申勝起，張 強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051）

0 引 言

數(shù)傳發(fā)射機(jī)承擔(dān)著將衛(wèi)星有效載荷及衛(wèi)星平臺(tái)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(jī)（如數(shù)傳發(fā)射機(jī)末端腔體濾波器）的微放電現(xiàn)象越來(lái)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(hào)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(jī)的實(shí)際工作需要，對(duì)末端腔體濾波器的微放電現(xiàn)象進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

1 腔體濾波器的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

數(shù)傳發(fā)射機(jī)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(duì)鄰近頻段的接收機(jī)造成干擾，需在發(fā)射機(jī)末端增加濾波器，濾除帶外雜散信號(hào)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(kuò)大1倍時(shí)，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(jī)實(shí)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(jì)。

1.2 仿真計(jì)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(jìn)行仿真計(jì)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(gè)金屬桿為濾波器的3個(gè)諧振桿，通過(guò)改變調(diào)諧螺釘與諧振桿之間的距離來(lái)改變磁場(chǎng)的耦合強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)金屬桿諧振頻率和金屬桿之間耦合量的優(yōu)化計(jì)算，實(shí)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(jì)

微放電現(xiàn)象是由于射頻場(chǎng)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(hào)通過(guò)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(shí)，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(shí)，游離的電子在電磁場(chǎng)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(guò)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(shí)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(qiáng)烈程度。影響微放電閾值的一個(gè)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(duì)就高一些［2］；另一個(gè)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(shí)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(jì)的內(nèi)外導(dǎo)體最小間距為5 mm。

下面通過(guò)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(hào)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(lái)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(duì)腔體濾波器表面進(jìn)行鍍銀處理。腔體濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)外導(dǎo)體最小間距為5 mm，可計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算的結(jié)果，在腔體濾波器的設(shè)計(jì)中還考慮了以下幾個(gè)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(duì)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(shí)對(duì)鍍銀表面光滑度及鍍層的附著力也提出嚴(yán)格要求，以免腔體濾波器在制造過(guò)程中進(jìn)行清洗時(shí)鍍層松動(dòng)、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(jì)。在高真空狀態(tài)時(shí)，微放電的擊穿電壓與絕對(duì)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(gè)數(shù)、位置和大小要合理設(shè)計(jì)，使濾波器內(nèi)部真空度很快達(dá)到自由太空的狀態(tài)。航天設(shè)備放氣孔的設(shè)計(jì)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(jì)在腔體頂壁上，通氣孔直徑0.8 mm，數(shù)量4個(gè)。經(jīng)復(fù)算，放氣孔大小符合設(shè)計(jì)要求。將調(diào)諧螺釘視為圓波導(dǎo)，電磁泄漏數(shù)值計(jì)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(shí)，微放電閥值必然會(huì)降低。所以，數(shù)傳發(fā)射機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)的信號(hào)功率100 W、損耗0.7 dB計(jì)算，熱耗約15 W。因此在設(shè)計(jì)時(shí)將腔體濾波器與數(shù)傳發(fā)射機(jī)盒體加工在一起，使散熱底面最大限度地緊密接觸，通過(guò)腔體底部的熱傳導(dǎo)耗散掉所產(chǎn)生的熱量。

（4）機(jī)械加工。需要嚴(yán)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(shí)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(duì)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)際測(cè)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(jī)使用要求；對(duì)腔體濾波器單獨(dú)進(jìn)行微放電試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)條件為：壓力值≤6.5×10－3Pa，環(huán)境溫度－25℃～＋65℃，保持時(shí)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(cè)試結(jié)果及實(shí)物照片分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 測(cè)試曲線

圖6 濾波器實(shí)物照片

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合數(shù)傳發(fā)射機(jī)的實(shí)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(duì)腔體濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程和影響微放電的幾個(gè)主要因素進(jìn)行了分析，這對(duì)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(jì)測(cè)技術(shù)，2005，25（4）：36－40.