李硯平，柴繼澤，楊曉敏，蔡小宏

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

無(wú)源互調(diào)(passive intermodulation 簡(jiǎn)寫(xiě)為PIM)屬于一種新的電磁干擾源，它是指由無(wú)源部件的固有非線性導(dǎo)致的互調(diào)產(chǎn)物。通常產(chǎn)生于濾波器、同軸線纜及連接器、金屬連接面、天線饋源及天線等無(wú)源部件。在多個(gè)載頻的大功率信號(hào)條件下由于部件本身存在非線性而引起的互調(diào)效應(yīng)[1]。

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，航天大天線技術(shù)飛速發(fā)展，新技術(shù)廣泛應(yīng)用，收發(fā)共用技術(shù)就是其中一項(xiàng)技術(shù)，收發(fā)共用面臨的可靠性問(wèn)題之一就是PIM效應(yīng)。PIM的存在會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，特別是落在接收頻帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物將對(duì)系統(tǒng)的接收性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。采用收發(fā)共用天線系統(tǒng)的衛(wèi)星，PIM更應(yīng)引起重視。大功率衛(wèi)星中的PIM嚴(yán)重威脅衛(wèi)星系統(tǒng)的運(yùn)行，它不僅浪費(fèi)寶貴的衛(wèi)星發(fā)射功率，又使本來(lái)就十分微弱的接收信號(hào)受到干擾[2]。PIM嚴(yán)重地增加了接收系統(tǒng)的噪聲電平，降低了系統(tǒng)靈敏度。航天天線作為航天載荷中必不可少的關(guān)鍵元件，由于工作空間環(huán)境的嚴(yán)酷性、極端性和不確定性，交變溫度嚴(yán)重影響PIM性能的大小和穩(wěn)定性，影響天線性能的可靠性，因此，空間天線要考慮溫度交變下的PIM 效應(yīng)[3]。溫度交變下的PIM效應(yīng)從材料非線性和接觸非線性考慮，主要取決于金屬材料之間的熱擴(kuò)散效應(yīng)，金屬導(dǎo)熱性，熱離子發(fā)射等因素[4]，這幾種效應(yīng)同時(shí)作用，且各自所占的影響比率在同一個(gè)部件中不固定，建立動(dòng)態(tài)理論模型存在困難，理論仿真存在局限性。歐美航天經(jīng)過(guò)探索，目前都通過(guò)地面驗(yàn)證測(cè)試確保溫度交變下的PIM。加拿大航天中心DFL試驗(yàn)室建立了木制的透波溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)試，受材質(zhì)影響，這種系統(tǒng)溫度范圍有限。ESA下屬的瑞典RUAE公司建立了溫度交變下的PIM測(cè)試系統(tǒng)，采用了介質(zhì)材料，受薄弱點(diǎn)影響，溫度范圍是-35 ℃～120 ℃。這種測(cè)試方法和設(shè)備國(guó)內(nèi)外沒(méi)有現(xiàn)成的成品可以使用，都是自主研發(fā)的產(chǎn)品。本文根據(jù)空間天線的特點(diǎn)和PIM要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)的現(xiàn)有材料和溫度控制技術(shù)，探索出兩種測(cè)試溫度交變下PIM性能的測(cè)試系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)研制了測(cè)試設(shè)備。一種是利用現(xiàn)有的溫箱設(shè)備，在溫箱設(shè)備中嵌套放置專(zhuān)用吸波箱，待測(cè)試天線放置在吸波箱體中，采用反射法測(cè)試天線PIM。這種嵌套裝置，由于吸波材料的耐高溫能力受限，適用的溫度范圍是-70 ℃～70 ℃。另一種是設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的透波暗室，透波溫箱箱體放置在吸波暗室中，溫控機(jī)組放置在控制室中，采用反射法和輻射法均可以測(cè)試溫度交變下的PIM。此測(cè)試系統(tǒng)不受吸波材料的耐溫限制，可以應(yīng)用的范圍是-70 ℃～150 ℃，兩種測(cè)試系統(tǒng)均已應(yīng)用在地面驗(yàn)證試驗(yàn)中。在測(cè)試系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)研制中，充分考慮了影響PIM性能的材料非線性和連接非線性，確保測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備的PIM低于測(cè)試產(chǎn)品，減少測(cè)試誤差。

1 溫度對(duì)PIM影響

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，在太陽(yáng)的正對(duì)輻射下處于高溫，如果所處位置背對(duì)地球被遮擋時(shí)，處于低溫。極限溫度在-120 ℃～120 ℃變化，這是衛(wèi)星系統(tǒng)老化的主要原因，同時(shí)，由于溫度的變化，PIM信號(hào)在系統(tǒng)工作中變化異常活躍。在波導(dǎo)連接情況下，波導(dǎo)金屬和螺釘材料之間的熱擴(kuò)散系數(shù)不同，溫度變化會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，一天內(nèi)金屬表面會(huì)經(jīng)受周期性的作用，由于金屬結(jié)的老化，導(dǎo)致接觸電阻會(huì)增加。除了環(huán)境溫度的變化影響，在任何元件上，局部溫度變化都會(huì)引起整體的溫度變化，出現(xiàn)超噪聲電平信號(hào)的PIM信號(hào)頻率。這種情況下，PIM激勵(lì)和金屬的導(dǎo)熱性具有線性相關(guān)性，產(chǎn)生諧波分量，在PIM頻率處引起腔壁上的電流，在金屬波導(dǎo)結(jié)的情況下，將產(chǎn)生金屬接觸電阻。根據(jù)Franz-Wiedemann定律，將電和熱的導(dǎo)熱系數(shù)與純金屬接觸處的電壓降和溫度聯(lián)系起來(lái)[5]。

式中L是洛倫茲數(shù)(L≈10-8V2K-2), 它定義為熱傳導(dǎo)系數(shù)和電傳導(dǎo)系數(shù)之商。T是變化后的溫度，T0是初始溫度，V是金屬接觸處的電壓降。

對(duì)常用金屬的電壓降和溫度的變化開(kāi)展了計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果如圖1所示，T0選用的是203.15 K(-70 ℃)。

圖1 四種金屬的電壓降和溫度的變化關(guān)系Fig.1 Schematic diagram relation of four type metal voltage change with temperature

通過(guò)圖1可知，對(duì)大部分金屬而言是常數(shù)，金屬特殊敏感點(diǎn)處的溫度升高對(duì)接觸電阻有很大的影響，微弱的電壓變化也會(huì)引起溫度的劇烈變化，對(duì)于銀、銅、金、鋁、電壓變化0.17 V,可使接觸溫度從203 K升高到300 K[6]。對(duì)于有的金屬溫度達(dá)到金屬的熔點(diǎn)，可以發(fā)生熔接，高溫可以軟化氧化層使得薄層破裂，引起系統(tǒng)接觸電阻降低。溫度的變化，將會(huì)引發(fā)PIM電平的變化[7]。因此地面驗(yàn)證試驗(yàn)需要開(kāi)展溫度變化下的PIM驗(yàn)證測(cè)試。

2 高低溫PIM測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同被測(cè)件的特性，PIM測(cè)試方法主要有5種:直通測(cè)量法、反射測(cè)量法、輻射測(cè)量法、再輻射式測(cè)量法和整星級(jí)測(cè)量法[8]。目前根據(jù)測(cè)試件有無(wú)輻射，可將PIM測(cè)試系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：非輻射測(cè)量系統(tǒng)和輻射測(cè)量系統(tǒng)。非輻射式PIM測(cè)試系統(tǒng)適用于非輻射型單端口、雙端口和多端口射頻部件，如大功率負(fù)載、濾波器、雙工器和多工器等；輻射式PIM測(cè)試系統(tǒng)適用于測(cè)試輻射型射頻部件與設(shè)備，如天線及饋源等。根據(jù)測(cè)試件的特點(diǎn)和需求，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合5種測(cè)試方法靈活使用[9]。航天PIM測(cè)試條件需要測(cè)試溫度變化下的PIM性能。對(duì)于非輻射的測(cè)試件，測(cè)試系統(tǒng)和方法不需要額外改進(jìn)，只需要將測(cè)試件置于溫箱中，控制和調(diào)節(jié)環(huán)境溫度過(guò)程中測(cè)試PIM性能。對(duì)于輻射式的測(cè)試件，需要結(jié)合測(cè)試方法建立新的測(cè)試設(shè)備，構(gòu)建新的測(cè)試系統(tǒng)。本文針對(duì)天線及饋源等輻射類(lèi)測(cè)試件和需要再次被輻射的測(cè)試件如天線反射面、反射面測(cè)試樣品、天線支撐結(jié)構(gòu)、反射面支撐臂、天線熱控多層組件(MLI)和整星隔熱保護(hù)硬件等，建立了兩種測(cè)試溫度交變下PIM性能的測(cè)試系統(tǒng)。

2.1 嵌套吸波箱法

目前隨著航天的發(fā)展，測(cè)試溫度循環(huán)變化下的PIM非常普遍。常見(jiàn)的溫度循環(huán)范圍是±70 ℃，特殊的要求是±150 ℃[10]。PIM熱循環(huán)吸波箱設(shè)計(jì)要求有：第一、熱循環(huán)箱中的溫度根據(jù)試驗(yàn)條件滿(mǎn)足溫度循環(huán)變化；第二、吸收天線輻射的微波能量；第三、不能產(chǎn)生影響測(cè)試件的多余的PIM信號(hào)。嵌套式的吸波箱放置在溫度循環(huán)箱中，依據(jù)以上3個(gè)要求，選擇的外圍的框架材料是鋁材，內(nèi)部采用的是耐高低溫的低PIM大功率吸波材料。放置在溫箱中的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。吸波箱放置在溫箱中，形成了一個(gè)嵌套的吸波箱，溫箱中的環(huán)境溫度變化調(diào)整了吸波箱中的溫度變化。這樣放置在吸波箱中的天線處于高低溫環(huán)境變化中。

圖2 嵌套式吸波溫箱示意圖Fig.2 Schematic diagram of nested type absorbing thermal box

如圖3所示，兩路不同頻率的大功率測(cè)試信號(hào)f1、f2由射頻合路器合成，經(jīng)過(guò)低PIM雙工器1送至放置在嵌套高低溫箱中的PIM吸波箱中的被測(cè)試天線，其輸出大功率信號(hào)被吸波箱中吸波材料吸收。兩路不同頻率的大功率信號(hào)功率值分別在功率計(jì)1和功率計(jì)2上監(jiān)測(cè)，被測(cè)試天線產(chǎn)生的PIM信號(hào)可在頻譜分析儀1上測(cè)得(反射法)[11]。這種嵌套結(jié)構(gòu)可以使用的測(cè)試件的大小取決于外層的溫箱大小。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是由于吸波箱嵌套在溫箱中，由于吸波材料的耐溫和耐功率性能的局限性，可以測(cè)試的溫度范圍一般為±70 ℃，能夠滿(mǎn)足常用測(cè)試天線的溫度需求。對(duì)于溫度范圍要求較高的測(cè)試天線，需要采用透波箱法。

圖3 嵌套式吸波溫箱PIM測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.3 Schematic diagram of nested type absorbing thermal box PIM test system for antenna

2.2 透波暗室法

由于嵌套法的溫度范圍有限，根據(jù)測(cè)試天線的要求，可以設(shè)計(jì)透波溫箱法。透波溫箱法是將高低溫箱的箱體使用透波材料研制，然后將此箱體放置在吸波暗室中，如圖4圖所示。

圖4 透波溫箱示意圖Fig.4 Schematic diagram of transparent thermal box

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是因透波箱放置在吸波暗室中，克服了吸波材料的耐溫和耐功率性能局限性，可以測(cè)試的溫度范圍一般為-70 ℃～150 ℃，能夠滿(mǎn)足溫度高溫的考核。設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮采用的材料低PIM性能、耐熱、耐壓和透波性能。

以上兩種方法根據(jù)測(cè)試產(chǎn)品的特點(diǎn)，設(shè)備的大小，可以選用合適的測(cè)試方法。

3 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果驗(yàn)證

兩種測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)建成后，需要驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的PIM性能指標(biāo)，滿(mǎn)足要求后才能投入使用。驗(yàn)證方法如圖3、圖4 的測(cè)試方法，天線選用的是低PIM性能的標(biāo)準(zhǔn)天線。測(cè)試系統(tǒng)性能如下：

測(cè)試系統(tǒng)：S頻段

發(fā)射頻率范圍：2 000～2 300 MHz

接收頻率范圍：1 000～2 000 MHz

測(cè)試功率：50 W*50 W

PIM階數(shù)：13階

選用的天線性能：增益11 dBi,,天線波束寬度60°

圖5，圖6是建成后的嵌套式和透波式的PIM測(cè)試系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)大小受限于溫箱箱體內(nèi)部的大小，透波溫箱的大小取決于放置溫箱箱體的吸波暗室的大小。根據(jù)天線使用的條件和要求，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的試驗(yàn)設(shè)備。測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。嵌入式測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的溫度范圍是-40 ℃～45 ℃，測(cè)試的循環(huán)數(shù)是9次，整個(gè)溫度循環(huán)范圍內(nèi)整體PIM數(shù)據(jù)處于-150 dBm以下。透波式的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試溫度范圍是-20 ℃～90 ℃，測(cè)試的循環(huán)數(shù)是3.5次，除了第一個(gè)循環(huán)開(kāi)始有部分?jǐn)?shù)據(jù)有跳動(dòng)外，后面數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定，PIM數(shù)據(jù)處于-150 dBm以下。兩種測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)和溫度要求都滿(mǎn)足目前衛(wèi)星天線PIM測(cè)試要求。

圖5 嵌套式吸波溫箱PIM測(cè)試實(shí)物圖Fig.5 Physical map of nested type thermal absorbing PIM test system

圖6 透波式吸波溫箱PIM測(cè)試實(shí)物圖Fig.6 Physical map of transparent thermal type PIM test system

圖7 嵌套式吸波溫箱PIM系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test result of nested type thermal absorbing PIM test system

圖8 透波式吸波溫箱PIM系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test result of transparent thermal type PIM test system

嵌套式和透波式的PIM測(cè)試系統(tǒng),PIM測(cè)試射頻鏈路是相同的，最重要的區(qū)別是測(cè)試環(huán)境的設(shè)計(jì)方面不同。嵌套式側(cè)重點(diǎn)是設(shè)計(jì)放置在高低溫環(huán)境中的吸波嵌套箱體，對(duì)于箱體的結(jié)構(gòu)選材需要低互調(diào)的金屬支撐結(jié)構(gòu)，一般選擇鋁材，內(nèi)部的吸波材料工作在高低溫度變化下，需要耐高低溫的吸波材料，同時(shí)在溫變的環(huán)境下，吸波性能不能受影響。透波的箱體，側(cè)重點(diǎn)選擇透波材料，目前主要有木質(zhì)和介質(zhì)材料，同時(shí)材料需承壓和保溫，需要開(kāi)展相應(yīng)的局部耐壓測(cè)試和保溫試驗(yàn)選材。

4 結(jié)論

兩種PIM測(cè)試系統(tǒng)目前已投入到實(shí)際的工程實(shí)踐中，使用中由于溫度和大功率頻繁作用，加速了吸波材料老化，需要定期監(jiān)測(cè)和更換。設(shè)計(jì)系統(tǒng)要根據(jù)需要測(cè)試的試件尺寸和需要驗(yàn)證的測(cè)試溫度選用何種測(cè)試系統(tǒng)。溫度和低PIM的要求，需要根據(jù)材料特性選用，必要時(shí)預(yù)先測(cè)試材料的特性。