應(yīng)用水冷散熱的多通道星載SAR熱真空試驗(yàn)設(shè)計(jì)

杜劍波 朱明月 高何 劉杰 于海鋒 彭虧 王梓名 袁興武

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094) (2 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)(3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094) (4 中國電子科技集團(tuán)公司第九研究所，四川綿陽 621000)

隨著星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，SAR衛(wèi)星成像分辨率已進(jìn)入亞米級(jí)時(shí)代，并呈現(xiàn)出寬幅成像實(shí)用化的趨勢[1-5]。相應(yīng)的，為保證高分辨率SAR的噪聲等價(jià)后向散射系數(shù)(NESZ)滿足指標(biāo)要求，SAR載荷需要具備更大的功率孔徑平方積。一方面，由于星載SAR孔徑大小由成像分辨率、模糊度和測繪帶寬等指標(biāo)共同約束，常采用增加SAR載荷峰值輸出功率的方法增大功率孔徑平方積；另一方面，反射面天線體制星載SAR增益高、功率大，且具有方向圖穩(wěn)定、旁瓣低的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)聚束等高分辨率SAR成像的一種重要實(shí)現(xiàn)途徑。現(xiàn)階段，反射面天線體制星載SAR成像模式不斷增加[6-7]，SAR天線通道數(shù)目也隨之不斷增多。因此，大功率、反射面天線體制多通道星載SAR是高分辨率SAR衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)重要方向。

星載SAR在進(jìn)行熱試驗(yàn)測試時(shí)，地面測試設(shè)備需要具備與星載SAR載荷行波管放大器同等量級(jí)的功率耗散能力[8-9]，常采用罐外風(fēng)冷負(fù)載的散熱方法。該方法使用耐受功率較高的波導(dǎo)作為熱真空罐內(nèi)的地面載荷傳輸通道，將星載大功率SAR信號(hào)引出至罐外風(fēng)冷負(fù)載進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。傳統(tǒng)單饋源反射面星載SAR僅使用單路成像通道，不存在通道幅相差異問題。然而，對(duì)于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR，如果仍采用上述風(fēng)冷散熱方式，則長距波導(dǎo)將面臨應(yīng)力釋放困難和空間分布獨(dú)立的難題，從而使多通道幅相一致性難以保證，引起SAR載荷測試成像質(zhì)量惡化的問題[10-14]。同時(shí)，在熱真空環(huán)境中，長距波導(dǎo)還面臨大功率傳輸時(shí)微放電隱患較大、可驗(yàn)證性低的問題。因此，傳統(tǒng)罐外風(fēng)冷散熱測試方法已不再適用于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR熱試驗(yàn)，需要研究新的熱真空試驗(yàn)測試方法。

與風(fēng)冷散熱技術(shù)相比，水冷散熱技術(shù)具有冷卻效率高、散熱負(fù)載體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電力電子等行業(yè)中[15-16]。本文根據(jù)反射面體制多通道星載SAR的技術(shù)特點(diǎn)，將水冷散熱方式引入星載SAR熱試驗(yàn)測試，以此為基礎(chǔ)，針對(duì)熱試驗(yàn)測試的通道幅相一致性和測試安全性問題，設(shè)計(jì)應(yīng)用水冷散熱體制星載SAR熱真空試驗(yàn)方案，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星熱試驗(yàn)多通道寬幅成像測試，并降低微放電等安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 熱真空試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案

1.1.1 測試模式

星載SAR熱試驗(yàn)期間，SAR分系統(tǒng)與數(shù)傳分系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺(tái)，以及由地面測試設(shè)備、快視成像處理器等組成水冷散熱星載SAR測試系統(tǒng)，共同完成熱試驗(yàn)測試。星載SAR熱試驗(yàn)測試主要包括信號(hào)測試和成像測試2種模式，熱試驗(yàn)過程中通過信號(hào)測試設(shè)備和回波模擬器的切換分別實(shí)現(xiàn)對(duì)星上SAR載荷各成像模式下發(fā)射信號(hào)特性及主要成像指標(biāo)的分時(shí)驗(yàn)證。

在進(jìn)行熱試驗(yàn)SAR載荷信號(hào)測試時(shí)，天線饋源處波導(dǎo)發(fā)射大功率線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)，經(jīng)過星地延長波導(dǎo)、耦合器后，信號(hào)絕大部分功率被耦合器后端的水冷負(fù)載吸收。同時(shí)，耦合器的耦合LFM信號(hào)分別經(jīng)過熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜、罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜后連接測試設(shè)備，通過SAR信號(hào)特性測試，檢查發(fā)射機(jī)功率、脈沖重復(fù)頻率等SAR電子設(shè)備的電氣功能和性能。

在進(jìn)行熱試驗(yàn)SAR載荷成像測試時(shí)，回波模擬器首先接收星載SAR載荷發(fā)射的同步信號(hào)及觸發(fā)信號(hào)，然后根據(jù)星地距離、載荷參數(shù)計(jì)算收發(fā)延時(shí)，模擬生成SAR回波信號(hào)。該回波信號(hào)經(jīng)過罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜、熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜、熱真空耦合器后上行至SAR天線饋源處波導(dǎo)，為SAR電子設(shè)備的成像處理及記錄處理提供模擬回波信號(hào)，經(jīng)過數(shù)傳下傳和快視成像后，對(duì)成像結(jié)果的二維分辨率、旁瓣比等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證SAR收發(fā)處理系統(tǒng)和成像算法的正確性。

1.1.2 測試系統(tǒng)

根據(jù)前述分析，設(shè)計(jì)應(yīng)用水冷散熱體制的星載SAR熱試驗(yàn)測試系統(tǒng)(簡稱“水冷散熱測試系統(tǒng)”)。系統(tǒng)主要包括射頻信號(hào)傳輸和水冷循環(huán)散熱兩大部分，本文重點(diǎn)針對(duì)星載SAR射頻信號(hào)傳輸部分進(jìn)行研究，對(duì)通用性較強(qiáng)的水冷循環(huán)散熱部分不作分析。

在系統(tǒng)組成方面，水冷散熱測試系統(tǒng)主要分為熱真空罐內(nèi)和熱真空罐外設(shè)備兩部分，見表1。其中：罐內(nèi)設(shè)備主要由星地延長波導(dǎo)、熱真空耦合器、波同轉(zhuǎn)換、水冷負(fù)載和熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜組成；罐外設(shè)備主要包括罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜、測試設(shè)備、SAR回波模擬器及快視處理器。

表1 水冷散熱測試系統(tǒng)組成Table 1 Test system composition using water-cooling heat dissipation

在系統(tǒng)設(shè)備連接關(guān)系方面，熱真空耦合器射頻信號(hào)輸入口與星載天線饋源處波導(dǎo)之間通過星地延長波導(dǎo)連接。熱真空耦合器的射頻輸出直通口與大功率水冷負(fù)載連接，由水冷回路對(duì)大功率水冷負(fù)載吸收的直通信號(hào)進(jìn)行散熱冷卻；耦合器的射頻耦合口經(jīng)熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜連接至熱真空罐壁的穿墻波導(dǎo)入口，并傳輸至熱真空罐外。在熱真空罐外，罐外穩(wěn)幅穩(wěn)相射頻電纜將熱真空罐壁穿墻波導(dǎo)和測試設(shè)備、SAR回波模擬器相連接，分別用于SAR載荷信號(hào)質(zhì)量測試和快視成像驗(yàn)證。水冷散熱測試系統(tǒng)連接原理如圖1所示。

圖1 水冷散熱測試系統(tǒng)連接原理圖Fig.1 Test system connection schematic using water-cooling heat dissipation

圖1中，數(shù)傳分系統(tǒng)同樣采用水冷散熱方式。類似于SAR分系統(tǒng)，數(shù)傳分系統(tǒng)在水冷負(fù)載前端耦合出下行信號(hào)，將星載SAR成像信號(hào)編碼傳輸給SAR快視處理服務(wù)器，用于成像指標(biāo)分析。由于數(shù)傳分系統(tǒng)在水冷散熱測試設(shè)計(jì)時(shí)沒有多通道幅相一致性要求，在安全性、系統(tǒng)鏈路等方面與SAR分系統(tǒng)相近，因此相關(guān)內(nèi)容不再展開分析。

1.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

對(duì)于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR，熱真空試驗(yàn)的目的是通過模擬空間壓力和熱循環(huán)應(yīng)力，測試在軌極端溫度環(huán)境下星載SAR載荷成像功能的正確性和熱控承受能力，及時(shí)暴露由于元器件、材料、工藝和制造中可能潛在的質(zhì)量缺陷及故障，驗(yàn)證星載設(shè)備的可靠性[8-9]。為此，星載SAR載荷在熱真空試驗(yàn)中要能夠進(jìn)行具有系統(tǒng)性和安全性的滿負(fù)荷功率成像測試，熱試驗(yàn)設(shè)計(jì)也應(yīng)圍繞星載SAR載荷的成像測試特點(diǎn)和測試安全性開展。

1.2.1 多通道成像

對(duì)于反射面體制高分辨率星載SAR，基于多通道的寬幅成像是其重要成像特點(diǎn)。在成像任務(wù)期間，SAR天線系統(tǒng)的多個(gè)饋源會(huì)通過不同的組合方式擴(kuò)大距離向波束，從而在高分辨率成像的同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬幅覆蓋。為了保證高分寬幅成像質(zhì)量，SAR通道之間要具有非常高的幅相一致性。與之相對(duì)應(yīng)，SAR載荷成像測試時(shí)，地面載荷通道的傳輸幅相一致性也會(huì)影響SAR信號(hào)特性和最終成像質(zhì)量。因此，在反射面體制多通道星載SAR熱試驗(yàn)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地面載荷通道的幅相一致性設(shè)計(jì)。

相比于熱真空罐外風(fēng)冷散熱體制，采用熱真空罐內(nèi)水冷散熱體制時(shí)，可在水冷型負(fù)載前端進(jìn)行信號(hào)耦合，使小功率載荷信號(hào)通過高精度穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜與熱真空罐外測試設(shè)備連通和進(jìn)行載荷測試，從而避免多段波導(dǎo)拼接時(shí)應(yīng)力的影響。與此同時(shí)，由于穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜可以集中布設(shè)，其空間分布與波導(dǎo)相比更為集中，熱試驗(yàn)時(shí)各電纜通道的溫度較為接近，溫度差異性對(duì)通道傳輸性能的影響得以降低，從而能夠改善SAR通道幅相差異引起的成像質(zhì)量下降問題。

1.2.2 測試安全性

在高分辨率星載SAR熱真空試驗(yàn)中，由于SAR載荷測試需發(fā)射和傳輸大功率微波信號(hào)，其測試安全性問題對(duì)整星熱試驗(yàn)有較大影響。熱真空試驗(yàn)中真空環(huán)境是與常規(guī)測試環(huán)境最大的不同點(diǎn)，因此，應(yīng)對(duì)真空環(huán)境下載荷大功率測試時(shí)可能發(fā)生的安全問題進(jìn)行分析。

對(duì)于處于真空環(huán)境的大功率微波產(chǎn)品，微放電是影響熱試驗(yàn)安全性的一個(gè)十分重要的因素。當(dāng)微波產(chǎn)品工作功率超過6 dBW并有頻率間隙積在0.6～60 GHz·mm時(shí)，有潛在的微放電風(fēng)險(xiǎn)[17]。此外，產(chǎn)品存在介質(zhì)污染時(shí)更易發(fā)生微放電現(xiàn)象。微放電會(huì)造成微波設(shè)備損壞，從而使測試系統(tǒng)傳輸性能惡化、信噪比下降，甚至徹底無法工作。

對(duì)于熱真空罐內(nèi)的長距波導(dǎo)，其拼接后的物理尺寸使得單獨(dú)的波導(dǎo)微放電試驗(yàn)難以進(jìn)行，無法在熱試驗(yàn)前對(duì)地面設(shè)備的安全性進(jìn)行有效驗(yàn)證。根據(jù)第1.2.1節(jié)分析可知，采用熱真空罐內(nèi)水冷散熱體制時(shí)，可通過信號(hào)耦合的方法，將熱真空罐內(nèi)的大部分波導(dǎo)由熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜替代。相對(duì)于長距波導(dǎo)，熱真空電纜不存在物理尺寸的制約，可以在熱試驗(yàn)前進(jìn)行微放電閾值驗(yàn)證試驗(yàn)，從而確保熱試驗(yàn)的安全性。同時(shí)，熱真空電纜中傳輸?shù)鸟詈陷d荷信號(hào)功率相對(duì)較小，也減小了大功率熱真空試驗(yàn)時(shí)的微放電風(fēng)險(xiǎn)。

除了上述測試設(shè)備微放電問題，還需要注意的是，衛(wèi)星熱試驗(yàn)期間SAR載荷大功率測試時(shí)，熱真空罐內(nèi)測試設(shè)備的溫度波動(dòng)范圍較大。因此，對(duì)于功率容量較大的微波測試設(shè)備，應(yīng)加強(qiáng)熱試驗(yàn)前熱控設(shè)計(jì)和分析，防止其在熱試驗(yàn)期間出現(xiàn)溫度超限問題。

1.3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)前述分析可知，對(duì)于大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR，熱試驗(yàn)測試系統(tǒng)的通道間幅相差異影響SAR成像測試圖像質(zhì)量。同時(shí)，SAR載荷滿負(fù)荷功率測試時(shí)，地面測試設(shè)備在熱真空環(huán)境下的大功率傳輸和散熱特性將影響整星熱試驗(yàn)的安全性。因此，熱試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用水冷散熱體制，圍繞多通道幅相一致性、大功率測試安全性開展。

在星載SAR多通道幅相一致性測試設(shè)計(jì)時(shí)，要從器件特性和溫度影響2個(gè)方面進(jìn)行考慮；在大功率測試安全性設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先從測試系統(tǒng)整體鏈路的角度出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，同時(shí)統(tǒng)籌考慮大功率傳輸和散熱安全性，使設(shè)計(jì)結(jié)果滿足熱試驗(yàn)載荷信號(hào)測試和成像驗(yàn)證的要求。

1.3.1 多通道幅相一致性

根據(jù)SAR載荷測試鏈路校正精度及SAR信號(hào)處理要求，熱真空試驗(yàn)中地面?zhèn)鬏斖ǖ乐g應(yīng)滿足幅度誤差不超過0.6 dB和相位誤差不超過6°的要求。載荷通道幅相一致性要求高，加之熱試驗(yàn)中溫度環(huán)境變化劇烈，給幅相一致性高精度實(shí)現(xiàn)帶來相當(dāng)難度。

在進(jìn)行地面?zhèn)鬏斖ǖ赖姆嘁恢滦栽O(shè)計(jì)時(shí)，遵循幾何一致性和不發(fā)生干涉的基本原則。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)關(guān)鍵是保證各環(huán)節(jié)測試設(shè)備的幅相一致性，減少外界環(huán)境對(duì)測試設(shè)備幅相特性的影響；此外，可以考慮通過分類篩選降低幅相一致性指標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度，相關(guān)分析如下。

1)測試設(shè)備特性

在星載SAR熱真空試驗(yàn)中，地面?zhèn)鬏斖ǖ乐饕蔁嵴婵振詈掀骱头€(wěn)幅穩(wěn)相電纜構(gòu)成。考慮到兩者的尺寸、剛性和溫控特點(diǎn)，在進(jìn)行熱真空試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，將地面?zhèn)鬏斖ǖ赖恼w幅相誤差分解為熱真空耦合器幅相誤差(0.3 dB/3°)和熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜幅相誤差(0.3 dB/3°)兩部分，并留有余量。在水冷散熱熱真空試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分別關(guān)注兩者的幅相一致性，從而使兩者組成的地面?zhèn)鬏斖ǖ婪嘁恢滦灾笜?biāo)滿足前述分析的幅相一致性整體要求。首先，對(duì)于熱真空耦合器，其理論設(shè)計(jì)模型完全相同，并且在產(chǎn)品研制過程中，通過同批次器件材料選取及微波器件加工環(huán)境、時(shí)間的一致性保證，使產(chǎn)品具有較好的幅相一致性。但是在實(shí)際研制過程中，由于加工工藝因素的影響，耦合器之間一定會(huì)存在幅相誤差。因此，需要對(duì)實(shí)際研制耦合器的“輸入-耦合”通道幅相一致性進(jìn)行測試檢驗(yàn)，確保熱真空耦合器間的幅相一致性指標(biāo)達(dá)到或者幅度誤差優(yōu)于0.3 dB，相位誤差優(yōu)于3°。其次，對(duì)于熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜，其距離長，且具有一定彎曲度。因此，除了在電纜研制時(shí)測試其幅相一致性，還需要在熱真空試驗(yàn)現(xiàn)場電纜布設(shè)完成時(shí)進(jìn)行初始相位配準(zhǔn)，保證測試狀態(tài)下熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的幅相一致。此外，由于熱真空試驗(yàn)期間溫度對(duì)熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的影響較大，還應(yīng)采用控溫精度較高的控溫鋁槽對(duì)電纜進(jìn)行溫控，以減少不同電纜通道之間的溫度差異。為縮小控溫鋁槽的熱控范圍，需要對(duì)穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的溫控指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2)多通道分類

為進(jìn)一步降低幅相一致性指標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度，考慮采用多通道分類的方法，按照不同成像模式和對(duì)應(yīng)饋源，縮小幅相一致性指標(biāo)對(duì)通道要求的范圍。星載SAR包括條帶、聚束、掃描、馬賽克等多種成像模式，但各成像模式的天線饋源通道并非完全相同。例如圖1中：SAR載荷條帶和聚束成像時(shí)收發(fā)通道對(duì)應(yīng)SAR天線饋源1～M(M≤P,M≥2)；掃描和馬賽克成像時(shí)收發(fā)通道則對(duì)應(yīng)SAR天線饋源N～P(N≥M，P-N≥2)。因此，可將衛(wèi)星地面散熱系統(tǒng)的P個(gè)SAR載荷通道劃分為兩類。對(duì)于條帶和聚束成像，與星上收發(fā)通道相連的水冷散熱傳輸通道1～M保持幅相一致即可(0.6 dB/6°)；類似的，對(duì)于掃描和馬賽克成像，通道N～P保持幅相一致即可(0.6 dB/6°)。該分類能夠加速研制過程中的產(chǎn)品試驗(yàn)篩選，減小多通道幅相一致性實(shí)現(xiàn)難度。

1.3.2 大功率傳輸及散熱

對(duì)于熱真空罐內(nèi)水冷散熱體制熱真空試驗(yàn)，首先要解決熱真空耦合器和星地延長波導(dǎo)等大功率容量微波測試設(shè)備微放電問題。為減少測試設(shè)備的微放電風(fēng)險(xiǎn)，要在加工工藝方面加強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)，具體措施包括：設(shè)備腔體表面材料處理，確保表面二次電子的發(fā)射系數(shù)較小；提高加工精度，避免腔體和電路出現(xiàn)毛刺、細(xì)絲；無塵環(huán)境裝配，防止腔體內(nèi)部污染以降低微放電閾值。在研制、生產(chǎn)微波測試設(shè)備過程中，進(jìn)行微放電真空環(huán)境試驗(yàn)，以驗(yàn)證微放電防護(hù)性能滿足實(shí)際工作要求，保證星載SAR熱真空試驗(yàn)的安全性。

在解決上述測試設(shè)備微放電問題的基礎(chǔ)上，熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)級(jí)測試設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于大功率射頻傳輸和相應(yīng)的傳輸通道熱控安全。前者主要對(duì)系統(tǒng)鏈路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計(jì)結(jié)果滿足熱真空試驗(yàn)載荷測試要求，并作為約束進(jìn)行設(shè)備安全性設(shè)計(jì)和研制。后者需要針對(duì)傳輸通道中存在的安全影響因素進(jìn)行分析，給出安全測試條件下的熱控溫度范圍，明確設(shè)備在熱真空試驗(yàn)中的可靠性。

1)系統(tǒng)鏈路優(yōu)化

在水冷散熱星載SAR熱真空試驗(yàn)中，測試設(shè)備(如耦合器、穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜)微放電設(shè)計(jì)和熱真空試驗(yàn)的前提是系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)。一方面，穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜中傳輸?shù)鸟詈陷d荷信號(hào)功率相對(duì)于載荷大功率發(fā)射信號(hào)較小，但是熱真空環(huán)境下電纜的耐受功率較低，因此，應(yīng)對(duì)載荷大功率信號(hào)測試時(shí)的下行鏈路進(jìn)行計(jì)算，特別是對(duì)熱真空耦合器耦合度進(jìn)行分析，以確定耦合信號(hào)功率滿足穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜指標(biāo)；另一方面，應(yīng)注意成像測試時(shí)回波模擬器的上行信號(hào)功率有限，需要通過優(yōu)化耦合器耦合度和電纜插損，保證射頻鏈路上行功率滿足SAR載荷成像指標(biāo)要求。需注意的是，成像測試與信號(hào)測試對(duì)耦合器耦合度的要求存在矛盾，兩者相互制約，因此，系統(tǒng)上下行鏈路分析和耦合度參數(shù)優(yōu)化對(duì)熱真空試驗(yàn)較為重要，其結(jié)果不僅影響測試設(shè)備的微放電設(shè)計(jì)，還決定測試設(shè)備是否能夠同時(shí)滿足熱真空試驗(yàn)載荷信號(hào)測試和成像測試的要求。

2)測試設(shè)備熱控設(shè)計(jì)

整星熱真空試驗(yàn)期間，水冷負(fù)載作為大功率熱量吸收設(shè)備，工作時(shí)需要水冷回路循環(huán)散熱。冷卻水正常范圍為15～21 ℃，水流溫度不能隨熱真空罐內(nèi)溫度變化而強(qiáng)烈波動(dòng)。因此，應(yīng)在水冷負(fù)載寬面貼裝加熱片進(jìn)行輔助控溫，并在水冷負(fù)載水冷口和波導(dǎo)口加裝測溫點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)控。

衛(wèi)星平臺(tái)熱真空試驗(yàn)期間，星地延長波導(dǎo)通道溫度范圍應(yīng)保持在-60～+40 ℃。SAR載荷測試時(shí)，特別是在進(jìn)行SAR載荷信號(hào)特性測試時(shí)，星地波導(dǎo)將傳輸峰值功率為千瓦級(jí)的大功率微波信號(hào)，溫度上升較快。因此，星地延長波導(dǎo)表面需要噴涂耐高溫防揮發(fā)漆，以增強(qiáng)波導(dǎo)的散熱性能。

熱真空耦合器的主要散熱方式為輻射散熱，耦合器溫度受其周圍背景溫度影響較大。衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)時(shí)，在耦合器上方布設(shè)有為整星加熱的紅外籠，使得耦合器周圍背景溫度較高。因此，有必要對(duì)熱真空試驗(yàn)期間大功率傳輸工況下的耦合器溫度分布情況進(jìn)行分析，并保證耦合器能夠在該溫度范圍內(nèi)可靠使用。

2 分析驗(yàn)證

2.1 多通道幅相一致性

對(duì)于水冷散熱星載SAR熱真空試驗(yàn)，多通道幅相一致性的關(guān)鍵是保證各環(huán)節(jié)測試設(shè)備的幅相一致性。首先，通過實(shí)測檢查熱真空耦合器幅相一致的指標(biāo)符合性，并根據(jù)熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜相位特性分析熱試驗(yàn)中控溫鋁槽對(duì)穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的溫控范圍。

2.1.1 耦合器幅相一致性測試

為了檢驗(yàn)熱真空耦合器加工工藝是否能夠保證幅相一致性滿足設(shè)計(jì)要求，按照熱真空試驗(yàn)要求試研制兩件耦合器，并進(jìn)行測試對(duì)比分析。以其中件耦合器幅相特性作為基準(zhǔn)，使用相同的測試源、測試設(shè)備和測試環(huán)境，對(duì)另一件耦合器進(jìn)行測試對(duì)照，并得到兩者的相位和幅度差異，測試結(jié)果如圖2所示。可以看出：在測試頻率范圍內(nèi)，熱真空耦合器間的幅度誤差小于0.15 dB，相位誤差小于2.35°，從而證明了加工工藝能夠滿足耦合器間幅相一致性指標(biāo)要求。當(dāng)然，限于試研制僅投產(chǎn)了兩件耦合器，小子樣特點(diǎn)使其具有典型性，但不能代表所有耦合器均能滿足幅相要求。因此，后續(xù)將以此方式為參考，對(duì)研制的耦合器進(jìn)行多組對(duì)照試驗(yàn)和篩選剔除，確保耦合器一致性滿足幅相要求。

圖2 熱真空耦合器幅相一致性測試結(jié)果Fig.2 Test results of amplitude and phase consistency of thermal vacuum coupler

熱真空試驗(yàn)SAR載荷大功率測試時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)造成耦合器及其前端星上延長波導(dǎo)發(fā)生一定形變，從而使測試通道幅相發(fā)生漂移。為保證熱真空試驗(yàn)測試通道間的幅相一致性，在耦合器及波導(dǎo)研制后進(jìn)行一體安裝和測試，獲取不同溫度下的耦合器-波導(dǎo)相位漂移試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)際星載SAR熱真空試驗(yàn)中，可在耦合器及波導(dǎo)上設(shè)置測溫點(diǎn)和加熱片形成溫度閉環(huán)控制，并根據(jù)前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小熱應(yīng)力對(duì)幅相一致性的影響。

2.1.2 熱真空電纜溫控分析

在熱真空試驗(yàn)中，熱真空罐內(nèi)溫度變化大，采用控溫鋁槽對(duì)用于SAR信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)幅穩(wěn)相電纜進(jìn)行集中控溫，可以減少溫度交變對(duì)射頻電纜信號(hào)相位產(chǎn)生的影響。根據(jù)穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜的相位匹配特性，若要將多路熱真空SAR通道電纜相位差異控制在3°以內(nèi)，需要通過控溫保證各電纜的相位變化控制在1×10-5～1×10-4。對(duì)熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜測試得到的電纜相位-溫度變化曲線，見圖3。根據(jù)曲線變化情況，可以看出：當(dāng)電纜溫度保持在30～45 ℃時(shí)，相位特性平坦，各電纜之間的相位差異達(dá)到極小值。同時(shí)，考慮到相位匹配差異有隨機(jī)性，電纜在相位變化控制方面具有可行性，能夠保證多路電纜通道的穩(wěn)幅穩(wěn)相性能。

圖3 穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜相位-溫度變化曲線Fig.3 Phase-temperature curve of amplitude-stable and phase-stable cable

為了使控溫鋁槽內(nèi)溫度穩(wěn)定在30～45 ℃，對(duì)控溫鋁槽進(jìn)行專門的熱控設(shè)計(jì)。首先，控溫鋁槽表面包覆隔熱性能優(yōu)異的雙面鍍鋁聚脂薄膜-疏松纖維等熱控多層隔熱材料，以減少控溫鋁槽內(nèi)外部之間的輻射導(dǎo)熱。由于SAR載荷穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜長度大于控溫鋁槽長度，為減少電纜受外界環(huán)境溫度的影響，在靠近熱沉端設(shè)計(jì)方盤，收納多余長度的電纜部分。最后，對(duì)控溫鋁槽內(nèi)的每根穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜，在其接近法蘭盤端和星端貼裝測溫點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測，并通過鋁槽內(nèi)部裝貼的加熱片進(jìn)行主動(dòng)控溫補(bǔ)償，以達(dá)到閉環(huán)穩(wěn)定控溫的效果。

對(duì)于控溫鋁槽內(nèi)的熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜，與熱真空耦合器連接的電纜入口處峰值功率可達(dá)到數(shù)十瓦，在SAR載荷測試時(shí)發(fā)熱量較大。特別是熱真空試驗(yàn)期間多個(gè)通道同時(shí)傳輸大功率信號(hào)的測試工況，鋁槽內(nèi)的溫度變化較為明顯。因此，需要將穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜在控溫鋁槽內(nèi)均勻布設(shè)，以便于散熱，同時(shí)在電纜入口處加強(qiáng)溫度監(jiān)測，并在熱真空試驗(yàn)期間密切監(jiān)測鋁槽內(nèi)的溫度變化情況，必要時(shí)采取局部加熱補(bǔ)償或者調(diào)整紅外籠等措施進(jìn)行溫度控制。為進(jìn)一步保證熱真空試驗(yàn)時(shí)整個(gè)傳輸通道的幅相一致性，還可考慮基于電纜相位-溫度數(shù)據(jù)包，利用調(diào)相器補(bǔ)償溫度對(duì)電纜幅相特性的影響。

2.2 大功率傳輸及散熱

水冷散熱星載SAR熱真空試驗(yàn)測試系統(tǒng)鏈路，是測試設(shè)備微放電安全性和熱真空試驗(yàn)的前提，需要重點(diǎn)分析討論。同時(shí)，針對(duì)受背景環(huán)境溫度影響較大的熱真空耦合器，結(jié)合熱真空試驗(yàn)載荷大功率測試工況，進(jìn)行熱仿真分析，以驗(yàn)證大功率散熱測試的安全性。

2.2.1 測試系統(tǒng)鏈路分析

熱真空耦合器耦合度同時(shí)涉及測試系統(tǒng)上下行鏈路，其不僅影響電纜的輸入功率和電纜散熱的安全性，而且影響成像測試信號(hào)信噪比和圖像質(zhì)量，對(duì)系統(tǒng)鏈路較為關(guān)鍵。

對(duì)于載荷大功率下行測試工況，發(fā)射信號(hào)峰值功率為千瓦級(jí)，水冷散熱測試系統(tǒng)應(yīng)滿足該量級(jí)功率測試需求。對(duì)于通過熱真空環(huán)境試驗(yàn)篩選的波導(dǎo)類微波無源器件，其耐受功率較高，一般能夠在千瓦條件下安全使用。但是，衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)時(shí)使用的熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜耐受功率較小，一般只有數(shù)十瓦(常溫條件下)，且其耐受功率隨溫度的升高而逐漸降低，與發(fā)射信號(hào)相比相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，耦合器的耦合度應(yīng)達(dá)到15 dB以上。

對(duì)于回波模擬器閉環(huán)成像測試工況，水冷散熱測試系統(tǒng)應(yīng)能夠保證成像測試質(zhì)量。SAR回波模擬器上行信號(hào)最大功率為-30 dBm，星上低噪聲放大器接收到的上行信號(hào)典型功率范圍為-70～-80 dBm，因此，水冷散熱測試系統(tǒng)上行通道的總鏈路衰減不宜超過45 dB。根據(jù)已知的熱真空罐內(nèi)外設(shè)備布局和衰減參數(shù)，可計(jì)算得到傳輸通路其他部分的衰減和約為23 dB，因此耦合器耦合度上限為22 dB。

通過上述分析可知，耦合度設(shè)為20 dB具有可行性。一方面，下行大功率測試時(shí)天線饋源輸出信號(hào)典型峰值功率為60 dBm，因此熱真空耦合器輸出峰值功率約為40 dBm，系統(tǒng)能夠滿足熱真空穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜耐受功率要求；另一方面，回波模擬器輸出典型功率為-30 dBm，上行鏈路總衰減約為43 dB，因此星上低噪聲放大器輸入典型功率約為-73 dBm，也能夠保證閉環(huán)成像測試時(shí)的上行信號(hào)功率需求。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步可得到水冷散熱測試系統(tǒng)鏈路如表2所示，其中耦合器的雙向衰減相同，均為耦合度。

表2 水冷散熱測試系統(tǒng)SAR載荷上下行測試鏈路Table 2 Up and down test links of SAR load in test system using water-cooling heat dissipation

由分析結(jié)果可知，與耦合器前端輸入的大功率SAR載荷信號(hào)相比，穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜中傳輸?shù)鸟詈陷d荷信號(hào)功率降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)，星地延長波導(dǎo)長度也減少為傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱中長距波導(dǎo)的1/10，從而減小了熱真空大功率載荷下行測試時(shí)的微放電風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 大功率工況耦合器熱仿真

由前述分析可知，衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)時(shí)熱真空耦合器與紅外籠位置較近，耦合器背景溫度較高，不利于輻射散熱。為防止耦合器在熱真空試驗(yàn)期間出現(xiàn)溫度超限問題，對(duì)大功率傳輸工況下的耦合器進(jìn)行熱仿真分析，仿真參數(shù)見表3。其中，設(shè)置背景溫度為50 ℃，與星地延長波導(dǎo)接口的溫度為60 ℃，檢查極限背景環(huán)境下耦合器的溫度分布情況。

表3 熱真空耦合器熱仿真參數(shù)Table 3 Thermal simulation parameters of thermal vacuum coupler

圖4示出了耦合器在大功率工況下的穩(wěn)態(tài)溫度分布。可以看出：在極限背景溫度條件下，載荷大功率測試時(shí)的耦合器最高溫度達(dá)到87 ℃，沒有超過耦合器的耐受溫度(100 ℃)，從而驗(yàn)證了載荷大功率工況下的熱真空測試安全性。同時(shí)，仿真結(jié)果中耦合器相對(duì)環(huán)境溫升約37 ℃，該溫升將為熱試驗(yàn)期間對(duì)耦合器和其前端星地延長波導(dǎo)進(jìn)行背景溫控提供參考。

圖4 大功率工況下耦合器熱仿真結(jié)果Fig.4 Thermal simulation result of coupler in high power working condition

3 結(jié)束語

針對(duì)大功率、反射面天線體制多通道高分辨率星載SAR熱真空試驗(yàn)測試需求，本文提出了應(yīng)用水冷散熱體制的多通道星載SAR熱真空設(shè)計(jì)，解決了風(fēng)冷散熱體制中多通道幅相一致性難以保證，以及微放電隱患較大、可驗(yàn)證性低的問題。本文圍繞熱真空試驗(yàn)多通道成像和測試安全性，重點(diǎn)分析了多通道幅相一致性和大功率傳輸及散熱等設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。通過熱真空耦合器幅相一致性測試檢驗(yàn)，以及穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜相位特性和溫控范圍分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道幅相一致性設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。同時(shí)，測試系統(tǒng)鏈路分析和極限工況耦合器熱仿真證明了大功率傳輸及散熱的安全性。本文為星載SAR熱真空試驗(yàn)多通道成像及大功率信號(hào)測試提供了解決方案，能夠滿足星載SAR熱真空試驗(yàn)的通道幅相要求，同時(shí)提高了測試的安全性，可為后續(xù)SAR衛(wèi)星熱試驗(yàn)大功率地面散熱設(shè)計(jì)和測試提供參考。