李 強，李會鋒，王 旭，李肖瑛，王 超，程富強，周 軒

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，西安 710043；2.西安衛(wèi)星測控中心， 西安 710043)

0 引言

低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星在軌運行中，會受到復雜空間環(huán)境的各種影響[1-3]。對于半導體電子元器件，較為關注的是空間輻射環(huán)境產生的各種效應與危害?？臻g高能粒子通過器件例如固態(tài)功放時，會在器件中產生各種復雜影響，例如電離與非電離作用并釋放能量，進而造成各種輻射損傷[4-6]。

高能粒子輻射效應一般分為瞬時輻射與累積輻射兩種。瞬時輻射效應主要是高能粒子穿過材料時在其徑跡周圍電離產生的帶電粒子(等離子體)激發(fā)電路薄弱環(huán)節(jié)而出現(xiàn)各種單粒子效應，進而對電路工作造成影響或危害[7-9]。累積輻射效應主要分為電離與非電離兩種，前者由電離作用下的長期能量累積形成，為總電離劑量效應，即電荷的重新分布造成器件參數(shù)與性能的變化；后者是高能粒子在非電離作用下(例如碰撞)對材料形成的損傷，主要表現(xiàn)為位移損傷以及能量累積損傷[10-12]。

對于固態(tài)功放類的功率器件，單粒子效應中危害較大的是單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子柵穿等類型，前者一般需要斷電、加電處理才能恢復器件工作，但其在大電流下的功耗以及溫升等可能帶來的次生影響不可輕視[13-15]；后二者危害甚劇，造成元件直接燒毀或損壞(且事后一般難以在軌檢測)，嚴重時可能使得器件功能喪失、系統(tǒng)性能下降，極端時甚至導致任務失敗。

累積輻射對功率器件的損傷機理較為復雜，比如材料在高能粒子作用下可能出現(xiàn)原子位移或晶格破壞而產生缺陷[12,16-17]，這些缺陷可能導致器件暗電流增加、載流子壽命縮短、熱平衡多數(shù)載流子濃度降低、遷移率減慢等事件發(fā)生，進而使得器件性能出現(xiàn)下降或者退化，例如電流放大倍數(shù)降低、電壓閾值漂移、增益下降等。

當前，對于半導體功率器件的相關工作多集中在開發(fā)、設計、地面測試等方面；但在空間應用驗證方面，一般文獻關注較少，而長期在軌應用案例則提及更少。這里，以某在軌運行超過15年的LEO衛(wèi)星為例，關注發(fā)射機重要遙測參數(shù)長期變化，著重分析發(fā)射機功率衰減情況，考察空間環(huán)境影響，為航天器長期管理中的遙測診斷與故障檢測[18-19]、器件健康檢查與空間操控等事件提供數(shù)據支持和參考。

1 衛(wèi)星軌道長期變化

某LEO衛(wèi)星運行在近圓、太陽同步軌道衛(wèi)星軌道，晨昏軌道設計，降交點地方時(Local Time of Descending Node，LTDN) 在06:00 AM附近，初始軌道高度約600 km，姿控為三軸穩(wěn)定、偏置動量控制。衛(wèi)星入軌以來的半長軸、傾角、光照角(地日矢量與軌道面法線的夾角)、降交點地方時(Local Time of Descending Node，LTDN)變化如圖1所示(圖1中橫軸MJD為積日，自2000年1月1日零時開始的天計數(shù))。

(c)光照角 (d)LTDN

圖2給出了具體的軌道高度衰減的速率變化，為便于反映空間環(huán)境下的太陽活動對衛(wèi)星軌道的影響，圖2中一并給出了表征太陽活動強弱的F10.7數(shù)據曲線(縱軸單位1sfu=10-22W·m-2·Hz-1)。

(a)半長軸衰減速率

(b)F10.7曲線

軌道數(shù)據時間的起至段為2004年9月至2020年3月。顯然，衛(wèi)星入軌以來，從未進行過軌道控制。在空間環(huán)境作用下，衛(wèi)星軌道半長軸一直在衰減，這主要是大氣阻尼所致[20-22]：太陽活動越強，軌道衰減越快；反過來，太陽活動越弱，軌道衰減越慢。

軌道傾角主要受到日月攝動的影響[23-25]，呈振蕩變化，振蕩周期為1年。降交點地方時變化呈現(xiàn)出年周期與長期兩種變化規(guī)律。光照角在0.1°～33.4°之間變化，同樣具有年周期與長期變化規(guī)律。

2 發(fā)射機功率衰減估計模型

衛(wèi)星測控系統(tǒng)的應答機中有發(fā)射機，其信號放大鏈路的末級由固態(tài)功放組成(無真空器件)。發(fā)射機在軌期間的溫度變化如圖3所示(圖中Js為積秒，為某日的秒計數(shù)，起點為當日零點，終點為次日零點，在0 s～86 400 s之間)，分別給出2018年分至日、整個在軌期間某些年份的冬至日的數(shù)據。

(a)2018溫度

(b)多年冬至溫度

可以看出，發(fā)射機溫度變化具有軌道周期、年周期、長期共三種規(guī)律。

軌道周期表現(xiàn)為在衛(wèi)星運行的一軌之中，溫度呈現(xiàn)規(guī)律變化，以6月數(shù)據為例，衛(wèi)星在陰影區(qū)時發(fā)射機溫度最高，而在軌道的另一側對應位置時溫度最低，其它時段的溫度則在這兩個值之間變化。

年周期表現(xiàn)為冬至前后溫度為全年最高，夏至期間為全年最低。另外，在冬至與夏至期間，每一軌的溫度起伏相對較大，振幅大于春分與秋分的情形。

長期變化變化表現(xiàn)為入軌初期溫度整體水平較低，隨著在軌時間延長，溫度逐漸升高。此外，溫升速度在早期要快，后期則減慢。

溫度的軌道周期變化與整星熱控系統(tǒng)的溫控有關，而整星溫控與太陽輻照、器件工作散熱需求等有關；年周期變化與軌道光照、日地距離遠近變化有關，夏至前后距離太陽較遠，光照也較差，整星溫度水平較低；冬至前后，情形正好相反，整星溫度水平最高，發(fā)射機溫度也處于全年最高水平。長期變化則與太陽輻照下的整星熱控涂層、絕緣材料等性能下降有關，在太陽輻照特別是紫外輻照影響下，衛(wèi)星熱控涂層、材料可能出現(xiàn)降解或裂解，材料隔熱性能下降[26-28]，整星溫度水平逐年升高。

由此可見，發(fā)射機溫度的軌道周期、年周期、長期變化都與空間環(huán)境特別是太陽輻照有很大關系。

在軌期間，衛(wèi)星應答機的發(fā)射機輸出功率存在衰減，其早期的遙測變化如圖4所示。

圖4 發(fā)射機功率遙測

圖4數(shù)據表明，雖然在單軌、多軌甚至多天的時長內，發(fā)射機輸出功率為定值；但從更長時間范圍看(例如分至點之間的時長)，則功率輸出存在明顯下降。

以2005年與2006年各自的年內春夏數(shù)據變化看，第一年的衰減幅度為1.1 mW，第二年情形則為3.4 mW，后者顯著高于前者，這里存在衰減增強現(xiàn)象。

針對發(fā)射機輸出功率變化，多使用Arrhenius模型(即為指數(shù)模型)、Eyring模型、逆冪律模型等[29]。為了便于進行比較，這里還同時進行對數(shù)擬合。其中，對數(shù)擬合公式為：

y=aln(x+b)+c

(1)

式中，y為發(fā)射機輸出功率，mW；a為零值，mW；x為以d為單位的積日的數(shù)值，無量綱；b為時間偏移量，同樣是以d為單位的時間數(shù)值，無量綱；c為截距，mW。

指數(shù)擬合公式為：

y=aebx+c

(2)

式中，y為發(fā)射機輸出功率，mW；a為零值，mW；x為積日，d；b為時間系數(shù)，d-1；c為截距， mW。顯然，這里b<0。

對于式(1)和式(2)，可采用LM算法[30-31]進行求解。根據估計得到的結果，可以進行功率衰減分析，還可以在此基礎上進行功率在軌漂移下的預測與故障診斷、器件健康狀態(tài)評估[18-19]。

3 結果與討論

在軌期間的發(fā)射機功率數(shù)據如圖5所示，時間從2005年春分開始，至2020年春分截止；同樣，采用分至日的采樣方式，但中間存在8個分至點數(shù)據缺失(2013年與2014年)。為便于比較，圖5同時給出了功率衰減的動態(tài)平均數(shù)據：假定原始數(shù)據為N個，按序進行后項減前項，得到N-1個差值數(shù)據(衰減數(shù)據)；在差值數(shù)據最前面補上一項，其值為0，得到N個新數(shù)據；針對新數(shù)據，進行逐項累加下的均值計算，得到動態(tài)平均數(shù)據。

(a)在軌功率遙測

(b)功率衰減下的動態(tài)平均

顯然，在入軌后的最初約兩年的時間里，功率衰減速度較快，功率下降15.0 mW共用641 d；隨后功率下降速度減慢，再次下降15.0 mW共用2192 d(未考慮第一個490.4 mW數(shù)據點)；最后，功率基本進入穩(wěn)定階段，輸出幾乎不發(fā)生變化。

從動態(tài)平均數(shù)據來看，初期，衰減速度一路下行振蕩變大，至2006年冬至達到最大；隨后，一路上行逐漸變小，振蕩情形趨緩。衰減速度變化基本為初期快、后期慢的規(guī)律。若將衰減速度對橫軸進行對稱上翻，則極大值成為峰值，曲線中出現(xiàn)波峰。這個入軌2年后出現(xiàn)的波峰正好可以說明衰減具有加速與減速特征。

還有，除了圖4中的2005年與2006年的春夏數(shù)據的衰減增強外，2005年與2006年的年秋冬數(shù)據也存在同樣情況：前者下降約6.2 mW，后者下降超過7.4 mW，后者衰減幅度大于前者。

綜上可知，2006年以前的數(shù)據(峰值之前)表現(xiàn)出明顯的衰減增強特征，這可能是低劑量率輻射損傷增強效應[32-33]所致，即半導體器件在低劑量率輻照下的損傷比高劑量率的明顯：結合圖2與圖5，在太陽活動最低的時段，功率衰減明顯高于其它時段。文獻[34-36]的地面測試表明，在長期累積的低劑量率輻射下，半導體器件可能出現(xiàn)閾值漂移加大、電流降幅增加等現(xiàn)象，器件性能老化、衰退可能比高劑量率輻射下的情形更甚。而入軌2年的時段適逢第23個太陽周期的末程，太陽輻射強度在逐漸減小至最低水平(參見圖2)，也符合低劑量率的時機和條件。

利用LM算法，結合圖5中的數(shù)據，求解的擬合結果對應為：

對數(shù)：a為-9.71，b為-1698.34，c為573.39；相關系數(shù)0.9731；

指數(shù)：a為103.01，b為-6.60×10-4，c為489.93；相關系數(shù)0.9773。

顯然，指數(shù)擬合結果更優(yōu)。擬合后的數(shù)據結果如圖6所示。

圖6 衰減擬合

在圖6中：在5463 d內，原始遙測數(shù)據從519.7 mW下降到491.4 mW，減少28.3 mW，衰減率為5.45%，年均衰減率為0.36%；對數(shù)擬合值從521.5 mW變化至489.4 mW，減少32.1 mW，衰減率達到6.16%，年均衰減率約0.41%；指數(shù)情形下，由519.2 mW降至490.7 mW，減少28.5 mW，衰減率達到5.49%，年均衰減率不足0.37%。雖然指數(shù)擬合相關系數(shù)僅比對數(shù)擬合的高約0.44%，但從以上數(shù)據比較可看出，指數(shù)擬合結果更接近于實測數(shù)據，效果更優(yōu)。

利用擬合數(shù)據，可進行后期功率預測。在圖6數(shù)據基礎上，向后延續(xù)10年，得到的預測結果如圖7所示。

在圖7中，以最后數(shù)據為參考，10年之后，指數(shù)預測值為490.0 mW，對數(shù)預測結果為484.6 mW，兩者間的差值變大至5.4 mW。從圖6的在軌數(shù)據看，后期功率基本進入穩(wěn)定期，繼續(xù)衰減下降的空間不大，因此可考慮以指數(shù)預測結果作為后期器件健康狀態(tài)或者輸出功率評估的參考(畢竟，指數(shù)擬合下的相關系數(shù)更優(yōu))。

圖7 衰減預測

整體上，發(fā)射機功率年均衰減率低于0.37%，即使與當前太陽電池陣功率衰減數(shù)據相比，前者也不遜于后者，而且后者已基本能滿足多數(shù)長壽命應用場合的需求。因此，前者同樣能夠滿足這一需求甚至年限更長。所以，國產LEO衛(wèi)星發(fā)射機固態(tài)功放器件性能較優(yōu)，適合于低軌空間的長期、穩(wěn)定應用。

文獻[37]在檢驗星用C頻段固態(tài)功率放大器時，在地面使用熱考核方法，在0 ℃～350 ℃范圍內，器件輸出功率波動小于0.2 dB；文獻[29]對X頻段固態(tài)功率放大器的壽命考核也是采用熱試驗方法，用不同溫度進行檢驗。這里，因為數(shù)據存在缺失，未能采集得到完整的溫度遙測數(shù)據，因此使用時間變量直接進行擬合分析。實際上，衛(wèi)星入軌后，隨著時間延長，溫度逐漸升高，即時間、溫度、功率之間具有相關性，本例中0.97以上的相關系數(shù)也可以說明這一點。

另外，地面測試中，一般較少關注輻射影響因素，而對于固放長期在軌運行情形，可能需考慮低劑量率輻射下的損傷增強效應的影響。在本例中的早期時間段表現(xiàn)較為明顯，而在后期的時間段并不明顯，將來還需繼續(xù)積累數(shù)據與其它案例觀察、分析。例如，考慮使用衰減速度峰值之后的數(shù)據進行擬合得到新曲線，然后計算新、舊曲線之間的積分差值，嘗試用差值對低劑量率輻射損傷增強效應進行量化、評估。

此外，后續(xù)若進一步提高器件性能，可考慮針對緩解、減輕低劑量率輻射損傷增強效應的影響展開工作。還有，在太陽活動高年，功率下降并不明顯，但也沒有反彈或者升高跡象，太陽活動高年(或者太陽活動增強)與功率下降之間的長期數(shù)據關聯(lián)關系，還需持續(xù)關注。

在空間操控中，需加強超長壽命運行衛(wèi)星健康狀態(tài)檢查與維護，對于半導體功率器件，需重點關注其在太陽活動低年時期的功率衰減，定期進行功率預測與分析、評估等工作。

4 結論

對于在軌運行超15年的LEO衛(wèi)星，重點分析其發(fā)射機固態(tài)功放輸出功率變化情況，得到的結果如下：

發(fā)射機溫度呈現(xiàn)三種類型的時間變化規(guī)律，即軌道周期、年周期與長期；在軌道周期內，衛(wèi)星位于地影區(qū)中間位置時溫度最高，在另一側相對的陽照區(qū)位置時溫度最低；在年周期內，冬至前后溫度最高，夏至前后最低；長期下，溫度逐年升高，且升速逐漸變慢；溫度變化與空間環(huán)境影響特別是太陽影響關聯(lián)密切。

發(fā)射機固態(tài)功放輸出功率在軌呈現(xiàn)長期下降趨勢，從519.7 mW減至491.4 mW，減少28.3 mW，衰減率5.45%，年均衰減率0.36%；功率衰減基本符合指數(shù)變化規(guī)律，相應指數(shù)擬合下的功率衰減率約為5.49%，年均衰減率不足0.37%，相關系數(shù)值接近于0.98。

功率衰減存在低劑量率輻射損傷增強效應，其在入軌后的早期出現(xiàn)，主要表現(xiàn)為后期衰減相對于前期衰減加劇。

國產發(fā)射機功率器件性能較優(yōu)，適合于LEO衛(wèi)星長壽命在軌運行下的空間應用。