星載大功率固放局部低氣壓放電的防控技術(shù)

安笑笑，陳 俊，蘇 璞，陳 先，王楊婧，柴鳳云

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著市場的需求和技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星有效載荷的功能越來越復(fù)雜，容量越來越大，在星上資源有限的情況下，大功率微波固態(tài)功率放大器成為必然選擇。大功率工作帶來了微波電路放電的故障模式和隱患，微波電路放電效應(yīng)造成的嚴(yán)重后果包括：噪聲電平抬高，輸出功率下降；微波傳輸系統(tǒng)駐波比增大，反射功率增加，信道阻塞；微波部件表面損壞，載荷壽命縮短；航天器載荷永久性失效[1]。因此，大功率產(chǎn)品需要在研制各環(huán)節(jié)對放電問題做好充分、有效的分析，并制定相應(yīng)的防控措施。

某衛(wèi)星型號提出了L頻段850 W固態(tài)功率放大器(簡稱：L-850 W固放)的應(yīng)用需求，本文利用該產(chǎn)品提出并分析了大功率微波電路放電問題的防控措施，最后通過熱真空試驗驗證了措施的有效性。

1 發(fā)生機理

微放電和低氣壓放電是一種復(fù)雜的環(huán)境效應(yīng)。從衛(wèi)星發(fā)射到入軌，星載設(shè)備一般要經(jīng)歷從1個大氣壓(約1.01×105Pa)到高真空(壓力低于1×10-6Pa)的環(huán)境變化，其中，低氣壓放電的區(qū)域為：1 300～300 Pa，微放電區(qū)域為：6.65 Pa以下，中間范圍為過渡區(qū)域[2]。

低氣壓放電又稱日冕放電擊穿，低氣壓放電也被稱為電離放電，Corona等。國際上一些學(xué)者Woo等將其定義為在臨界氣壓范圍內(nèi)發(fā)生的氣體放電[3]。一般認(rèn)為它是殘留氣體中的自由電子，因微波功率激發(fā)獲得能量產(chǎn)生等離子體，繼而引起放電。與微放電現(xiàn)象相比，低氣壓放電的氣體擊穿電壓會更低。一般在較低氣壓環(huán)境(1 300～300 Pa)中，氣體中帶電粒子在外加射頻場的作用下，碰撞中性粒子或在金屬表面激發(fā)二次電子發(fā)射，造成空間中電子數(shù)雪崩式增長，形成氣體擊穿的效應(yīng)[4]。

通常星載固放在入軌后才啟用，其工作環(huán)境氣壓低于1×10-3Pa，遠(yuǎn)低于低氣壓放電區(qū)域。因此，對于星載固放產(chǎn)品一般只考慮防止微放電。但衛(wèi)星在軌運行時，大功率微波部件熱耗較高，部件內(nèi)部溫升較高，其中非金屬材料在真空、高溫條件下會釋放出氣體，因長時間工作，部件內(nèi)部積累氣體，在產(chǎn)品內(nèi)局部電路也有可能引起低氣壓放電[5-7]。

因此，大功率固放在軌工作狀態(tài)下，考慮預(yù)防微放電的同時還必須考慮單機內(nèi)部局部低氣壓放電的防控。

2 工程因素及原理分析

2.1 L-850 W固放局部電路低氣壓放電閾值

低氣壓放電閾值與氣壓、產(chǎn)品材料特性、填充氣體、輸入功率、電磁場特性等因素相關(guān)。L-850 W固放輸出端功率最大，當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)局部低氣壓情況時，輸出端為發(fā)生放電的最薄弱環(huán)境。因此，對L-850 W固放功率輸出位置進(jìn)行低氣壓仿真：在部件中，微波大功率輸出先經(jīng)過環(huán)行器，再通過連接器SC接頭輸出，其布局位置如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 輸出腔體布局圖Fig.1 Layout of output cavity

圖2 輸出端低氣壓放電仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of low-pressure discharge at output

如圖3所示為輸出端的環(huán)行器接頭與SC連接器接頭低氣壓放電的帕邢曲線(Paschen curve)，其中環(huán)行器接頭低氣壓閾值為在330 Pa的氣壓下，功率為600 W，SC接頭低氣壓放電閾值為318 Pa的氣壓下，功率為270 W。

以上仿真結(jié)果顯示 L-850 W固放輸出端存在發(fā)生低氣壓放電的可能性，腔體中的氣壓和場強因素是導(dǎo)致低氣壓放電的主要因素。

注：圖中曲線橫坐標(biāo)單位為mbar，1 mbar=100 PaNote: The abscissa of the figure is mbar，1 mbar=100 Pa圖3 輸出端低氣壓放電閾值仿真曲線Fig.3 Simulation curve of threshold of low-pressure discharge at output

對輸出端腔體進(jìn)行電磁仿真，仿真模型如圖4所示，腔體內(nèi)場強如表1所列。

圖4 輸出腔體場強分布圖Fig.4 Field strength distribution of output cavity

表1 輸出腔體內(nèi)電場強度分布

2.2 非金屬材料氣體釋放特性

航天器材料選用出氣率一般應(yīng)滿足以下要求：總質(zhì)量損失(TML)小于1.00%，可凝揮發(fā)物(CVCM)小于0.10%。光學(xué)等敏感元件材料及其周圍用材料真空出氣率應(yīng)滿足：總質(zhì)量損失(TML)小于1.00%，可凝揮發(fā)物(CVCM)小于0.10%。

根據(jù)以往應(yīng)用經(jīng)驗表明，產(chǎn)品中非金屬材料選用滿足以上要求時，可滿足產(chǎn)品應(yīng)用需求。但L-850 W固放功率遠(yuǎn)高于以往固放產(chǎn)品的功率，材料出氣率按照上述要求是否能滿足應(yīng)用需求，對于大功率固放產(chǎn)品材料選用情況尚未有過相關(guān)研究，但實際產(chǎn)品中非金屬材料的用途、用量、使用位置、環(huán)境條件等因素非常復(fù)雜，無法進(jìn)行量化研究。

L-850 W固放產(chǎn)品腔體中用到復(fù)合介質(zhì)基板、硅橡膠、環(huán)氧膠等多種非金屬材料，結(jié)合2.1節(jié)仿真結(jié)果，在進(jìn)行真空實驗時，L-850 W固放輸出端腔體存在發(fā)生低氣壓放電可能。

2.3 殘留助焊劑揮發(fā)

助焊劑等揮發(fā)物在真空及高低溫交變協(xié)同作用下，會出現(xiàn)真空出氣問題。助焊劑的質(zhì)量損失往往不是單一的物理或化學(xué)過程，而是包含蒸發(fā)、升華、出氣、分解、降解等各種可能的綜合效應(yīng)。由于助焊劑在制造過程中，會含有大量低分子量聚合物及小分子添加成分，在真空條件下，這些低分子物極易從材料中逸出。

沸點表征的是物質(zhì)變成氣態(tài)的難易程度，沸點越低越容易氣態(tài)。而處在不同的氣壓環(huán)境下，沸點也會不同。由克拉伯龍-克勞修斯方程可得出沸點和氣壓的關(guān)系：InP=-A/T+C(P：壓強，T：沸點，A、C：和物質(zhì)本性有關(guān)的常數(shù))。

L頻段850 W固態(tài)功放中使用凱斯特145助焊劑，在常溫差壓下該助焊劑的沸點超過180 ℃。但在真空下，沸點急劇降低，助焊劑快速揮發(fā)，助焊劑氣化。

根據(jù)以前的研究經(jīng)驗表明，由于局部釋氣將使得真空度大幅度下降，可引起數(shù)個數(shù)量級的氣壓變化。在進(jìn)行真空實驗時，真空腔體中真空度約為10-3Pa。局部釋氣將造成真空度顯著下降，可能在局部腔體內(nèi)形成0.1 Pa至1 000 Pa的低氣壓，結(jié)合2.1節(jié)仿真結(jié)果，輸出端腔體存在發(fā)生低氣壓放電可能。

2.4 輸出端口金帶形貌

不同的輸出端金帶形貌會形成不同的電場分布，對輸出端SC接頭金帶包焊進(jìn)行建模仿真，內(nèi)側(cè)三根金帶弧度半徑1.1 mm(金帶與SC間隙約為0.3 mm)，外側(cè)3根金帶弧度半徑1.5 mm(金帶與SC間隙約為0.7 mm)，如圖5所示。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)場強最強位置為金帶打彎圓弧處，仿真結(jié)果如表2所列。由仿真結(jié)果可知，包焊金帶打彎半徑越大，金帶打彎處場強越強。

圖5 SC接頭場強分布結(jié)果Fig.5 Filed strength distribution of SC connector

表2 場強仿真強度

不同松緊程度金帶包焊的電場線分布示意如6所示。當(dāng)金帶包焊緊時，金帶邊緣電場線主要落入微波基板表面金屬傳輸線上，而傳輸線與金帶是等勢體，無壓差，空間中場強較小。當(dāng)金帶包焊較松時，金帶邊緣電場線主要落入微波基板表面上，微波基板表面與金帶存在電勢差，空間場強增強?？紤]2.1節(jié)低氣壓分析情況，該放電閾值不足。

圖6 三維電場線分布示意圖Fig.6 Three dimensional electric field line distribution diagram

3 試驗驗證

分別組裝兩臺產(chǎn)品進(jìn)行熱真空環(huán)境試驗。一臺產(chǎn)品(稱為：A產(chǎn)品)基板設(shè)計不做優(yōu)化處理，采用常規(guī)組裝工藝。另一臺產(chǎn)品(稱為：B產(chǎn)品)根據(jù)第2節(jié)分析情況采取相應(yīng)改進(jìn)措施進(jìn)行組裝。措施：①非金屬材料優(yōu)選低出氣率材料，涉及用膠位置盡量減少用膠量；②基板焊接后采用超聲霧化清洗充分清除助焊劑等殘留物；③控制輸出端隔離器引腳、SC接頭金帶包焊形貌。

兩臺產(chǎn)品在環(huán)境試驗70 ℃～-35 ℃，完成3.5個熱真空環(huán)境試驗。試驗中兩臺產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)均無異常。試驗后對兩臺產(chǎn)品開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)A產(chǎn)品輸出環(huán)行器兩端接頭金帶包焊處有黑色附著物，對應(yīng)微帶線兩側(cè)有基板發(fā)黑現(xiàn)象；B產(chǎn)品無異常。產(chǎn)品開蓋后照片如圖7所示。

圖7 熱真空環(huán)境試驗后產(chǎn)品狀態(tài)Fig.7 Product status after thermal vacuum environment experiment

試驗結(jié)果表明，對于L-850 W固放，在未采取相應(yīng)措施時，產(chǎn)品腔體內(nèi)非金屬材料產(chǎn)生的氣體、輸出端接頭的場強會超過低氣壓放電閾值，腔體內(nèi)會發(fā)生局部低氣壓放電現(xiàn)象。針對薄弱點采取相應(yīng)措施，則對腔體內(nèi)局部低氣壓放電進(jìn)行有效防控。

4 防控措施

對于大功率固放產(chǎn)品的研制，為防止發(fā)生局部低氣壓放電情況，可從設(shè)計和工藝兩大方面采取防控措施。

1)增大設(shè)計閾度：①增加機殼上的透氣孔，以便及時排出氣體，避免在腔體中形成低氣壓環(huán)境；②去除輸出端基板上接地孔，以便降低金帶包焊位置場強強度，同時避免助焊劑殘留難以清洗。

2)薄弱環(huán)節(jié)采取工藝措施防控：①射頻鏈載體焊接完成后進(jìn)行超聲霧化清洗，以保證助焊劑最大程度被清洗掉；②使用金帶包焊工裝，控制金帶與接頭間隙在0.1 mm左右；③非金屬材料優(yōu)選低出氣率材料，涉及用膠位置盡量減少用膠量。

5 結(jié)論

本文通過仿真理論分析和試驗驗證，以上措施可有效防控大功率固放局部低氣壓放電問題。我國應(yīng)用衛(wèi)星的波段不斷增多、功率不斷加大，空間微波器件的微放電也越來越受重視，但對低氣壓放電的研究較少。本文研究內(nèi)容為大功率固放的研制奠定了基礎(chǔ)，同時為低氣壓放電研究提供參考方向。