星载大功率固放局部低气压放电的防控技术

安笑笑，陈 俊，苏 璞，陈 先，王杨婧，柴凤云

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着市场的需求和技术的进步，卫星有效载荷的功能越来越复杂，容量越来越大，在星上资源有限的情况下，大功率微波固态功率放大器成为必然选择。大功率工作带来了微波电路放电的故障模式和隐患，微波电路放电效应造成的严重后果包括：噪声电平抬高，输出功率下降；微波传输系统驻波比增大，反射功率增加，信道阻塞；微波部件表面损坏，载荷寿命缩短；航天器载荷永久性失效[1]。因此，大功率产品需要在研制各环节对放电问题做好充分、有效的分析，并制定相应的防控措施。

某卫星型号提出了L频段850 W固态功率放大器(简称：L-850 W固放)的应用需求，本文利用该产品提出并分析了大功率微波电路放电问题的防控措施，最后通过热真空试验验证了措施的有效性。

1 发生机理

微放电和低气压放电是一种复杂的环境效应。从卫星发射到入轨，星载设备一般要经历从1个大气压(约1.01×105Pa)到高真空(压力低于1×10-6Pa)的环境变化，其中，低气压放电的区域为：1 300～300 Pa，微放电区域为：6.65 Pa以下，中间范围为过渡区域[2]。

低气压放电又称日冕放电击穿，低气压放电也被称为电离放电，Corona等。国际上一些学者Woo等将其定义为在临界气压范围内发生的气体放电[3]。一般认为它是残留气体中的自由电子，因微波功率激发获得能量产生等离子体，继而引起放电。与微放电现象相比，低气压放电的气体击穿电压会更低。一般在较低气压环境(1 300～300 Pa)中，气体中带电粒子在外加射频场的作用下，碰撞中性粒子或在金属表面激发二次电子发射，造成空间中电子数雪崩式增长，形成气体击穿的效应[4]。

通常星载固放在入轨后才启用，其工作环境气压低于1×10-3Pa，远低于低气压放电区域。因此，对于星载固放产品一般只考虑防止微放电。但卫星在轨运行时，大功率微波部件热耗较高，部件内部温升较高，其中非金属材料在真空、高温条件下会释放出气体，因长时间工作，部件内部积累气体，在产品内局部电路也有可能引起低气压放电[5-7]。

因此，大功率固放在轨工作状态下，考虑预防微放电的同时还必须考虑单机内部局部低气压放电的防控。

2 工程因素及原理分析

2.1 L-850 W固放局部电路低气压放电阈值

低气压放电阈值与气压、产品材料特性、填充气体、输入功率、电磁场特性等因素相关。L-850 W固放输出端功率最大，当产品内部出现局部低气压情况时，输出端为发生放电的最薄弱环境。因此，对L-850 W固放功率输出位置进行低气压仿真：在部件中，微波大功率输出先经过环行器，再通过连接器SC接头输出，其布局位置如图1所示，仿真结果如图2所示。

图1 输出腔体布局图Fig.1 Layout of output cavity

图2 输出端低气压放电仿真结果Fig.2 Simulation result of low-pressure discharge at output

如图3所示为输出端的环行器接头与SC连接器接头低气压放电的帕邢曲线(Paschen curve)，其中环行器接头低气压阈值为在330 Pa的气压下，功率为600 W，SC接头低气压放电阈值为318 Pa的气压下，功率为270 W。

以上仿真结果显示 L-850 W固放输出端存在发生低气压放电的可能性，腔体中的气压和场强因素是导致低气压放电的主要因素。

注：图中曲线横坐标单位为mbar，1 mbar=100 PaNote: The abscissa of the figure is mbar，1 mbar=100 Pa图3 输出端低气压放电阈值仿真曲线Fig.3 Simulation curve of threshold of low-pressure discharge at output

对输出端腔体进行电磁仿真，仿真模型如图4所示，腔体内场强如表1所列。

图4 输出腔体场强分布图Fig.4 Field strength distribution of output cavity

表1 输出腔体内电场强度分布

2.2 非金属材料气体释放特性

航天器材料选用出气率一般应满足以下要求：总质量损失(TML)小于1.00%，可凝挥发物(CVCM)小于0.10%。光学等敏感元件材料及其周围用材料真空出气率应满足：总质量损失(TML)小于1.00%，可凝挥发物(CVCM)小于0.10%。

根据以往应用经验表明，产品中非金属材料选用满足以上要求时，可满足产品应用需求。但L-850 W固放功率远高于以往固放产品的功率，材料出气率按照上述要求是否能满足应用需求，对于大功率固放产品材料选用情况尚未有过相关研究，但实际产品中非金属材料的用途、用量、使用位置、环境条件等因素非常复杂，无法进行量化研究。

L-850 W固放产品腔体中用到复合介质基板、硅橡胶、环氧胶等多种非金属材料，结合2.1节仿真结果，在进行真空实验时，L-850 W固放输出端腔体存在发生低气压放电可能。

2.3 残留助焊剂挥发

助焊剂等挥发物在真空及高低温交变协同作用下，会出现真空出气问题。助焊剂的质量损失往往不是单一的物理或化学过程，而是包含蒸发、升华、出气、分解、降解等各种可能的综合效应。由于助焊剂在制造过程中，会含有大量低分子量聚合物及小分子添加成分，在真空条件下，这些低分子物极易从材料中逸出。

沸点表征的是物质变成气态的难易程度，沸点越低越容易气态。而处在不同的气压环境下，沸点也会不同。由克拉伯龙-克劳修斯方程可得出沸点和气压的关系：InP=-A/T+C(P：压强，T：沸点，A、C：和物质本性有关的常数)。

L频段850 W固态功放中使用凯斯特145助焊剂，在常温差压下该助焊剂的沸点超过180 ℃。但在真空下，沸点急剧降低，助焊剂快速挥发，助焊剂气化。

根据以前的研究经验表明，由于局部释气将使得真空度大幅度下降，可引起数个数量级的气压变化。在进行真空实验时，真空腔体中真空度约为10-3Pa。局部释气将造成真空度显著下降，可能在局部腔体内形成0.1 Pa至1 000 Pa的低气压，结合2.1节仿真结果，输出端腔体存在发生低气压放电可能。

2.4 输出端口金带形貌

不同的输出端金带形貌会形成不同的电场分布，对输出端SC接头金带包焊进行建模仿真，内侧三根金带弧度半径1.1 mm(金带与SC间隙约为0.3 mm)，外侧3根金带弧度半径1.5 mm(金带与SC间隙约为0.7 mm)，如图5所示。经过仿真发现场强最强位置为金带打弯圆弧处，仿真结果如表2所列。由仿真结果可知，包焊金带打弯半径越大，金带打弯处场强越强。

图5 SC接头场强分布结果Fig.5 Filed strength distribution of SC connector

表2 场强仿真强度

不同松紧程度金带包焊的电场线分布示意如6所示。当金带包焊紧时，金带边缘电场线主要落入微波基板表面金属传输线上，而传输线与金带是等势体，无压差，空间中场强较小。当金带包焊较松时，金带边缘电场线主要落入微波基板表面上，微波基板表面与金带存在电势差，空间场强增强。考虑2.1节低气压分析情况，该放电阈值不足。

图6 三维电场线分布示意图Fig.6 Three dimensional electric field line distribution diagram

3 试验验证

分别组装两台产品进行热真空环境试验。一台产品(称为：A产品)基板设计不做优化处理，采用常规组装工艺。另一台产品(称为：B产品)根据第2节分析情况采取相应改进措施进行组装。措施：①非金属材料优选低出气率材料，涉及用胶位置尽量减少用胶量；②基板焊接后采用超声雾化清洗充分清除助焊剂等残留物；③控制输出端隔离器引脚、SC接头金带包焊形貌。

两台产品在环境试验70 ℃～-35 ℃，完成3.5个热真空环境试验。试验中两台产品测试数据均无异常。试验后对两台产品开盖检查，发现A产品输出环行器两端接头金带包焊处有黑色附着物，对应微带线两侧有基板发黑现象；B产品无异常。产品开盖后照片如图7所示。

图7 热真空环境试验后产品状态Fig.7 Product status after thermal vacuum environment experiment

试验结果表明，对于L-850 W固放，在未采取相应措施时，产品腔体内非金属材料产生的气体、输出端接头的场强会超过低气压放电阈值，腔体内会发生局部低气压放电现象。针对薄弱点采取相应措施，则对腔体内局部低气压放电进行有效防控。

4 防控措施

对于大功率固放产品的研制，为防止发生局部低气压放电情况，可从设计和工艺两大方面采取防控措施。

1)增大设计阈度：①增加机壳上的透气孔，以便及时排出气体，避免在腔体中形成低气压环境；②去除输出端基板上接地孔，以便降低金带包焊位置场强强度，同时避免助焊剂残留难以清洗。

2)薄弱环节采取工艺措施防控：①射频链载体焊接完成后进行超声雾化清洗，以保证助焊剂最大程度被清洗掉；②使用金带包焊工装，控制金带与接头间隙在0.1 mm左右；③非金属材料优选低出气率材料，涉及用胶位置尽量减少用胶量。

5 结论

本文通过仿真理论分析和试验验证，以上措施可有效防控大功率固放局部低气压放电问题。我国应用卫星的波段不断增多、功率不断加大，空间微波器件的微放电也越来越受重视，但对低气压放电的研究较少。本文研究内容为大功率固放的研制奠定了基础，同时为低气压放电研究提供参考方向。