樊文平， 盧建新， 張正娟

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心技術(shù)部 太原 030027)

低氣壓放電引起的應答機功率跳變問題研究

樊文平， 盧建新， 張正娟

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心技術(shù)部 太原 030027)

飛行跟蹤測量任務中地面雷達接收到的應答機信號電平存在異常跳變問題。經(jīng)過對影響信號傳輸?shù)母鞣N因素的分析，確認原因是應答機輸出功率值發(fā)生了跳變。在研究微波低氣壓放電理論的基礎上，進一步推斷功率跳變是由應答機內(nèi)腔體濾波器低氣壓放電引起的，通過地面環(huán)境試驗驗證了結(jié)論的正確性，并提出改進應答機性能的具體措施。

低氣壓放電； 腔體濾波器； 應答機； 功率跳變

引言

彈上多測速應答機協(xié)同地面雷達完成外彈道測量任務，但在跟蹤測量任務中曾多次出現(xiàn)地面雷達接收電平跳變現(xiàn)象，表現(xiàn)為初始段某一時間點多個測量站接收電平同時降10dB～20dB，間隔幾十秒后又突然恢復正常，電平突降容易引起地面雷達測量數(shù)據(jù)超差，接收機間斷失鎖，甚至丟失目標。影響跟蹤測量雷達接收電平值的因素很多，彈上應答機是其中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。查找影響接收電平的因素，如彈上天線增益、發(fā)動機尾焰干擾等，其結(jié)果均不能解釋多個測量站同時發(fā)生電平跳變的現(xiàn)象。若是應答機內(nèi)部存在器件性故障，則輸出功率跳變后不會在間隔一段時間后又恢復正常。又核對彈道高程—氣壓關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)有多次電平跳變現(xiàn)象出現(xiàn)在易發(fā)生電擊穿的低氣壓區(qū)間中。而多測速應答機功率輸出值較低，約1W～3W，一般情況下也不會引起擊穿放電現(xiàn)象。在研究異常現(xiàn)象具有可恢復性的特點時，產(chǎn)生了這樣的疑問：應答機內(nèi)是否存在對低氣壓環(huán)境十分敏感的器件?

戰(zhàn)略武器試驗彈載設備在飛行過程中經(jīng)歷著復雜的力學環(huán)境。其中，低氣壓環(huán)境與振動、沖擊、噪聲等環(huán)境條件一樣，會影響電子設備的性能。而探討設備的低氣壓工作特性，需要研究低氣壓環(huán)境對產(chǎn)品性能的影響，特別是氣壓連續(xù)變化條件下產(chǎn)品的動態(tài)電氣性能變化情況，要貼近實際飛行環(huán)境對產(chǎn)品進行低氣壓例行試驗；還需要研究彈載應答機經(jīng)歷的真實低氣壓環(huán)境過程，包括飛行環(huán)境氣壓變化情況、整機與機內(nèi)各部件的密封情況及在氣壓升降過程中氣壓值滯后于外圍環(huán)境氣壓值的程度。目前的全固態(tài)化應答機與過去內(nèi)含真空器件的應答機相比，不再保留密封良好的技術(shù)要求，也廢除了環(huán)境條件試驗中的氣密性檢查項目，這就要求應答機內(nèi)各器件在各種復雜環(huán)境下依舊保持良好的工作性能。彈載應答機是多測速系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究其低氣壓工作特性并改進其性能，對確保戰(zhàn)略武器試驗測控任務的完成具有重要意義。

1 多測速應答機轉(zhuǎn)發(fā)功率跳變問題分析

1.1 多測速應答機轉(zhuǎn)發(fā)功率跳變問題

在飛行試驗跟蹤測量任務中，分布于航區(qū)的多測速雷達出現(xiàn)接收機電平同時突降、間隔一段時間后又突升的現(xiàn)象，多臺接收機電平跳變值在10dB～20dB范圍。影響地面雷達接收電平值的因素有彈上應答機功率、天線增益、大氣衰減、發(fā)動機尾焰衰減、極化損耗、地面雷達天線增益及指向準確性、地面接收信道增益等。結(jié)合彈道數(shù)據(jù)、地面各測站雷達跟蹤角度、彈上天線安裝位置和天線方向圖數(shù)據(jù)計算，并和同一型號試驗任務情況比對分析，上述可能原因中除應答機功率外其余因素均可排除，只有應答機輸出功率跳變才能解釋異?，F(xiàn)象。

圖1為某次試驗任務應答機功率遙測與地面某測站A通道接收電平對比曲線。在第110s，接收電平突降15dB，而第140s接收電平突升12dB，各測量站跳變現(xiàn)象與時刻完全一致，在電平變化的同一時刻應答機功率遙測參數(shù)也跳變0.1V～0.2V。功率遙測參數(shù)值與輸出功率呈非線性關(guān)系，然而當應答機功率下降10dB以上時，功率遙測參數(shù)變化值也應超過上述數(shù)值范圍；此外，在第140s，功率遙測參數(shù)值變化與接收電平變化方向不一致。圖1所示現(xiàn)象表明，應答機輸出功率發(fā)生了跳變，但跳變機理仍需要深入研究。

圖1 應答機功率遙測與地面雷達接收電平對比

1.2 多測速應答機輸出功率跳變分析

多測速應答機基于上、下變頻技術(shù)完成信號頻率捕獲接收、跟蹤與變換，在中頻完成相參轉(zhuǎn)發(fā)處理(相參指頻率成有理數(shù)倍數(shù)關(guān)系、相位保持同步)，接收兩路上行信號，經(jīng)鎖相接收和功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)兩路下行頻率信號，供多測速雷達接收。兩路信號分別指A通道與B通道信號。其A通道信號流程如圖2所示，圖中雙工器由接收腔體濾波器和發(fā)射腔體濾波器并聯(lián)而成，fR1、fT1分別為A通道接收頻率和轉(zhuǎn)發(fā)頻率。B通道與A通道信號流程圖相同，只是工作頻率存在差異。

圖2 多測速應答機射頻信號流程圖

應答機功率輸出異常，涉及到發(fā)射鏈路上的本振輸入、中頻輸入、功率放大等多個環(huán)節(jié)。當射頻本振信號電平降低或中頻輸入信號電平降低或功率放大器件發(fā)生故障時，發(fā)射支路輸出功率會下降。這幾種情況均屬于器件性故障，出現(xiàn)時會導致轉(zhuǎn)發(fā)功率下降，功率遙測參數(shù)下降，但這些故障是不可恢復的，因此與圖1實際飛行現(xiàn)象不完全相符，可予以排除。彈上應答機在發(fā)射試驗中，要經(jīng)歷一個從常壓到低氣壓，再到極低氣壓，之后氣壓快速回升的過程?？梢?，低氣壓環(huán)境是一個連續(xù)變化的過程，而在低氣壓環(huán)境下當電場強度達到一定值時可能發(fā)生放電現(xiàn)象。分析多測速應答機各組成部件性能，發(fā)現(xiàn)應答機雙工器內(nèi)的發(fā)射腔體濾波器易發(fā)生低氣壓電擊穿，可能會引起功率傳輸異常。

若是低氣壓電擊穿引起應答機功率傳輸異常，那么越過易發(fā)生電擊穿區(qū)域后即可恢復原信號傳輸狀態(tài)，這與實際情況相符，且有跡象表明電平突降與低氣壓工作環(huán)境有關(guān)。

2 微波低氣壓放電特性分析及驗證

2.1 微波低氣壓放電現(xiàn)象

氣體作為微波電極之間的絕緣介質(zhì)時，在低氣壓條件下，容易出現(xiàn)放電現(xiàn)象而導致器件工作異常。這是因為隨著氣壓的降低，電子的自由行程增大，自由電子在微波功率激發(fā)下加速時間變長，碰撞速度與動能增大，容易發(fā)生碰撞電離，相應的擊穿電壓就降低。微波擊穿功率大小主要與氣體電子的碰撞頻率、電離速率、電子復合和附著速率、電子擴散系數(shù)、電子速度分布函數(shù)及氣壓值等有關(guān)。微波電極周圍有著不均勻的場分布特性，局部較強的電場很容易引發(fā)電暈放電現(xiàn)象。特別是當電子的碰撞頻率和外加微波頻率相同時，電暈現(xiàn)象更容易發(fā)生。

若只考慮電離速率、電子復合和附著速率、電子擴散系數(shù)，則電子增加的速率可用式(1)表示[1]。

式中，νi為電離速率，νa為電子復合和附著速率，D為電子擴散系數(shù)，n為電子個數(shù)。時，也即氣體電離引起的電子密度增加大于因擴散、復合和附著作用所引起的電子損失時，將導致氣體的強烈激發(fā)和電離，產(chǎn)生電暈或打火。

對于直流電壓條件下的擊穿現(xiàn)象，可用帕森曲線描述擊穿電壓值與氣壓值之間的關(guān)系，且擊穿電壓值在低氣壓某區(qū)間有一個最小值。對于微波擊穿現(xiàn)象，相應的擊穿電壓低于直流條件下的結(jié)果，通常用擊穿功率值與氣壓值的關(guān)系曲線來描述，同樣擊穿功率在低氣壓某區(qū)間存在一個最小值[2]。圖3為某型號S波段天線擊穿功率與氣壓值關(guān)系的試驗結(jié)果，試驗條件是天線周圍有等離子體存在。由圖3可以看出，在氣壓值200Pa左右，擊穿功率值最小。

圖3 微波擊穿功率值隨氣壓值變化曲線

多測速應答機內(nèi)微波器件結(jié)構(gòu)中，只有雙工器為空腔結(jié)構(gòu)，并傳輸較大值的微波功率，其余傳輸線、頻率變換器、壓控振蕩器、濾波器及功率放大器等均不存在空腔結(jié)構(gòu)，且傳輸功率均為毫瓦量級，所以需要研究的是雙工器內(nèi)腔體濾波器低氣壓放電特性。

2.2 腔體濾波器電擊穿特性分析

同軸腔體濾波器具有Q值高、通帶窄、帶內(nèi)插損小及帶外抑制度高等特點，在彈上外測系統(tǒng)中得到廣泛應用。多測速應答機雙工器中的發(fā)射濾波器采用同軸腔體結(jié)構(gòu)，其組成主要有諧振腔、調(diào)諧螺桿、調(diào)諧螺釘、輸入端及輸出端等，用于濾除邊帶干擾和實現(xiàn)收發(fā)隔離功能。三個諧振腔之間通過相鄰腔體中間的矩形窗口來耦合信號，使得微波信號能夠從一個腔體進入另一個腔體。在矩形窗口上方通過蓋板插入了調(diào)諧螺桿，用于調(diào)整耦合系數(shù)大小。調(diào)諧螺桿調(diào)得越深，則濾波帶寬越寬，反之濾波帶寬越窄。通過蓋板還插入了調(diào)諧螺釘，用于調(diào)節(jié)諧振頻率。調(diào)諧螺釘調(diào)得越深，則諧振頻率越低，反之諧振頻率越高。調(diào)諧螺釘?shù)淖饔弥饕€是為實現(xiàn)功率傳輸?shù)淖罴哑ヅ?，這是因為不同的發(fā)射濾波器在結(jié)構(gòu)工藝上存在差異。每個諧振腔有各自的諧振頻率，通過耦合構(gòu)成濾波器的通帶曲線。發(fā)射腔體濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)構(gòu)圖中諧振桿頂部與調(diào)諧螺釘、蓋板之間存在相對較強的電場。

圖4 發(fā)射腔體濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

諧振腔用品質(zhì)因數(shù)Q值來表征頻率選擇性和能量損耗程度，無載品質(zhì)因數(shù)Q0也稱固有品質(zhì)因數(shù)，接有外負載的品質(zhì)因數(shù)稱為有載品質(zhì)因數(shù)Qe(也稱外Q值)。濾波器工作狀態(tài)與傳輸線有所不同，傳輸線通常工作在行波狀態(tài)，而濾波器以駐波狀態(tài)工作，傳輸相同功率時諧振腔內(nèi)部射頻電壓比傳輸線中高。諧振腔的信號輸入端和輸出端分別可以看作源和負載。因腔體濾波器諧振腔的無載Q0值很大，諧振腔的等效電容兩端電壓可近似為[3]

其中，ω0為諧振腔諧振頻率，ω為濾波器輸入信號頻率，1/ω0C為諧振腔等效容抗，R0為諧振腔輸入端源電阻，V0為諧振腔輸入端源電壓。

從式(2)中可以看到，在通帶范圍內(nèi)諧振腔的等效電容兩端電壓近似與Qe的均方根成正比，與諧振腔歸一化等效容抗的均方根成正比。由于發(fā)射濾波器內(nèi)諧振腔Qe值較高，因此諧振腔的等效電容端電壓可以比傳輸線中高出數(shù)十倍。此外，從式(2)中還能夠看到，當濾波器輸入信號頻率偏離中心頻率時，諧振腔內(nèi)的電壓最大值會隨頻率偏移值的增加而急劇增大，所以在工作頻率通帶邊緣等效電容端電壓會很高。正常情況下，應答機轉(zhuǎn)發(fā)功率在一般微波器件中傳輸不足以引起電擊穿，但當該功率經(jīng)過諧振腔時，很高的等效電容端電壓可能會引發(fā)電擊穿。

2.3 地面模擬試驗驗證

分析多測速應答機內(nèi)部各部件低氣壓工作特性后，認為機內(nèi)腔體濾波器最容易出現(xiàn)放電擊穿現(xiàn)象。抽取多只腔體濾波器進行微波功率傳輸試驗，結(jié)果其中一只出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。將出現(xiàn)放電現(xiàn)象的腔體濾波器安裝到多測速應答機內(nèi)，模擬飛行環(huán)境進行低氣壓加電試驗。當氣壓降到1169Pa，對應高度30km時，應答機功率出現(xiàn)下降，功率遙測參數(shù)值也略有下降；當氣壓在1169Pa～0.025Pa區(qū)間，對應高度30km～100km時，應答機保持低功率輸出；而當氣壓降到5.3×10－3Pa，對應高度110km時，應答機功率回升至正常值，同時功率遙測參數(shù)恢復正常。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 多測速應答機低氣壓試驗結(jié)果

試驗結(jié)束后，拆解多測速應答機內(nèi)腔體濾波器，發(fā)現(xiàn)其射頻信號饋入端的調(diào)諧螺釘和內(nèi)導體之間有明顯的打火痕跡。調(diào)諧螺釘用于腔體濾波器的諧振頻率調(diào)整，通過調(diào)整調(diào)諧螺釘與內(nèi)導體之間的距離來改變?yōu)V波特性，對于不同的腔體濾波器，該距離值是不同的。當該距離值較小時，此處擊穿強度降低，容易出現(xiàn)低氣壓放電現(xiàn)象。飛行試驗任務中，實際地面雷達跟蹤電平有時出現(xiàn)電平異常跳變，有時電平正常，說明部分腔體濾波器出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。而當擊穿放電發(fā)生后，放電將在某段氣壓范圍內(nèi)保持。由于放電時傳輸功率一部分消耗在放電部位，一部分被反射，因此輸出到負載的微波功率值明顯下降。應答機功率遙測參數(shù)值由功放輸出端耦合信號檢波后得到，由于反射信號相位不確定，因此疊加后的功率遙測參數(shù)值或變大或變小，這就是圖1中140s處功率遙測參數(shù)值與接收電平變化方向不一致的原因。驗證試驗表明，多測速應答機內(nèi)腔體濾波器在1169Pa～0.025Pa氣壓區(qū)間出現(xiàn)低氣壓放電現(xiàn)象，導致微波功率輸出下降，這是地面雷達測量任務中電平跳變的主要原因。

3 避免發(fā)生低氣壓電擊穿的措施

微波低氣壓放電現(xiàn)象十分復雜，相同的功率傳輸值在不同的濾波器中傳輸，因場的分布特性不同，放電的功率閾值不同；傳輸信號的頻率不同，對應易發(fā)生擊穿的低氣壓值也不同；器件表面潔凈度不同，放電的功率閾值也不同[4]。針對腔體濾波器低氣壓放電現(xiàn)象，可采取的主要措施有以下五個。

①增加絕緣防護措施。在空腔中采取密封充氣或者填充固體介質(zhì)的辦法，避免低氣壓環(huán)境的形成。固體介質(zhì)可選介電強度高的材料，如環(huán)氧樹脂、有機硅凝膠或有機硅橡膠等，這些材料具有良好的絕緣、防震和隔離作用[5]。

②降低諧振腔的等效電容端電壓。在允許的情況下，采取降低諧振腔的外Q值、降低諧振腔等效容抗1/ω0C以及使濾波器準確調(diào)諧在工作頻率等措施，均可有效降低諧振腔的等效電容端電壓。由于場分布不均勻的空腔內(nèi)擊穿電壓會下降很多，因此可通過改進諧振腔、調(diào)諧螺桿、調(diào)諧螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，盡量避免出現(xiàn)毛刺、棱角等，增大腔體表面曲率半徑，來消除局部場分布增強現(xiàn)象。調(diào)試方面要避免因結(jié)構(gòu)差異和負載牽引作用而導致諧振腔頻率偏離。

③保持元器件清潔，避免污染，提高空腔內(nèi)氣體的絕緣強度。金屬屑、油污、灰塵等多余物的存在，會降低氣體的擊穿電壓。根據(jù)潔凈度的不同，擊穿電壓可能會相差一個數(shù)量級[6]。因此，加強對微波器件的清潔，特別是消除金屬屑，對于預防放電擊穿大有益處。

④按照規(guī)范設置產(chǎn)品低氣壓放電余量指標。比如按行業(yè)標準，有鑒定級產(chǎn)品滿足低氣壓放電余量6dB、試樣產(chǎn)品滿足低氣壓放電余量3dB的技術(shù)要求。彈載微波設備功率不高，但由于調(diào)試的差異性，無法對余量進行精確控制，也無法對潔凈度進行量化控制，所以指標設置和試驗驗證二者需結(jié)合使用。

⑤對未采取密封防護技術(shù)的產(chǎn)品，應設置排氣通道，以減輕低氣壓放電現(xiàn)象的危害程度。低氣壓放電現(xiàn)象發(fā)生在特定區(qū)段氣壓下，彈載設備要么采取密封防護措施，要么在高真空環(huán)境下讓產(chǎn)品內(nèi)部的氣體盡快排出；滯留在產(chǎn)品內(nèi)部的空氣和內(nèi)部材料釋放出的氣體會造成長時間的低氣壓環(huán)境，增大了低氣壓放電現(xiàn)象的危害性。

4 結(jié)束語

隨著武器裝備的發(fā)展和技術(shù)的進步，彈載微波設備功率器件實現(xiàn)了全固態(tài)化，機內(nèi)不存在直流高壓，也沒有低氣壓條件下的直流高壓放電打火問題，但是在產(chǎn)品取消密封性技術(shù)要求后，還必須考慮低氣壓環(huán)境下存在的散熱以及腔體濾波器放電等問題。在環(huán)境例行試驗中，需要細化在氣壓連續(xù)變化情況下的試驗驗證或仿真過程。產(chǎn)品試驗狀態(tài)的變化也必須經(jīng)過可靠性方面充分的論證和考核。實踐證明，低氣壓放電效應是造成多測速雷達系統(tǒng)接收電平異常的主要原因，應答機采取絕緣防護措施后即消除了由此引發(fā)的接收電平跳變問題。

[1] 徐學基，褚定昌.氣體放電物理[M].上海：復旦大學出版社，1996.

[2] 武占成，張希軍，胡有志.氣體放電[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3] 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.

[4] 黃好強.大功率腔體濾波器優(yōu)化設計[J].河北省科學院學報，2008，25(6)：36～48.

[5] 成 鋼，王少寧.航天高電壓設備的絕緣防護研究[J].電子設計工程，2011，19(8)：144～146.

[6] 王宇平，夏玉林.星載微波設備低氣壓放電及其防范[J].上海航天，2005，(增刊)：65～68.

Research on the Power Jump of the Transponder Due to Low-pressure Discharge

Fan Wenping， Lu Jianxin， Zhang Zhengjuan

The receiving level of signal from the transponder jumps abnormally in the mission of radar tracking and measuring，and various factors affecting the signal transmission are examined to identify the cause of the abnormality.It is convinced that the reason is that the output power of the transponder jumps suddenly.Based on the theory of low-pressure discharge，it is further inferred that the low-pressure discharge in the cavity filter causes the power jump of the transponder.The ground environmental test verifies the validity of the conclusion.Then some measures are put forward to improve the transponder performance.

Low-pressure discharge； Cavity filter； Transponder； Power jump

TN836

A

CN11-1780(2014)02-0064-05

樊文平 1964年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為遙外測總體技術(shù)。

2013-02-04 收修改稿日期：2013-03-04

盧建新 1979年生，碩士，工程師，主要研究方向為遙外測總體技術(shù)。

張正娟 1988年生，碩士，工程師，主要研究方向為飛行器控制技術(shù)。