同軸腔形式，由諧振桿、腔體、緊固件以及調(diào)諧螺釘組成。根據(jù)指標(biāo)要求，濾波器采用三階標(biāo)準(zhǔn)切比雪夫函數(shù)，使用高頻結(jié)構(gòu)仿真（HFSS）進行仿真計算，仿真結(jié)果滿足指標(biāo)要求，電路仿真模型及曲線分別如圖1、圖2所示。濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 濾波器仿真模型

根據(jù)電路仿真結(jié)果，濾波器采用梳線形式，腔體中3個金屬桿為濾波器的3個諧振桿，通過改變調(diào)諧螺釘與諧振桿之間的距離來改變磁場的耦合強度。通過對金屬桿諧振頻率和金屬桿之間耦合量的優(yōu)化計算，實現(xiàn)產(chǎn)品的電指標(biāo)特性。

圖2 濾波器仿真曲線

圖3 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

2 濾波器的抗微放電設(shè)計

微放電現(xiàn)象是由于射頻場所產(chǎn)生的一種真空電子諧振現(xiàn)象。在真空環(huán)境下，大功率微波信號通過傳輸線（其功率、頻率和傳輸線的結(jié)構(gòu)間隙尺寸滿足一定關(guān)系）時，傳輸線表面的電子被激活，表現(xiàn)為游離狀態(tài)。功率增大時，游離的電子在電磁場作用下能量也在增大，一旦游離的電子擊中附近腔體板便產(chǎn)生二次電子，在這種連續(xù)不斷的轟擊過程中，由電子轟擊出大量的新電子不斷累積，便產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，直到出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)為止。而且，此時產(chǎn)生電子的速率與損耗微放電的速率相同，因此微放電是諧振性的［1］。

另外，組件在低頻段更易產(chǎn)生微放電，并且組件選用的材料、工藝和污染等條件又決定了其放電的強烈程度。影響微放電閾值的一個重要因素是所使用的表面材料，不同材料的二次電子發(fā)射系數(shù)不同，二次電子發(fā)射系數(shù)比較小的材料微放電效應(yīng)閾值相對就高一些［2］；另一個關(guān)鍵性因素是內(nèi)外導(dǎo)體的間隙。提高內(nèi)外導(dǎo)體的間隙，使得內(nèi)外導(dǎo)體間電子的渡越時間大于射頻電壓的半周期，可提高微放電的閾值。該腔體濾波器設(shè)計的內(nèi)外導(dǎo)體最小間距為5 mm。

下面通過二次電子諧振估算能得到引起微放電的載波功率值的上限功率Ph和下限功率Pl分別為（單位為d BW）：

式中：f為射頻信號頻率，單位為GHz；Z為系統(tǒng)阻抗，單位為 Ω；d為金屬表面之間的距離，單位為mm。

設(shè)備的微放電性能用間隙峰值電壓V來表示［3］。

圖4給出了不同材料的微放電間隙電壓峰值曲線，為了提高腔體濾波器的抗微放電能力，可以對腔體濾波器表面進行鍍銀處理。腔體濾波器設(shè)計的內(nèi)外導(dǎo)體最小間距為5 mm，可計算出理論的抗微放電的下限功率為27.6 dBW，折合約為586 W，遠遠高于100 W的要求。

圖4 微放電間隙電壓峰值曲線

基于理論計算的結(jié)果，在腔體濾波器的設(shè)計中還考慮了以下幾個因素：

（1）腔體濾波器所使用的材料。由于腔體濾波器內(nèi)導(dǎo)體溫度熱脹冷縮變化對濾波器的指標(biāo)非常敏感，而殷鋼材料具有良好的溫度特性，因此內(nèi)導(dǎo)體選用殷鋼材料，表面鍍銀。同時對鍍銀表面光滑度及鍍層的附著力也提出嚴格要求，以免腔體濾波器在制造過程中進行清洗時鍍層松動、起泡和脫落，影響腔體濾波器的微放電閥值。

（2）放氣孔的設(shè)計。在高真空狀態(tài)時，微放電的擊穿電壓與絕對壓力是成正比的。因此在滿足電磁兼容性要求的前提下，通氣孔的個數(shù)、位置和大小要合理設(shè)計，使濾波器內(nèi)部真空度很快達到自由太空的狀態(tài)。航天設(shè)備放氣孔的設(shè)計準(zhǔn)則為：A／B＞17×10－6cm－1，其中A為排氣孔的總面積，單位為cm2；B為設(shè)備的容積，單位為cm3。

腔體濾波器的通氣孔設(shè)計在腔體頂壁上，通氣孔直徑0.8 mm，數(shù)量4個。經(jīng)復(fù)算，放氣孔大小符合設(shè)計要求。將調(diào)諧螺釘視為圓波導(dǎo)，電磁泄漏數(shù)值計算結(jié)果為－102 d B，滿足電磁兼容性要求。

（3）環(huán)境適應(yīng)性。腔體濾波器的溫度與微放電擊穿電壓成反比，表面溫度增高時，微放電閥值必然會降低。所以，數(shù)傳發(fā)射機在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，腔體濾波器必須考慮安裝方式，以便降低腔體濾波器的溫升。按照腔體濾波器通過的信號功率100 W、損耗0.7 dB計算，熱耗約15 W。因此在設(shè)計時將腔體濾波器與數(shù)傳發(fā)射機盒體加工在一起，使散熱底面最大限度地緊密接觸，通過腔體底部的熱傳導(dǎo)耗散掉所產(chǎn)生的熱量。

（4）機械加工。需要嚴格控制腔體濾波器的加工精度，避免腔體出現(xiàn)毛刺或尖角；同時諧振桿和調(diào)諧螺釘?shù)捻敹俗鞴饣幚?，提高微放電的閾值?/p>

3 濾波器研制結(jié)果

腔體濾波器加工調(diào)試完成后，對指標(biāo)進行了測試，實際測試結(jié)果與仿真曲線一致，濾波器在－25℃～＋65℃范圍內(nèi)滿足整機使用要求；對腔體濾波器單獨進行微放電試驗驗證，試驗條件為：壓力值≤6.5×10－3Pa，環(huán)境溫度－25℃～＋65℃，保持時間6 h，循環(huán)次數(shù)3.5次，輸入功率100 W，未發(fā)生微放電現(xiàn)象。測試結(jié)果及實物照片分別見圖5、圖6。

圖5 測試曲線

圖6 濾波器實物照片

4 結(jié)束語

本文結(jié)合數(shù)傳發(fā)射機的實際工作狀態(tài)，成功研制了一種滿足指標(biāo)要求的高功率同軸腔體濾波器，滿足了工程使用要求；并對腔體濾波器的設(shè)計過程和影響微放電的幾個主要因素進行了分析，這對于其他類型大功率腔體濾波器的研制也具有一定的參考意義。

［1］田波，鐘劍鋒.星載功率組件微放電技術(shù)研究［J］.電子工程師，2004，30（4）：12－14.

［2］吳須大，周穎.同軸腔濾波器與微放電［J］.空間電子技術(shù)，2000（4）：6－9.

［3］曹桂明，聶瑩，王積勤.微波部件微放電效應(yīng)綜述［J］.宇航計測技術(shù)，2005，25（4）：36－40.