一种新型透波低无源互调温箱箱体的设计

李砚平，柴继泽，代 峰

（西安空间无线电技术研究所，西安 710100）

0 引言

无源互调（passive intermodulation, PIM）是一种在多个载频条件下由无源器件自身固有非线性导致的杂散信号，通常发生在同轴线缆、滤波器、电连接器等部件中。

为控制大型可展开天线系统的尺寸和重量，减轻平台负重，通常需要采用收发共用的工作形式，而收发共用易导致PIM 问题。PIM 产生的机理非常复杂，材料（铁磁材料是强无源互调源）、加工工艺、过程污染、连接器接头松动、金属表面氧化形成的金属-绝缘体-金属结（metal-insulator-metal,MIM）乃至温度等都是其诱发因素。因此，对PIM 电平值的准确理论分析和预测存在困难，而PIM 的影响不容忽视，须在有效载荷研制中将其列为重要指标，建立专门的测试系统进行部件级或整星级的测试评定。空间天线工作的空间环境具有严酷性、极端性和不确定性，交变温度严重影响PIM电平值的大小和稳定，继而影响天线的可靠性，因此空间天线要考虑温度交变下的PIM 效应，通过地面测试验证其在高低温环境下的PIM 性能。

国外在高低温PIM 研究方面起步较早，根据材料透波原理设计和建造了不同的透波高低温PIM设备，进行天线透波高低温PIM 测试。国内的相关研究尚处于探索阶段，需要自主研发低无源互调透波温箱。

本文基于对箱体保温、耐压和透波性能的综合要求，优选2 种介质材料设计了一款低无源互调透波温箱箱体。采用内、外箱体用不同介质材料嵌套的结构方式，两层箱体采用弹性套连接方法，以克服单一介质材料保温性能差、抗压能力弱的缺陷，同时实现箱体本身的低无源互调性能。

1 透波温箱箱体透波材料选择

透波温箱箱体材料选择需要考虑3 点：1）确保箱体的低PIM 特性，不产生对测试件的干扰；2）确保箱体的透波性能，透波率优于85%；3）高低温环境适用性，透波低无源互调温箱的适用温度范围-150～150 ℃。

测试系统中产生PIM 一般有材料非线性和接触非线性2 种。天线PIM 测试中产生的信号是测试系统和天线自身信号的叠加。要确保透波测试系统尽量不产生PIM 干扰，首先要选用不含非线性导电材料的介质材料；同时，为测试天线辐射特性下的PIM 性能，温箱箱体需最大程度地将天线发射的信号透射出去，减少反射回波，因此温箱箱体必须采用具有优异介电性能（＜10）的透波材料。具备以上2 种特性的材料包括自然生长的木材和合成复合介质材料；鉴于木材的介电常数随其含水率和温度变化而改变，影响测试系统的稳定性，故考虑选用合成复合介质材料。合成复合介质透波材料包括无机和有机两大类，前者主要指磷酸盐基复合材料和耐高温陶瓷材料，后者主要指树脂材料。树脂材料良好的黏结性能保证其力学特性，且其无内部极化现象，相比陶瓷材料具有非常低的介电常数与损耗。

无机透波材料一般耐高温性能较好（在1000 ℃以上），但耐低温性能较差（在低于-60 ℃的情况下容易开裂损坏），且材料密度较大，不利于轻量化设计。相比而言，有机透波材料的耐高温性能一般（长期可耐250～300 ℃），但低温性能好（在-269 ℃的液氦中仍不会脆裂）；同时，有机透波材料密度小且具有良好的机械性能，适于大型试验设备的安装。综上，根据本项目的技术指标，最终在有机透波材料中选定聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）和聚酰亚胺作为温箱箱体透波材料。其中，PMI 的透波特性见表1，聚酰亚胺的介电常数为3.4，介电损耗角正切值为0.002。

表1 聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）的透波特性[13]Table 1 Wave-transparent characteristics of PMI[13]

2 箱体的结构设计

透波箱体结构设计需要考虑2 点：1）要实现良好的隔热效果，保证箱内温度可以在-150～150 ℃范围内以一定的升降温速率变化；2）升降温过程中箱体要能够承受巨大的压力，该压力值须在箱体材料安全范围内。

试验箱体设计要求箱内环境能够满足要求的升温与降温速率，并保证温度均匀性；箱体内部温度达到试验所需值后，需要在使用时间内保持箱体内部稳定的流场与温度场，即要求试验箱体必须具有良好的密闭性和保温性。实验过程中对产品降温时，液氮进入透波温箱内，以1∶696 的比例迅速膨胀为氮气，而温箱内压力会导致箱体的结构形变，但如果箱体采用高强度金属框架，即使选用的是非铁磁性的材料，仍会导致箱体的PIM 性能和透波性能下降，因此，采用完全的介质材料是确保温度、PIM性能和透波性能同时满足要求的最佳选择。针对箱体耐压、耐热疲劳的要求，本文采用了内、外箱体PMI 和聚酰亚胺材料弹性嵌套的结构方式，兼取聚酰亚胺材料保温性能优良和PMI 材料强度高的特点，以克服单一介质材料保温性能差、抗压能力弱的缺陷。通过对材料不同厚度下的力学特性分析，最终确定箱体材料规格为85 mm 厚的PMI 及50 mm厚的聚酰亚胺，以确保无源互调温箱箱体结构合理、满足力学安全裕度要求。

根据PMI 和聚酰亚胺的力学特性，将PMI 选作透波温箱的外部框架，以保证温箱箱体的结构强度和隔热性能，将聚酰亚胺敷在箱体内侧用于保温。对这2 种材料组合后的透波性能在典型频点下进行测试，得到如表2 所示的实测数值。

表2 材料组合后的透波性能实测数值Table 2 Test result of wave-transparent characteristics of assembly material

从表2 可以看出，PMI 板和聚酰亚胺都具有良好的透波性能，聚酰亚胺的透波性能更优，2 种材料组合后的总插损＜1 dB，完全满足高低温试验系统对温箱箱体材料透波性能的要求。

3 箱体的力学特性分析

采用有限元结构分析软件对箱体力学特性进行分析，PMI 材料采用梁单元、聚酰亚胺材料采用壳单元模拟，螺钉连接及2 种材料的接触在骨架的十字交叉点用多点约束方程及MPC（multipoint constraint）模拟，箱体内部压力取0.002 MPa。温箱箱体的有限元结构模型如图1 所示。

图1 温箱箱体有限元结构模型Fig. 1 Finite element structural model of the temperature test box

力学特性分析计算中的参数取值如下：PMI 泡沫板材料厚度85 mm，弹性模量70 MPa，剪切模量19 MPa，泊松比0.37，拉伸强度1.9 MPa，压缩强度0.9 MPa，密度52 kg/m；聚酰亚胺材料厚度50 mm，弹性模量2 MPa，泊松比0.3（弹性模量和泊松比为假设值，因为该材料很软，对计算结果基本无影响）。实际高低温无源互调试验开展过程中，温箱箱体除了满足温度和低互调要求，还要保证试验过程的安全可靠，故依次对所设计箱体结构的PMI 框架、聚酰亚胺材料和组合箱体开展应力分析，计算结构的安全裕度，结果如图2～图4 所示。可以看到：PMI 框架承受的压力（4.49 MPa）远远大于聚酰亚胺材料承受的压力（0.506 MPa），因此只需要重点考虑PMI 框架的受力；组合后的箱体实际承受的应力最大为18.2 MPa，此时箱体的形变为7.67 mm。该形变量满足材料安全使用要求，不影响箱体使用中的测试结果。

图2 PMI 框架应力云图Fig. 2 Stress nephogram of the PMI frame

图3 聚酰亚胺材料应力云图Fig. 3 Stress nephogram of the polyimide

图4 组合箱体形变云图Fig. 4 Deformation nephogram of the assembly box

如前所述，箱体的结构强度分析主要针对PMI板承受的压力。液氮进入温箱膨胀后的箱内压力最大为0.002 MPa，测试得到最大箱内压力下箱体实际承受的最大应力为18.2 MPa。则箱体的安全裕度为

式中：为许用应力；为实际应力；为安全系数，=/，为极限应力。PMI 板的弯曲强度为45 MPa，安全系数取为1.5，则可计算得到箱体结构PMI 板的安全裕度为0.648，说明本文的箱体结构设计满足力学抗压要求。

4 箱体热应力分析

星载天线在轨工作时，电磁场和热场之间存在耦合作用，由于电磁损耗，天线中大功率微波的传输会在微波部件内部产生热效应，包括电阻性损耗和磁性损耗，

其中：为电流密度；为电场能量；为磁通量密度；为磁场能量。

此外，在飞行过程中，天线受到自身结构遮挡以及外界热流变化等因素的影响，导致结构温度变化频繁且变化幅度较大，因此天线结构极易出现热应力和热膨胀现象，进而发生变形，这种形变会导致金属接触发生变化，进而产生接触非线性导致的PIM。结构由于温度变化产生的应变量为

式中：为结构材料热膨胀系数；为部件温度；为应变参考温度。

热应力的产生与温度变化和约束有关，结构由于温度变化而发生自由变形时，并不会产生热应力；当自由形变受到约束，温度不同的相邻部位在约束下不能自由伸缩时，就会产生热应力。本文所设计的新型透波温箱的主要功能是在高低温环境开展天线的低互调测试，天线安装在透波高低温箱体中测试，如果箱体的形变量大，会影响到箱体的结构安全，同时导致天线的安装位移，影响测试结果。因此，由介质材料构成的箱体需要保证热应力和保温性能同时满足要求。

温箱采用的新型透波材料在降温的过程中受到-196 ℃液氮的温度冲击，故须对2 种箱体材料的耐温能力和热膨胀系数是否匹配进行热应力分析。根据试验要求，透波温箱的温度控制范围是-150～150 ℃，实际工作环境温度达到-180～180 ℃，并且在高低温下保温时长需≥1 h。PMI 板的耐温范围是-160～180 ℃，聚酰亚胺的耐温范围是-269～250 ℃，故可通过双层保温设计，主要由内层聚酰亚胺材料保证箱体的耐温和保温性能。

聚酰亚胺内壁温度为-150 ℃时，经过聚酰亚胺隔温其外壁温度升高到-113 ℃，再经过PMI 板的隔温，箱体外壁温度接近室温。仿真得到低温下的温箱箱体形变云图（图5），可以看到最大形变为20.22 mm。

图5 低温下的温箱箱体形变云图Fig. 5 Deformation nephogram of the box at low temperature

聚酰亚胺内壁温度为150 ℃时，经聚酰亚胺隔温，其外壁温度降至112 ℃左右，再经过PMI 板的隔温，箱体外壁温度接近室温。仿真得到高温下的温箱箱体形变云图（图6），可以看到最大形变为17.85 mm。

图6 高温下的箱体形变云图Fig. 6 Deformation nephogram of the box at high temperature

由图5 和图6 可以看到，高、低温下的最大应力形变发生处即箱体的受力薄弱环节是通道接口和箱门处，分析可得这2 处的受力分别为0.407 MPa和0.372 MPa，继而可由式(1)计算得到箱体的安全裕度为0.106，虽满足使用要求，但安全裕度较小，在实际施工时须针对管道进行特殊加固。

5 无源互调温箱箱体测试与验证

无源互调透波温箱箱体研制完成后，对其进行温度和无源互调性能测试。实测显示，箱内温度最高达到150.2 ℃，最低达到-149.8 ℃，满足技术指标要求的温度范围（-150～150 ℃）；经历4 次高低温循环（-20～90 ℃）测试，温箱箱体的PIM 性能基本稳定优于-150 dBm（双波25 W×2，7 阶），如图7 所示，满足设计指标要求。

图7 箱体PIM 性能测试曲线Fig. 7 The tested PIM characteristic curve of the box

6 结束语

为设计一款可以用于高低温无源互调测试的温箱箱体，本文从抗压、耐温和透波性能三方面考虑，选用2 种介质材料——聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）和聚酰亚胺作为透波材料，设计嵌套结构箱体，并针对关键的力学承压进行分析计算，在箱体制作完成后对其保温性能开展测试验证，结果满足设计指标要求。

设计研制过程中存在后续需要注意和解决的问题有：

1）箱体PMI 材料在高、低温下的最大应力分别为0.407 MPa 和0.372 MPa，对应的薄弱环节均位于通道开孔处，且经过计算安全裕度较小，已接近于0，实际工程中需要采取必要的加固工艺措施，降低结构损伤风险。

2）透波箱体采用双层保温设计，内层聚酰亚胺可保证透波材料的温度耐受范围和保温性能，外层PMI 板可保证箱体结构强度和透波性能。但需要注意，内层聚酰亚胺在长期使用中存在微小泡沫颗粒污染产品的风险，需要进行洁净度处理和设计，以满足航天产品对洁净度的要求。

本文设计的透波温箱已在星载天线馈源、金属网反射面等辐射类高低温无源互调试验中得到应用，随着工程应用的要求发展，未来对透波温箱箱体有大尺寸需求时，还需探索新材料和新工艺设计。