用于熱真空環(huán)境下整星微波無線測試的低PIM吸波熱沉研制

杜春林，秦家勇，尹曉芳，王晶,2，孫嘉明，許忠旭，陶濤,2，顧磊

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用于熱真空環(huán)境下整星微波無線測試的低PIM吸波熱沉研制

杜春林1，秦家勇1，尹曉芳1，王晶1,2，孫嘉明1，許忠旭1，陶濤1,2，顧磊1

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室：北京 100094）

隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，收發(fā)共用已成為通信衛(wèi)星有效載荷常用的設(shè)計方法，在這種情況下，無源互調(diào)（passive intermodulation, PIM）問題就顯得尤為突出。為了完成整星及轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)在熱真空環(huán)境下的PIM指標測試，利用碳化硅吸波材料研制了一種低PIM吸波熱沉，并利用該吸波熱沉建立了指標小于150dBm的低PIM測試環(huán)境，同時兼具熱流模擬功能和微波功率耐受能力。在熱真空環(huán)境下圓滿完成了國內(nèi)首次有整星參與的微波載荷無線PIM測試試驗。

熱真空；無源互調(diào)；吸波熱沉；熱流模擬；碳化硅

0 引言

無源互調(diào)（passive intermodulation, PIM）是一種非線性干擾現(xiàn)象，是采用收發(fā)共用通道技術(shù)的大功率微波無源產(chǎn)品存在的共性問題。隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，收發(fā)共用已成為通信衛(wèi)星有效載荷常用的設(shè)計方法，在這種情況下，無源互調(diào)問題就顯得尤為突出，而所有的無源器件包括電纜、連接器、雙工器、濾波器、定向耦合器、衰減器、功率分割器、合路器等無一例外都會產(chǎn)生互調(diào)失真。對于衛(wèi)星的發(fā)射機，無源互調(diào)產(chǎn)生的干擾信號幅度遠低于發(fā)射信號幅度，因而不會影響發(fā)射信號的質(zhì)量；但這些微弱的干擾信號如果進入高靈敏度的接收機，則極可能超過接收機的熱噪聲底帶，影響衛(wèi)星正常工作，嚴重時可使衛(wèi)星處于癱瘓狀態(tài)[1]。因此，解決衛(wèi)星無源互調(diào)問題需要從整星角度來考慮，而不是僅僅關(guān)注載荷單機，這是關(guān)系衛(wèi)星成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。

溫度變化是影響PIM指標的重要因素，為了在熱真空環(huán)境下完成有整星參與的無線PIM試驗，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所開展了基于低PIM指標的大型吸波熱沉拼接工藝和吸波環(huán)境建立技術(shù)的研究，成功研制出一套適用于S頻段的具有一定功率耐受能力的低PIM吸波熱沉；并在熱真空環(huán)境模擬器內(nèi)開展了整星及微波載荷的無線PIM測試。

1 技術(shù)難點分析及解決方案

PIM的產(chǎn)生機理極其復(fù)雜，通常表現(xiàn)出一定程度的隨機特性。因此，在理論模型不夠成熟的條件下，為了解決工程實際中的PIM問題，最直接也最有效的方法就是對PIM進行實際測量，以此來評價微波器件或系統(tǒng)的PIM性能是否滿足要求[2]。

在熱真空環(huán)境下進行整星及微波載荷的無線PIM測試，國際上尚無公開報道。由于空間環(huán)境模擬器（以下簡稱“容器”）的筒體及熱沉全部采用金屬制造，經(jīng)環(huán)境氧化的金屬表面會產(chǎn)生較高電平的互調(diào)產(chǎn)物，這使得容器本身成為一個重要的PIM源。因此，要完成熱真空環(huán)境下的無線PIM測試，必須在容器內(nèi)建立一個低PIM的吸波環(huán)境，如圖1所示。

圖1 空間環(huán)境模擬器內(nèi)低PIM吸波環(huán)境的建立

低PIM吸波環(huán)境建立主要有以下難點：

1）雖然螺旋單元是以傘狀形式向前方發(fā)射功率，但考慮反射和邊緣效應(yīng)的影響，需要將吸波熱沉研制成饋源塔的形式并覆蓋于饋源塔的正面和側(cè)面，以消除正面、側(cè)面的環(huán)境影響。

2）饋源塔背面安裝了紅外加熱籠，沒有吸波熱沉，如果微波經(jīng)多次反射到達紅外籠表面，則紅外籠可能成為PIM源，因此需采用單層鍍鋁膜對吸波熱沉與饋源塔的邊緣進行封堵，以消除饋源塔背面的環(huán)境影響。

3）吸波熱沉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，試驗時溫度變化范圍可達150℃。高低溫交變會導(dǎo)致吸波熱沉結(jié)構(gòu)形變從而帶動吸波模塊移動，嚴重時會使相鄰吸波模塊間產(chǎn)生縫隙；微波透過縫隙到達外部金屬環(huán)境，可以形成PIM源。為了消除這一影響，試驗中吸波熱沉需控制在一個恒定的溫度，該溫度為螺旋單元提供一個穩(wěn)定的背景熱流，確保接插件控溫點可以按溫度循環(huán)及溫變速率要求進行控溫。

2 低PIM吸波熱沉的研制

2.1 研制流程

低PIM吸波熱沉研制與應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 低PIM吸波熱沉研制與應(yīng)用流程

2.2 吸波材料選擇

材料選擇過程中重點對碳化硅、鐵氧體、石墨烯3種吸波材料進行了測試，測試項目包括微波反射率、功率耐受性、熱導(dǎo)率、發(fā)射率、真空質(zhì)損、可凝揮發(fā)物、比熱容、密度等[3-7]，最終確定碳化硅材料作為吸波熱沉的材料。其材料特性見表1。

表1 碳化硅吸波材料特性

2.3 吸波模塊設(shè)計

吸波模塊由一定數(shù)量的碳化硅錐形吸收體（以下簡稱“錐體”）和安裝板組成。

錐體由配置的碳化硅混合粉末通過模具熱壓鑄成型，然后通過1000℃以上的高溫燒結(jié)而成；為了滿足安裝工藝要求，錐體下端采用錯位開槽設(shè)計，以保證連接的可靠性和密閉性。安裝板用鋁合金拉制而成，長度可按需截??；安裝板開槽與錐體相配合，內(nèi)部T型槽與吸波尖錐配合。

利用錐體和安裝板相互匹配的錯位槽形結(jié)構(gòu)進行組裝；組裝過程中使用硅膠進行加固，從而保證了尖錐和固定安裝板間的結(jié)合強度和導(dǎo)熱性能。吸波模塊效果圖如圖3所示。

圖3 吸波模塊效果圖

2.4 低PIM工藝設(shè)計

常規(guī)的錐體拼接工藝無法滿足吸波熱沉的低PIM指標要求。經(jīng)過理論分析和試驗驗證，決定采用多種特殊的結(jié)構(gòu)外形和拼接工藝，具體如下：

1）單個錐體下端在保證強度的前提下采用錯位開槽設(shè)計，錯位安裝后可以遮擋2塊鋁制基板的拼接處縫隙。

2）受錐體加工精度的限制，2個錐體錯位對接處受溫度或結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響存在分開產(chǎn)生縫隙的可能，導(dǎo)致微波可能到達2塊鋁制基板的拼接處，從而形成PIM源。針對此，采用吸波模塊基板側(cè)面聚酰亞胺封堵工藝，確保2塊鋁制基板間不會直接接觸，這樣即使有微波透過尖椎體達到鋁制基板拼接處，也不會產(chǎn)生PIM。

3）大型吸波熱沉連接直角處采用柱狀吸波材料錯位拼接工藝，鈍角處采用條（或板）狀吸波材料階梯拼接工藝，這樣有助于消除PIM源。

4）為了在與產(chǎn)品對接時保證產(chǎn)品安全，大型吸波熱沉特殊位置采用了可移動或翻動的模塊結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有2項功能：一是實現(xiàn)對產(chǎn)品的避讓，避免磕碰；二是保證對接處的金屬遮擋，消除PIM源。

2.5 賦形結(jié)構(gòu)設(shè)計

吸波熱沉需要根據(jù)饋源天線的形狀進行賦形設(shè)計，試驗要求吸波材料與饋源陣面安全距離為250mm。結(jié)構(gòu)框架采用分塊設(shè)計，分為4部分，如圖4所示。吸波模塊與結(jié)構(gòu)框架按照正面、外側(cè)面、外斜面、頂面、內(nèi)側(cè)面（下到上）、下翻板、上翻板、底面的順序進行拼接。

設(shè)計的難點主要體現(xiàn)在2個方面：

1）上下翻板結(jié)構(gòu)均為獨立的移動模塊，質(zhì)量均超過80kg。吸波熱沉與饋源天線對接時，翻板打開，就位后翻板再與主體結(jié)構(gòu)對接。吸波材料的拼接和安裝板的對接動作同步完成，實現(xiàn)錯位拼接，以消除PIM源。吸波材料錯位拼接深度為1.5mm，因此設(shè)計要求拼接方向的尺寸誤差小于0.5mm。

2）吸波熱沉外形尺寸為2725mm×2840mm×1360mm；整體質(zhì)量約2500kg，設(shè)計要求吸波熱沉結(jié)構(gòu)框架各方向在-100～+100℃溫度交變環(huán)境下累積變形小于1mm，確保其在試驗中不會因溫度變化產(chǎn)生PIM源。

圖4 吸波熱沉結(jié)構(gòu)框架

2.6 熱控設(shè)計與測試

2.6.1 熱控設(shè)計

試驗過程中，接插件控溫主要依靠紅外籠完成，吸波熱沉需要提供一定的熱流以保證接插件控溫點的溫度穩(wěn)定。

加熱時吸波熱沉內(nèi)的熱流方向是從紅外籠經(jīng)接插件到吸波熱沉正面。設(shè)計計算中取吸波熱沉正面溫度與接插件溫度相同，使得紅外籠經(jīng)過接插件控溫點到達吸波熱沉的熱流為0，此時吸波熱沉所需的總功率最大。吸波熱沉正面的有效表面積約為9m2，可得出吸波熱沉所需的總功率約為7600W。試驗中吸波熱沉采用安裝板背面粘貼薄膜加熱器的方式進行溫度控制，共有80個加熱回路，每個加熱回路功率可達100W。

2.6.2 溫控測試

試驗過程中首次使用吸波材料替代常規(guī)外熱流模擬加熱器實現(xiàn)微波載荷的外熱流模擬，實際溫度控制過程中需要通過薄膜加熱器控制吸波材料溫度以達到間接控制控溫點溫度的目的，此類大比熱容材料二次反饋溫度控制方式有別于傳統(tǒng)熱試驗外熱流控制方式，控溫難度很大[8]。

使用薄膜加熱器控制吸波材料溫度是基于熱傳導(dǎo)方式。碳化硅材料的熱導(dǎo)率很低，只有5.4W/(m·K)，因此容易在安裝板和錐體間形成溫度梯度。為了摸清吸波模塊的控溫規(guī)律，同時驗證熱設(shè)計的正確性，選用錐體尺寸不同的2種吸波模塊進行了溫控測試。2種吸波模塊均直接放置在容器熱沉上（可視為背景熱流相同），每個吸波模板的安裝板背面均粘貼薄膜加熱器，安裝板背面、錐體內(nèi)部粘貼測溫熱電偶，用于測量相同加熱功率下不同位置的溫度。

針對碳化硅材料的溫度控制特點，研發(fā)了分段式多級PID控制方法，實現(xiàn)了真空低溫環(huán)境下吸波熱沉外熱流模擬的快速、精確控制。控溫效果如圖5所示。

(a) 吸波模塊1

(b) 吸波模塊2

圖5 錐體尺寸不同的2種吸波模塊溫度曲線

Fig. 5 Temperature curve of two kinds of absorbing module with different size of cones

3 摸底試驗

3.1 試驗方法

正式試驗前進行了吸波熱沉性能摸底試驗，主要目的是測試吸波熱沉自身的PIM性能。測試采用傳輸法[1,9]，測試原理如下：上行信號（單載波）通過2根測試電纜分別與真空罐穿墻法蘭上的2個接口連接，當吸波熱沉及環(huán)境產(chǎn)生PIM時，信號會被螺旋單元接收，并通過電纜傳輸至容器外的低噪聲放大器和頻譜儀，由此可測得對應(yīng)的PIM值。

試驗要進行6個循環(huán)的測試，測試前進行高溫烘烤24h和吸波箱升降溫能力測試。

3.2 溫度要求

1）饋源單元與饋電電纜的連接部分：在雙載波狀態(tài)下接插件連接部分的溫度范圍為-57.3～+82℃；

2）衛(wèi)星其余部分的溫度范圍：衛(wèi)星本體，包括雙工器及其連接部分及南北板用燈陣，溫度維持在20℃左右；

3）每個溫度循環(huán)時間維持在1h；

4）饋源塔測點溫度在±100℃以內(nèi)。

3.3 系統(tǒng)配置

吸波熱沉的PIM性能測試試驗見圖6。測試中使用12個螺旋單元備份件、連接12根大功率電纜，通過專用支架安裝到法蘭對應(yīng)位置；饋源塔背面紅外籠、饋源塔正面吸波熱沉及液氮冷板、吸波熱沉與衛(wèi)星間隙封堵均按正式試驗實施。

圖6 吸波熱沉性能試驗系統(tǒng)配置

3.4 試驗結(jié)果

第一個循環(huán)中，利用第1組饋源進行了第1次PIM測試，發(fā)現(xiàn)異常，如圖7所示，PIM值最大達到-130dBm。經(jīng)現(xiàn)場分析，認為是高溫（75℃）導(dǎo)致吸波熱沉結(jié)構(gòu)框架形變帶動吸波模塊移動所致，且此時第1組饋源的頻點很接近，不是實際試驗狀態(tài)，因此進行調(diào)整：一是降低吸波熱沉溫度至50℃，二是將饋源的頻點分開。

圖7 第1組饋源第1次PIM測試頻譜

吸波熱沉降溫至50℃后，具備測試條件，進行了2組饋源頻點分開狀態(tài)下的測試，PIM值均正常。于是利用第2組饋源進行監(jiān)視，接插件控溫點和吸波熱沉同時開始降溫，目標溫度-60℃，降溫過程中冷板恢復(fù)供液（在后續(xù)的循環(huán)中發(fā)現(xiàn)冷板溫度對吸波熱沉升降溫情況基本無影響，因此一直保持供液狀態(tài)使其正常工作）。第2組饋源共完成了3個循環(huán)的升/降溫測試，PIM值均正常。

之后利用第1組饋源進行高低溫循環(huán)測試，仍然是接插件控溫點和吸波熱沉同時升/降溫，冷板始終保持供液狀態(tài)。此過程中共出現(xiàn)了多次PIM值有較大跳動的情況，如圖8所示，且均出現(xiàn)在吸波熱沉升/降溫轉(zhuǎn)換階段，最大值達到了-130dBm左右。

圖8 第1組饋源高低溫循環(huán)測試頻譜

經(jīng)現(xiàn)場分析，為了消除吸波熱沉結(jié)構(gòu)形變的影響，決定在正式試驗中，將吸波熱沉控制在一個相對穩(wěn)定的溫度，接插件控溫點則按照溫度循環(huán)要求控溫。

4 試驗應(yīng)用

正式試驗分兩個階段進行，第一階段為功率分散工況；第二階段為功率集中工況。PIM測試結(jié)果如下：

1）功率分散工況中，常溫環(huán)境下最大值為-142.1dBm，熱真空環(huán)境下最大值為-139.3dBm；互調(diào)產(chǎn)物的頻譜特征未出現(xiàn)整體底噪抬升和多尖現(xiàn)象，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。

2）功率集中工況中，常溫環(huán)境下最大值為-135.22dBm，熱真空環(huán)境下最大值為-129.2dBm；互調(diào)產(chǎn)物的頻譜特征未出現(xiàn)整體底噪抬升和多尖現(xiàn)象，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。

試驗過程中使用紅外籠控制饋源天線的接插件溫度，控溫范圍為-57.3℃（允差為-4～0℃）～+82℃（允差為0～4℃），試驗共進行了7個循環(huán)的PIM測試，每個循環(huán)約30h；饋源單元接插件溫度嚴格控制在試驗要求之內(nèi)，溫變速率小于15℃/h；試驗中TNC接頭溫度如圖9所示。

圖9 接插件接頭溫度曲線

試驗中吸波熱沉溫度控制在-35℃，以尖錐內(nèi)部測點作為接插件控溫點。饋源測試過程中，受到饋源功率的影響，錐體溫度一般溫升在15～20℃左右，安裝板溫度會隨之略有上升。雖然溫度有變化，但并未影響試驗PIM測試結(jié)果。試驗過程中吸波熱沉尖錐內(nèi)部測點溫度曲線如圖10所示。

圖10 吸波熱沉尖錐內(nèi)部測點溫度曲線

5 結(jié)論與展望

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所利用碳化硅吸波材料研制了一種低PIM吸波熱沉，并在熱真空環(huán)境下圓滿完成了整星參與的無線PIM測試試驗。該吸波熱沉達到了以下技術(shù)指標：

1）吸波材料功率耐受能力＞0.1W/cm2；

2）雙載波2×70W條件下，PIM指標＜-150dBm；

3）熱流模擬能力＞900W/m2。

在吸波熱沉的研制和使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)了一些問題，也明確了繼續(xù)進行工藝攻關(guān)的工作方向，具體如下：

1）碳化硅吸波材料作為本次吸波熱沉研制的主要材料，性能穩(wěn)定，通過設(shè)計可以研制成針對不同頻段的吸波熱沉。但碳化硅材料過重，為了保證裝置的力學(xué)穩(wěn)定性，配套的支撐工裝也需要足夠的強度。如本次試驗所用吸波熱沉重達2.5t，運輸、組裝、吊裝、支撐都有極大的難度，同時也增加了操作風險。

2）作為碳化硅吸波材料的替代品，石墨烯蜂窩材料有進一步研究的價值。該材料質(zhì)量輕、易加工、可塑性好，對應(yīng)同一頻段比碳化硅吸波材料尺寸要??；缺點是導(dǎo)熱系數(shù)太低，不利于試驗中的整體溫控，有必要尋找適當?shù)奶娲牧稀?/p>

3）安全防護十分必要。本次研制的吸波熱沉頂部錐體的尖部垂直向下，考慮到錐體有斷裂的風險，吸波熱沉拼裝前對頂部的吸波模塊進行了防護處理，即用聚酰亞胺膜包裹，側(cè)面使用聚酰亞胺膜封邊，以不影響吸波模塊拼接為準。

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（編輯：許京媛）

Development of low-PIM absorbing heat sink in microwave load wireless test for spacecraft in thermal vacuum environment

DU Chunlin1, QIN Jiayong1, YIN Xiaofang1, WANG Jing1,2, SUN Jiaming1, XU Zhongxu1, TAO Tao1,2, GU Lei1

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, 2. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

With the development of the communication satellite technology, the sending and receiving system becomes a common design target for the communication satellite payload, and the passive intermodulation (PIM) becomes particularly prominent. In order to complete the low PIM index test of the satellite transponder system in the thermal vacuum environment, a low PIM heat sink is developed by using the silicon carbide absorbing material. The heat sink not only provides a low-PIM test environment with an indicator of less than 150dBm, but also enjoys the heat flow simulation function and the microwave power tolerance in the vacuum heat test. The first microwave load wireless PIM test in China is successfully completed with the help of the satellite.

thermal vacuum; passive intermodulation; absorbing heat sink; heat flow simulation; silicon carbide

V416.5

A

1673-1379(2017)04-0370-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.005

杜春林（1980—），男，碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事真空技術(shù)、航天器熱試驗技術(shù)研究。E-mail: to_cl2004@126.com。

2017-03-01；

2017-07-10

衛(wèi)星型號項目支持

DU C L, QIN J Y, YIN X F, et al. Development of low-PIM absorbing heat sink in microwave load wireless test for spacecraft in thermal vacuum environment[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(4): 370-375