宇航微波开关研究现状及发展趋势

姜立伟,李志鹏,杨 军

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

空间技术发展越来越快,卫星功能越来越复杂,微波开关作为航天器有效载荷的基本产品之一,主要功能是进行微波通道切换,将固定数量的硬件通过开关的环备份,实现更多的连接状态,当部分硬件发生故障时,通过微波开关的状态切换,将系统中备份的硬件替代故障硬件。通过对转发器系统中的接收机、高功率放大器等高失效率的产品使用微波开关进行备份,将大幅提升系统的可靠性。随着高通量卫星通信技术的持续发展,微波开关单星使用数量将达到两千只以上。

微波开关根据射频通道的类型可划分为波导型微波开关和同轴型微波开关;按照功率容量可划分为大功率微波开关和低功率微波开关;按照驱动方式可划分为随机切换式微波开关和顺序切换式微波开关。

近年来,国内外宇航微波开关发展取得了长足进步,文章首先对宇航微波开关的研究现状进行了调研,其次对宇航微波开关的关键技术进行了总结,最后通过各类航天器对微波开关需求的分析,总结得出微波开关的后续发展趋势。

1 宇航微波开关研究现状

国际上具备宇航微波开关研制能力的公司主要是加拿大COM DEV公司、法国RADIALL公司、德国TESAT公司,其中COM DEV公司具备同轴型[1-3]、波导型[4-5]微波开关的全规格微波开关研制能力;法国RADIALL公司研发侧重点为各类同轴型微波开关;德国TESAT公司则将研发精力更多的集中在各类波导型微波开关[6-7]。

国内从事宇航微波开关研制的单位主要是中国空间技术研究院西安分院[8-9]、北京航天电子技术有限公司[10-11]。

图1和图2为加拿大COM DEV公司产品图片;图3为法国RADIALL公司产品图片;图4为德国TESAT公司产品图片;图5为中国空间技术研究院西安分院产品图片。

图1 加拿大COM DEV公司波导开关

图2 加拿大COM DEV公司同轴开关

图3 法国RADIALL公司同轴开关

图4 德国TESAT公司波导开关

图5 中国空间技术研究院西安分院微波开关

1.1 各类型微波开关工作频率

各类型同轴微波开关工作频率主要由射频接口形式决定,SMA接口微波开关工作频率覆盖50 MHz～18 GHz,TNC接口微波开关工作频率覆盖50 MHz～6 GHz,各类型波导开关根据各频段波导接口的尺寸决定,通过技术发展,基本满足了波导单模推荐带宽的全频段工作能力,如表1所列为各种接口类型微波开关工作频率汇总。

表1 各种接口类型微波开关工作频率

1.2 微波开关组成

宇航微波开关主要由射频部分、驱动部分、遥控遥测部分和壳体组成。射频部分的功能为射频信号的传输和切换;驱动部分的功能为射频切换提供驱动力;遥控遥测部分的功能为接收控制指令并返回开关当前所处射频工作状态的遥测信号。

1.2.1 同轴型微波开关组成

同轴型微波开关射频部分由射频连接器、射频内导体、外导体组成。射频通道为带线结构,端口阻抗为50 Ω,通过阻抗匹配设计实现射频信号在较宽频带内的传输。

宇航同轴型微波开关一般选用磁保持式开关,该类开关驱动机构为驱动绕组和永磁体构成[12]。可在指令信号切断后,保持射频信号导通在期望工作状态上。

遥控遥测部分电路如图6所示,主要由二极管和遥测触点构成。当开关状态完成切换时,对应遥测触点导通,输出开关位置状态遥测信号[13]。

图6 RADIALL公司同轴开关

1.2.2 波导型微波开关组成

波导型微波开关射频部分由射频转轴和射频壳体组成,波导开关4个射频接口位于射频外壳的4个面,射频转轴受驱动机构驱动在射频壳体内部转动,实现射频信号的传输与切换,波导开关结构如图7所示[14]。

图7 波导开关结构示意图

与同轴型微波开关类似,宇航波导型微波开关一般也采用磁保持式,驱动机构由驱动电机和轴承组成,驱动电机提供切换力矩,轴承对转轴和电机转子起到支撑作用,同时通过定位永磁体实现状态保持。

波导开关遥控遥测部分一般由遥测触点和触点驱动机构组成[15]。

1.3 各类型微波开关功率容量

为了适应宇航特殊环境的使用要求,大功率宇航微波开关功率容量一般包括微放电功率容量、真空功率耐受容量、低气压放电功率容量以及常压功率容量。

卫星有效载荷系统位于功率放大器输出端的微波开关均有功率要求,该要求一般与功率放大器的输出功率相关。系统设计时追求传输信号的高质量,同时随着真空功率器件研制能力的快速发展,输出功率也越来越高,因此对微波开关的功率容量也提出了更为严苛要求。如表2所列总结了目前各类型微波开关在各个频段的功率容量。

表2 各类型微波开关功率容量

2 宇航微波开关关键技术

由于空间环境使用要求的特殊性,给微波开关在空间环境应用带来了多个难题,其中最突出的是真空环境特有的大功率微放电效应、长寿命要求和高通用性要求等。

2.1 大功率微放电阈值仿真分析

大功率微波器件在真空环境下所发生的电子击穿效应被称为二次电子倍增或微放电[16]。

在微波开关射频系统中,两极板之间的电子在射频场的正半周中向一个极板加速撞击,若在电场通过零点时,电子正好击中腔体,产生二次电子,且在负半周内加速回到另一面腔体,如此不断地持续下去,当达到稳态平衡时,腔体表面发生了微放电。两腔体表面间发生微放电效应有两个条件:(a)两表面间电子渡越时间要是射频场半周期的奇数倍;(b)电子的自由程必须大于两表面间的距离。抑制微放电效应是设计微波开关的重点问题,也是公认的难点问题。为了解决这一问题,在设计时必须采取相应的措施来同时阻断上述两个条件的产生。

(1)传输通路间隙尺寸

由微放电机理可知,开关的放电阈值与腔体表面间隙尺寸直接相关[17]。当导体之间的间隙加大时,可有效提升开关微放电阈值。这是因为随着间隙的不断增大,电子的渡越时间将大于射频电压的半周期,从而限制微放电的生产条件,降低微放电现象的发生概率。因此在进行大功率微波开关射频通道设计时,应尽量增加表面间隙尺寸,降低微放电阈值。

(2)基体材料及涂覆层

选取适当的导体表面材料或表面镀层材料,是提高产品微放电阈值的另一有效手段[18-19]。这主要是由于不同材料具有不同的二次电子发射系数,当某种材料的二次电子发射系数比较小时,自由电子在射频电压的作用下与腔体表面发生撞击时,不易产生二次电子,因此也就不易发生微放电问题,用这种材料形成的射频通路,在其他条件一样的情况下也就具有更高的阈值功率。

(3)导体表面状况

良好的表面状态也有助于提高产品的微放电阈值,这是由于导体表面状况对器件微放电效应的影响主要有两个方面:一是表面平滑度的影响。当导体表面不平滑,存在较多微观毛刺时,这些微观毛刺上会聚集大量的电子,极易形成微放电效应;二是表面污染的影响。当导体表面存在污染物时,微放电效应将在一个较低的阈值上发生。这是因为污染物减小了二次电子发射所需的原子能级。此时放电可以是微放电效应,也可能是局部的电离放电。因此表面平滑度和污染状况均是影响微波系统放电的重要因素。

(4)射频载波功率

当微波开关射频传输通路结构设计确定之后,产品微放电阈值便也就确定下来了。当载波功率大于阈值后,射频通道内部薄弱点会发生局部放电情况。因此在设计时,要保证射频系统微放电阈值功率远大于工作时载波功率。以防止实际产品在加工及使用过程中可能造成的实际承受功率的下降。

利用三维电磁场仿真软件对射频通道进行电场分析,并根据分析结果对边缘形状、缝隙大小进行调整,提高射频通道微放电阈值功率,通过使用仿真软件进行微放电仿真,可以准确预估开关的微放电阈值。

图8为中国空间技术研究院西安分院设计的同轴型大功率T型微波开关微放电仿真模型;图9为仿真结果。输入频率为S频段,输入功率为600 W,由结果可以看出,随着时间的推移,激发的二次电子数量不断减小,直至减少为零。表明产品未发生微放电现象,具备600 W功率能力。此外,该产品已通过600 W的功率考核试验,产品性能达到国际先进水平。

图8 大功率T开关微放电仿真模型

图9 大功率T开关微放电仿真结果

2.2 宽频带仿真设计

产品的通用性是星载产品的重要特点,该特点有助于减少产品种类,提高系统可靠性。为了实现微波开关通用性,微波开关需要具备在较宽的射频频带内工作的能力。通常情况下,微波开关的宽频带特性是通过阻抗匹配实现的。

以同轴T型微波开关为例,该型微波开关的射频部分由射频腔体、射频盖板以及射频通道内导体和射频连接器构成,仿真模型如图10所示,仿真结果如图11所示。

图10 小功率T开关仿真模型

图11 小功率T开关仿真结果

射频通道内导体在驱动机构的作用下闭合或分离。为了保证端口好的驻波比,需考虑射频连接器与射频通道内导体、射频通道内的限位介质等位置的不连续性,以及介质介电常数可能存在的频漂等因素,综合设计匹配结构。此外,为了保证端口之间的高隔离度,对内导体的平面度提出了相应工艺要求。目前,同轴T型微波开关的工作带宽通常可达到30 GHz以上。

2.3 驱动机构仿真分析

驱动机构决定了微波开关切换过程中的各项关键性能,包括切换门限电压、工作电流、切换时间等,也是微波开关在空间环境长寿命工作的关键因素。

利用仿真软件可对微波开关的驱动机构进行建模仿真,得到驱动机构的各项仿真数据。为了保证驱动机构的高可靠性,在设计时需合理设计驱动电机、负载等之间的配合关系,将微波开关的可动作电压设计在合理范围之内,同时尽可能地降低工作电流和减少切换时间,保证产品高效稳定切换。

图12为驱动机构中步进电机的三维仿真模型,电机由定子、转子构成,定子一般由定子铁芯和绕组构成,转子材料一般为永磁材料。

图12 电机模型

图13为电机力矩仿真曲线图,该电机步进角为45°,最大保持转矩为35 mN·m。

图13 电机力矩仿真结果

图14、图15分别为电机三维磁力线分布图、磁密分布图,从图中可以看到磁力线和磁密分布情况。

图14 电机三维磁力线分布

图15 电机磁密分布

通过仿真时输入不同的激励信号,可以得到电机力矩变化曲线。

同时对微波开关驱动机构进行建模仿真,可得到微波开关的各项仿真数据,图16为微波开关仿真模型,图17为微波开关门限电压仿真结果。

图16 微波开关仿真模型

图17 驱动门限电压仿真结果

3 发展趋势展望

3.1 高频段

频率越高,可用的带宽越宽,频率资源越丰富,因此卫星有效载荷的工作频段也在不断提高,在可预见的未来,W波段将成为载荷应用的主流。

为适应发展趋势,部分厂家已开展了相关的技术储备和产品开发工作。如图18、图19所示为中国空间技术研究院西安分院研制的W波段产品图片和产品性能。

图18 BJ620波导R型开关

图19 BJ900波导型开关

3.2 高功率

卫星载荷传输功率越来越高,对高功率微波开关的研究越来越深入[20-22]。传统应用中,通信卫星转发器分系统大功率微波开关位于行波管放大器输出端,对实现进行备份功能,系统框图如图20所示。

图20 传统转发器原理框图

与此同时,随着载荷功能多样化,大功率微波开关有时会使用在功率合成后端,用于切换发射天线,对微波开关的功率容量提出了更高的需求,需要达到以前数倍的功率容量,系统框图如图21所示。

图21 微波开关位于功率合成后系统框图

3.3 小型化、轻量化

随着高通量卫星技术的飞速发展,单星微波开关使用量日趋增大,目前最多可达单星2 000余台,因此对开关的轻量化和小型化提出了更高要求,以期节省发射资源。2018年,加拿大COM DEV公司推出了第三代波导型微波开关,体积重量较上一代产品明显减小,如图22所示。

图22 COM DEV公司小型化产品

2019年,中国空间技术研究院西安分院也推出了新一代轻小型化波导微波开关,产品体积、重量较上一代产品减小了1/3,在载荷产品数量越来越多的情况下,该类产品具有很强的竞争力,如图23所示。

图23 中国空间技术研究院西安分院小型化产品

3.4 集成化

集成化是微波开关发展的另一个主要趋势,其一是微波开关组合成微波开关组件,如图24、图25所示,该类产品要求微波开关结构外形设计便于集成;其二是微波开关以组件形式存在,如图26、图27所示。集成化微波开关产品是近年来发展的重要方向,多个厂家给出了不同的解决方案。图24为加拿大COM DEV公司第二代开关矩阵集成产品,图25为法国RADIALL公司第二代开关矩阵集成产品,图26、图27为中国空间技术研究院西安分院第二代开关矩阵集成产品[23]。

图24 加拿大COM DEV公司开关矩阵集成产品

图25 法国Radiall公司开关矩阵集成产品

图26 中国空间技术研究院西安分院同轴开关集成产品

图27 中国空间技术研究院西安分院波导开关集成产品

4 总结

首先,本文对宇航用微波开关的研究现状进行了详细的调研和论述,分析了国内外多家宇航公司微波开关产品的形态和发展趋势,梳理了目前宇航微波开关的主要功能性能,包括功能类型、工作频率、功率容量等;其次,对宇航微波开关大功率微放电阈值仿真分析、宽频带仿真及驱动机构仿真分析3大关键技术进行了分析并提出了解决方案;最后,结合卫星载荷发展趋势和微波开关宇航应用趋势,在高频率、高功率、轻小型化和集成化4个方面对宇航微波开关的发展方向进行了展望。