姜立偉,李志鵬,楊 軍

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

空間技術(shù)發(fā)展越來越快,衛(wèi)星功能越來越復(fù)雜,微波開關(guān)作為航天器有效載荷的基本產(chǎn)品之一,主要功能是進行微波通道切換,將固定數(shù)量的硬件通過開關(guān)的環(huán)備份,實現(xiàn)更多的連接狀態(tài),當(dāng)部分硬件發(fā)生故障時,通過微波開關(guān)的狀態(tài)切換,將系統(tǒng)中備份的硬件替代故障硬件。通過對轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)中的接收機、高功率放大器等高失效率的產(chǎn)品使用微波開關(guān)進行備份,將大幅提升系統(tǒng)的可靠性。隨著高通量衛(wèi)星通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,微波開關(guān)單星使用數(shù)量將達到兩千只以上。

微波開關(guān)根據(jù)射頻通道的類型可劃分為波導(dǎo)型微波開關(guān)和同軸型微波開關(guān);按照功率容量可劃分為大功率微波開關(guān)和低功率微波開關(guān);按照驅(qū)動方式可劃分為隨機切換式微波開關(guān)和順序切換式微波開關(guān)。

近年來,國內(nèi)外宇航微波開關(guān)發(fā)展取得了長足進步,文章首先對宇航微波開關(guān)的研究現(xiàn)狀進行了調(diào)研,其次對宇航微波開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié),最后通過各類航天器對微波開關(guān)需求的分析,總結(jié)得出微波開關(guān)的后續(xù)發(fā)展趨勢。

1 宇航微波開關(guān)研究現(xiàn)狀

國際上具備宇航微波開關(guān)研制能力的公司主要是加拿大COM DEV公司、法國RADIALL公司、德國TESAT公司,其中COM DEV公司具備同軸型[1-3]、波導(dǎo)型[4-5]微波開關(guān)的全規(guī)格微波開關(guān)研制能力;法國RADIALL公司研發(fā)側(cè)重點為各類同軸型微波開關(guān);德國TESAT公司則將研發(fā)精力更多的集中在各類波導(dǎo)型微波開關(guān)[6-7]。

國內(nèi)從事宇航微波開關(guān)研制的單位主要是中國空間技術(shù)研究院西安分院[8-9]、北京航天電子技術(shù)有限公司[10-11]。

圖1和圖2為加拿大COM DEV公司產(chǎn)品圖片;圖3為法國RADIALL公司產(chǎn)品圖片;圖4為德國TESAT公司產(chǎn)品圖片;圖5為中國空間技術(shù)研究院西安分院產(chǎn)品圖片。

圖1 加拿大COM DEV公司波導(dǎo)開關(guān)

圖2 加拿大COM DEV公司同軸開關(guān)

圖3 法國RADIALL公司同軸開關(guān)

圖4 德國TESAT公司波導(dǎo)開關(guān)

圖5 中國空間技術(shù)研究院西安分院微波開關(guān)

1.1 各類型微波開關(guān)工作頻率

各類型同軸微波開關(guān)工作頻率主要由射頻接口形式?jīng)Q定,SMA接口微波開關(guān)工作頻率覆蓋50 MHz～18 GHz,TNC接口微波開關(guān)工作頻率覆蓋50 MHz～6 GHz,各類型波導(dǎo)開關(guān)根據(jù)各頻段波導(dǎo)接口的尺寸決定,通過技術(shù)發(fā)展,基本滿足了波導(dǎo)單模推薦帶寬的全頻段工作能力,如表1所列為各種接口類型微波開關(guān)工作頻率匯總。

表1 各種接口類型微波開關(guān)工作頻率

1.2 微波開關(guān)組成

宇航微波開關(guān)主要由射頻部分、驅(qū)動部分、遙控遙測部分和殼體組成。射頻部分的功能為射頻信號的傳輸和切換;驅(qū)動部分的功能為射頻切換提供驅(qū)動力;遙控遙測部分的功能為接收控制指令并返回開關(guān)當(dāng)前所處射頻工作狀態(tài)的遙測信號。

1.2.1 同軸型微波開關(guān)組成

同軸型微波開關(guān)射頻部分由射頻連接器、射頻內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體組成。射頻通道為帶線結(jié)構(gòu),端口阻抗為50 Ω,通過阻抗匹配設(shè)計實現(xiàn)射頻信號在較寬頻帶內(nèi)的傳輸。

宇航同軸型微波開關(guān)一般選用磁保持式開關(guān),該類開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)為驅(qū)動繞組和永磁體構(gòu)成[12]?？稍谥噶钚盘柷袛嗪?保持射頻信號導(dǎo)通在期望工作狀態(tài)上。

遙控遙測部分電路如圖6所示,主要由二極管和遙測觸點構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)完成切換時,對應(yīng)遙測觸點導(dǎo)通,輸出開關(guān)位置狀態(tài)遙測信號[13]。

圖6 RADIALL公司同軸開關(guān)

1.2.2 波導(dǎo)型微波開關(guān)組成

波導(dǎo)型微波開關(guān)射頻部分由射頻轉(zhuǎn)軸和射頻殼體組成,波導(dǎo)開關(guān)4個射頻接口位于射頻外殼的4個面,射頻轉(zhuǎn)軸受驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動在射頻殼體內(nèi)部轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)射頻信號的傳輸與切換,波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖7所示[14]。

圖7 波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

與同軸型微波開關(guān)類似,宇航波導(dǎo)型微波開關(guān)一般也采用磁保持式,驅(qū)動機構(gòu)由驅(qū)動電機和軸承組成,驅(qū)動電機提供切換力矩,軸承對轉(zhuǎn)軸和電機轉(zhuǎn)子起到支撐作用,同時通過定位永磁體實現(xiàn)狀態(tài)保持。

波導(dǎo)開關(guān)遙控遙測部分一般由遙測觸點和觸點驅(qū)動機構(gòu)組成[15]。

1.3 各類型微波開關(guān)功率容量

為了適應(yīng)宇航特殊環(huán)境的使用要求,大功率宇航微波開關(guān)功率容量一般包括微放電功率容量、真空功率耐受容量、低氣壓放電功率容量以及常壓功率容量。

衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)位于功率放大器輸出端的微波開關(guān)均有功率要求,該要求一般與功率放大器的輸出功率相關(guān)。系統(tǒng)設(shè)計時追求傳輸信號的高質(zhì)量,同時隨著真空功率器件研制能力的快速發(fā)展,輸出功率也越來越高,因此對微波開關(guān)的功率容量也提出了更為嚴苛要求。如表2所列總結(jié)了目前各類型微波開關(guān)在各個頻段的功率容量。

表2 各類型微波開關(guān)功率容量

2 宇航微波開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

由于空間環(huán)境使用要求的特殊性,給微波開關(guān)在空間環(huán)境應(yīng)用帶來了多個難題,其中最突出的是真空環(huán)境特有的大功率微放電效應(yīng)、長壽命要求和高通用性要求等。

2.1 大功率微放電閾值仿真分析

大功率微波器件在真空環(huán)境下所發(fā)生的電子擊穿效應(yīng)被稱為二次電子倍增或微放電[16]。

在微波開關(guān)射頻系統(tǒng)中,兩極板之間的電子在射頻場的正半周中向一個極板加速撞擊,若在電場通過零點時,電子正好擊中腔體,產(chǎn)生二次電子,且在負半周內(nèi)加速回到另一面腔體,如此不斷地持續(xù)下去,當(dāng)達到穩(wěn)態(tài)平衡時,腔體表面發(fā)生了微放電。兩腔體表面間發(fā)生微放電效應(yīng)有兩個條件:(a)兩表面間電子渡越時間要是射頻場半周期的奇數(shù)倍;(b)電子的自由程必須大于兩表面間的距離。抑制微放電效應(yīng)是設(shè)計微波開關(guān)的重點問題,也是公認的難點問題。為了解決這一問題,在設(shè)計時必須采取相應(yīng)的措施來同時阻斷上述兩個條件的產(chǎn)生。

(1)傳輸通路間隙尺寸

由微放電機理可知,開關(guān)的放電閾值與腔體表面間隙尺寸直接相關(guān)[17]。當(dāng)導(dǎo)體之間的間隙加大時,可有效提升開關(guān)微放電閾值。這是因為隨著間隙的不斷增大,電子的渡越時間將大于射頻電壓的半周期,從而限制微放電的生產(chǎn)條件,降低微放電現(xiàn)象的發(fā)生概率。因此在進行大功率微波開關(guān)射頻通道設(shè)計時,應(yīng)盡量增加表面間隙尺寸,降低微放電閾值。

(2)基體材料及涂覆層

選取適當(dāng)?shù)膶?dǎo)體表面材料或表面鍍層材料,是提高產(chǎn)品微放電閾值的另一有效手段[18-19]。這主要是由于不同材料具有不同的二次電子發(fā)射系數(shù),當(dāng)某種材料的二次電子發(fā)射系數(shù)比較小時,自由電子在射頻電壓的作用下與腔體表面發(fā)生撞擊時,不易產(chǎn)生二次電子,因此也就不易發(fā)生微放電問題,用這種材料形成的射頻通路,在其他條件一樣的情況下也就具有更高的閾值功率。

(3)導(dǎo)體表面狀況

良好的表面狀態(tài)也有助于提高產(chǎn)品的微放電閾值,這是由于導(dǎo)體表面狀況對器件微放電效應(yīng)的影響主要有兩個方面:一是表面平滑度的影響。當(dāng)導(dǎo)體表面不平滑,存在較多微觀毛刺時,這些微觀毛刺上會聚集大量的電子,極易形成微放電效應(yīng);二是表面污染的影響。當(dāng)導(dǎo)體表面存在污染物時,微放電效應(yīng)將在一個較低的閾值上發(fā)生。這是因為污染物減小了二次電子發(fā)射所需的原子能級。此時放電可以是微放電效應(yīng),也可能是局部的電離放電。因此表面平滑度和污染狀況均是影響微波系統(tǒng)放電的重要因素。

(4)射頻載波功率

當(dāng)微波開關(guān)射頻傳輸通路結(jié)構(gòu)設(shè)計確定之后,產(chǎn)品微放電閾值便也就確定下來了。當(dāng)載波功率大于閾值后,射頻通道內(nèi)部薄弱點會發(fā)生局部放電情況。因此在設(shè)計時,要保證射頻系統(tǒng)微放電閾值功率遠大于工作時載波功率。以防止實際產(chǎn)品在加工及使用過程中可能造成的實際承受功率的下降。

利用三維電磁場仿真軟件對射頻通道進行電場分析,并根據(jù)分析結(jié)果對邊緣形狀、縫隙大小進行調(diào)整,提高射頻通道微放電閾值功率,通過使用仿真軟件進行微放電仿真,可以準確預(yù)估開關(guān)的微放電閾值。

圖8為中國空間技術(shù)研究院西安分院設(shè)計的同軸型大功率T型微波開關(guān)微放電仿真模型;圖9為仿真結(jié)果。輸入頻率為S頻段,輸入功率為600 W,由結(jié)果可以看出,隨著時間的推移,激發(fā)的二次電子數(shù)量不斷減小,直至減少為零。表明產(chǎn)品未發(fā)生微放電現(xiàn)象,具備600 W功率能力。此外,該產(chǎn)品已通過600 W的功率考核試驗,產(chǎn)品性能達到國際先進水平。

圖8 大功率T開關(guān)微放電仿真模型

圖9 大功率T開關(guān)微放電仿真結(jié)果

2.2 寬頻帶仿真設(shè)計

產(chǎn)品的通用性是星載產(chǎn)品的重要特點,該特點有助于減少產(chǎn)品種類,提高系統(tǒng)可靠性。為了實現(xiàn)微波開關(guān)通用性,微波開關(guān)需要具備在較寬的射頻頻帶內(nèi)工作的能力。通常情況下,微波開關(guān)的寬頻帶特性是通過阻抗匹配實現(xiàn)的。

以同軸T型微波開關(guān)為例,該型微波開關(guān)的射頻部分由射頻腔體、射頻蓋板以及射頻通道內(nèi)導(dǎo)體和射頻連接器構(gòu)成,仿真模型如圖10所示,仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 小功率T開關(guān)仿真模型

圖11 小功率T開關(guān)仿真結(jié)果

射頻通道內(nèi)導(dǎo)體在驅(qū)動機構(gòu)的作用下閉合或分離。為了保證端口好的駐波比,需考慮射頻連接器與射頻通道內(nèi)導(dǎo)體、射頻通道內(nèi)的限位介質(zhì)等位置的不連續(xù)性,以及介質(zhì)介電常數(shù)可能存在的頻漂等因素,綜合設(shè)計匹配結(jié)構(gòu)。此外,為了保證端口之間的高隔離度,對內(nèi)導(dǎo)體的平面度提出了相應(yīng)工藝要求。目前,同軸T型微波開關(guān)的工作帶寬通常可達到30 GHz以上。

2.3 驅(qū)動機構(gòu)仿真分析

驅(qū)動機構(gòu)決定了微波開關(guān)切換過程中的各項關(guān)鍵性能,包括切換門限電壓、工作電流、切換時間等,也是微波開關(guān)在空間環(huán)境長壽命工作的關(guān)鍵因素。

利用仿真軟件可對微波開關(guān)的驅(qū)動機構(gòu)進行建模仿真,得到驅(qū)動機構(gòu)的各項仿真數(shù)據(jù)。為了保證驅(qū)動機構(gòu)的高可靠性,在設(shè)計時需合理設(shè)計驅(qū)動電機、負載等之間的配合關(guān)系,將微波開關(guān)的可動作電壓設(shè)計在合理范圍之內(nèi),同時盡可能地降低工作電流和減少切換時間,保證產(chǎn)品高效穩(wěn)定切換。

圖12為驅(qū)動機構(gòu)中步進電機的三維仿真模型,電機由定子、轉(zhuǎn)子構(gòu)成,定子一般由定子鐵芯和繞組構(gòu)成,轉(zhuǎn)子材料一般為永磁材料。

圖12 電機模型

圖13為電機力矩仿真曲線圖,該電機步進角為45°,最大保持轉(zhuǎn)矩為35 mN·m。

圖13 電機力矩仿真結(jié)果

圖14、圖15分別為電機三維磁力線分布圖、磁密分布圖,從圖中可以看到磁力線和磁密分布情況。

圖14 電機三維磁力線分布

圖15 電機磁密分布

通過仿真時輸入不同的激勵信號,可以得到電機力矩變化曲線。

同時對微波開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)進行建模仿真,可得到微波開關(guān)的各項仿真數(shù)據(jù),圖16為微波開關(guān)仿真模型,圖17為微波開關(guān)門限電壓仿真結(jié)果。

圖16 微波開關(guān)仿真模型

圖17 驅(qū)動門限電壓仿真結(jié)果

3 發(fā)展趨勢展望

3.1 高頻段

頻率越高,可用的帶寬越寬,頻率資源越豐富,因此衛(wèi)星有效載荷的工作頻段也在不斷提高,在可預(yù)見的未來,W波段將成為載荷應(yīng)用的主流。

為適應(yīng)發(fā)展趨勢,部分廠家已開展了相關(guān)的技術(shù)儲備和產(chǎn)品開發(fā)工作。如圖18、圖19所示為中國空間技術(shù)研究院西安分院研制的W波段產(chǎn)品圖片和產(chǎn)品性能。

圖18 BJ620波導(dǎo)R型開關(guān)

圖19 BJ900波導(dǎo)型開關(guān)

3.2 高功率

衛(wèi)星載荷傳輸功率越來越高,對高功率微波開關(guān)的研究越來越深入[20-22]。傳統(tǒng)應(yīng)用中,通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)大功率微波開關(guān)位于行波管放大器輸出端,對實現(xiàn)進行備份功能,系統(tǒng)框圖如圖20所示。

圖20 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器原理框圖

與此同時,隨著載荷功能多樣化,大功率微波開關(guān)有時會使用在功率合成后端,用于切換發(fā)射天線,對微波開關(guān)的功率容量提出了更高的需求,需要達到以前數(shù)倍的功率容量,系統(tǒng)框圖如圖21所示。

圖21 微波開關(guān)位于功率合成后系統(tǒng)框圖

3.3 小型化、輕量化

隨著高通量衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展,單星微波開關(guān)使用量日趨增大,目前最多可達單星2 000余臺,因此對開關(guān)的輕量化和小型化提出了更高要求,以期節(jié)省發(fā)射資源。2018年,加拿大COM DEV公司推出了第三代波導(dǎo)型微波開關(guān),體積重量較上一代產(chǎn)品明顯減小,如圖22所示。

圖22 COM DEV公司小型化產(chǎn)品

2019年,中國空間技術(shù)研究院西安分院也推出了新一代輕小型化波導(dǎo)微波開關(guān),產(chǎn)品體積、重量較上一代產(chǎn)品減小了1/3,在載荷產(chǎn)品數(shù)量越來越多的情況下,該類產(chǎn)品具有很強的競爭力,如圖23所示。

圖23 中國空間技術(shù)研究院西安分院小型化產(chǎn)品

3.4 集成化

集成化是微波開關(guān)發(fā)展的另一個主要趨勢,其一是微波開關(guān)組合成微波開關(guān)組件,如圖24、圖25所示,該類產(chǎn)品要求微波開關(guān)結(jié)構(gòu)外形設(shè)計便于集成;其二是微波開關(guān)以組件形式存在,如圖26、圖27所示。集成化微波開關(guān)產(chǎn)品是近年來發(fā)展的重要方向,多個廠家給出了不同的解決方案。圖24為加拿大COM DEV公司第二代開關(guān)矩陣集成產(chǎn)品,圖25為法國RADIALL公司第二代開關(guān)矩陣集成產(chǎn)品,圖26、圖27為中國空間技術(shù)研究院西安分院第二代開關(guān)矩陣集成產(chǎn)品[23]。

圖24 加拿大COM DEV公司開關(guān)矩陣集成產(chǎn)品

圖25 法國Radiall公司開關(guān)矩陣集成產(chǎn)品

圖26 中國空間技術(shù)研究院西安分院同軸開關(guān)集成產(chǎn)品

圖27 中國空間技術(shù)研究院西安分院波導(dǎo)開關(guān)集成產(chǎn)品

4 總結(jié)

首先,本文對宇航用微波開關(guān)的研究現(xiàn)狀進行了詳細的調(diào)研和論述,分析了國內(nèi)外多家宇航公司微波開關(guān)產(chǎn)品的形態(tài)和發(fā)展趨勢,梳理了目前宇航微波開關(guān)的主要功能性能,包括功能類型、工作頻率、功率容量等;其次,對宇航微波開關(guān)大功率微放電閾值仿真分析、寬頻帶仿真及驅(qū)動機構(gòu)仿真分析3大關(guān)鍵技術(shù)進行了分析并提出了解決方案;最后,結(jié)合衛(wèi)星載荷發(fā)展趨勢和微波開關(guān)宇航應(yīng)用趨勢,在高頻率、高功率、輕小型化和集成化4個方面對宇航微波開關(guān)的發(fā)展方向進行了展望。