中国空间大功率微波部件微放电抑制表面处理技术最新进展

材料表面的二次电子发射会触发和维持空间高功率射频器件的共振雪崩放电现象,这种现象又被称为微放电效应。微放电效应是限制空间大功率微波部件应用的关键问题之一。从微放电作用的机理出发,首先介绍了两种微放电类型（单表面与双表面）的基本物理机理;然后总结了当前主流的微放电抑制方法并给出各自应用于空间大功率微波部件时的限制。针对空间大功率微波部件微放电抑制的特殊问题,综述了国内近5年来在表面处理法抑制微放电领域的研究成果并预测了微放电抑制技术的发展趋势。     

星载大功率复杂微波部件微放电效应数值模拟

随着航天器有效载荷技术向高功率、小型化持续发展,复杂结构微波部件微放电数值模拟与阈值分析成为影响微放电分析的基础瓶颈问题。基于电磁时域有限差分计算方法与粒子模拟技术,结合二次电子发射模拟,提出了微放电电磁粒子联合仿真方法,数值模型中考虑了真实电子间的库仑力以及电子运动产生的电荷和电流变化对电磁场的影响,解决了复杂结构微波部件微放电三维数值模拟技术难题。实现了在统一的三维空间网格与时间步进行电磁场值演变计算、电子运动状态变化推进计算与二次电子产额与能量分布计算,基于得到的二次电子数目随时间变化趋势实现了微放电阈值预判,通过微放电电子随时间演化获得了微放电过程具体物理图像及放电位置,并与实际器件微放电实验进行了对比验证。结果表明,所提出的三维电磁粒子数值模拟方法可对大功率微波部件微放电效应的物理过程与具体放电位置进行三维描述,预测的阈值与微放电实验测量值吻合良好,误差小于1.2dB,验证了该方法的有效性与准确性,对于深入研究微放电效应微观物理机制、提高大功率微波部件微放电设计与分析水平具有重要意义。     

基于时域有限差分的微放电仿真算法

为克服传统微放电阈值预测方法建模粗糙、精度低的缺点,提高阀值预测精度和效率,研究了基于时域有限差分的精确微放电阀值预测算法。基于时域有限差分算法和粒子追踪算法,通过时空网格自洽互耦实现复杂结构微波器件微放电阈值准确计算。其中,共形和并行算法是提高微放电仿真精度和效率的关键。文章基于空间蛙跳策略实现了基于时域有限差分的微放电仿真算法,利用算法分析了典型微波器件的微放电阈值,仿真与实验结果吻合良好,误差小于0.3dB;同时,并行效率最高可达83%,验证了算法的准确性和高效性。     

微波超宽带高速数控幅度调节器研制

微波频率源技术中常常要求实现微波输出信号功率电平的高精度、小步进调控。作为频率合成器中的重要组成部分, 微波功率幅度控制器的指标好坏对微波频率合成器的功率性能的优劣有很大影响。随着使用要求的不断提升，频率合成器等设备对带宽、速度的要求也越来越高。本文概述了微波超宽带高速幅度控制的背景及现状，详细介绍了微波超宽带高速数控幅度调节器设计原理、设计方法、实现手段及实现指标等内容。     

微波超宽带高速数控幅度调节器研制

微波频率源技术中常常要求实现微波输出信号功率电平的高精度、小步进调控。作为频率合成器中的重要组成部分,微波功率幅度控制器的指标好坏对微波频率合成器的功率性能的优劣有很大影响。随着使用要求的不断提升,频率合成器等设备对带宽、速度的要求也越来越高。本文概述了微波超宽带高速幅度控制的背景及现状,详细介绍了微波超宽带高速数控幅度调节器设计原理、设计方法、实现手段及实现指标等内容。     

用外接频率变换系统扩展微波相位计的测试频段

现在已有各种相位计产品可供选用。但受测试频段限制而无法作其它频段的相位测试。相位测量中的频率变换系统从原理上可以保证在频率变换过程中保持相位信息不变。因此,利用外接频率变换系统,使待测信号频率变换到能用相位计测量的频段,实现相位计测相频段的扩展。本文分析国产BX-4微波相位计的中频相位数字测量系统的测相性能,提出微波与高频频率两种频率变换系统。当采用商用的微波部件,利用BX-4之中频测相系统,可以测量2GHz至18GHz的微波信号相位。用自制宽频带双平衡混频器,可以测量4MHz至300MHz的高频信号相位。     

“微放电专刊”寄语

正微放电效应是在真空条件下,电子在外加射频场的加速下,在两金属表面间或介质表面上激发的二次电子发射与倍增效应。航天器有效载荷系统中微波部件一旦发生微放电,造成射频输出功率下降,微波传输系统驻波比增大,反射功率增加,信道阻塞,严重时物理损坏微波部件,所在通道有效载荷寿命缩短,甚至导致击穿使得航天器有效载荷失效。     

一种基于探测器下行信号融合处理的无线电干涉测量方法

针对深空探测器常用下行信号体制,结合无线电干涉测量特点,提出了一种基于探测器DOR信标信号和数传信号融合处理的干涉测量方法。该方法首先通过相关处理得到DOR信号和数传信号的差分相位,利用DOR信号进行带宽综合得到时延估计,并构建时延模型;然后,利用时延模型得到DOR信号与数传信号在数传载波处的相位差,并以此对数传信号差分相位进行补偿;最后,利用DOR信号差分相位和补偿后的数传信号差分相位进行带宽综合,实现高精度干涉测量。深空探测网数据处理结果表明融合处理后时延估计随机误差明显降低;但受介质时延误差影响,融合处理对系统时延精度的改善幅度有所减小。该方法仅通过改进干涉测量数据处理方法即实现了时延估计随机误差的改善,不仅提高了信号使用效率,而且增强了航天测控系统的鲁棒性,在应急测控背景下具有特殊意义。     

用于微放电测试的S波段注入锁频磁控管试验研究

针对微放电测试所需大功率微波源的需求,试验研究了一种用于微放电测试的S波段注入锁频磁控管试验方法。基于注入锁频连续波磁控管的理论,试验得到了磁控管的注入锁频带宽与注入比成正比关系。改变阳极电流,得到磁控管输出功率389~1150W。通过注入锁频抑制了磁控管输出信号的边带噪声,提高注入功率拓宽了磁控管的锁频带宽,获得了高达12.6MHz的注入锁频带宽。在同时注入双频参考信号的锁频试验中,观察到了磁控管注入双锁频、杂散抑制功和功率分配的现象。该试验的结果为用于微波大功率微放电的微波源提供了试验依据。     

基于DDMZM的星载微波光子混频器设计

微波部件由于分布式参数的影响，存在一定的频率选择性，难以实现宽带多频段兼容的变频系统，已不能满足高通量星载通信载荷的需求。微波光子技术以其大带宽和无频率选择性的优势为高通量天基通信需求的实现提供了可能性。基于双驱动马赫增德尔调制器(DDMZM）对星载通信转发设备混频单元的方案进行探索，通过理论分析链路模型，使用VPI软件对链路进行仿真优化来寻找DDMZM的最佳偏置点。试验结果表明调制器偏置在最小点时，变频效率高，且具有一定的载波抑制功能，可实现宽带、多频段以及抗干扰等性能，优于微波变频性能。     

宽带LFM信号的线性度测量

介绍了一种采用微波延迟线鉴相的方法对宽带LFM信号的线性度进行测量的装置。在该装置中,使用光纤、电缆实现微波延时,在小波变换的基础上采用相位建模以提高瞬时频率的测频准确度,根据线性调频信号的调频形式建立数学模型,得出了线性度的数学表达式。     

电离层闪烁对导航接收机性能的影响

为定量分析电离层闪烁对接收机环路的影响,利用信号在电离层闪烁影响下的等效传输信道模型,通过数值仿真对比分析了电离层闪烁对接收信号幅度、载波相位、码相位、载噪比和I/Q支路跟踪值的性能影响。结果表明：电离层闪烁会使接收载噪比出现深度的快速衰落,严重时会出现高达5dB的突降,从而显著地影响用户的定位性能;在相同的电离层闪烁强度下,较小的环路带宽会发生较弱的载波相位周跳。     

GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现

为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前-滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性.      

基于通用测控信号的多频点同波束干涉测量

提出利用两个深空航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,实现两航天器的高精度相对测量。对差分相位时延进行理论推导,提出了一种针对两航天器测控信号主载波存在频差情况下的差分时延观测量误差的模型修正方法,并对月球轨道上两航天器间同波束干涉测量地面跟踪测量条件进行了分析。仿真结果表明,利用两航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,经误差模型修正后获取了误差小于皮秒量级的差分相位时延,能为深空航天器间相对导航定位提供高精度的观测量信息。     

大功率微波部件多载波无源互调分析与实验验证

无源互调是通信系统不可避免的问题，随着卫星载荷技术向更高功率、宽频段、高灵敏度接收方向发展，无源互调对通信系统造成的影响更加严重。常用的双载波分析评价无源互调已经不能适用于现代复杂载荷通信系统，提出确定多载波无源互调分布类型分析与计算方法，采用非线性模型计算多载波无源互调功率电平。通过对TNC双阴连接器的分析计算可得到接收频带内产生3个互调频率点，对比非线性模型计算的互调功率电平与多载波实验测量的互调功率电平，3个互调频率点最大误差小于5dB。分析方法有助于大功率微波部件多载波无源互调分析，可为多载波无源互调测量提供参考和依据。     

中日卫星双向时间比对稳定度的测定方法

阿伦方差是频率稳定度的常用测定方法,但它的局限性在于只针对取样间隔相等的情况,而对于取样间隔不等的被测定对象,测定结果会与实际大相径庭.中日时间频率传递数据的取样间隔分别为四天和三天,提出了一种新的测定方法,并将两种方法对中日比对数据在同一时段的频率稳定度做比较,证实了新方法较阿伦方差更适合取样间隔不等的数据稳定度的测定.     

跳频对DS／FH接收机载波跟踪精度影响分析

面对日益复杂的电磁环境,将DS/FH混合扩频技术引入航天测控领域是一种尝试.针对DS/FH信号的特点,推导了航天测控背景下的DS/FH混合扩频系统接收机关键节点的数学模型,分析了航天测控应用中由于DS/FH混合扩频信号的相邻跳频频率不同导致附加在载波上的多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对混合扩频接收机捕获跟踪的影响,重点分析了载波多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对接收机载波跟踪精度的影响;提出了一种减小由于跳频载波初始相位不确定造成相关累积能量损失的方法,并利用跳频图案辅助降低了跳频对混合扩频接收机载波跟踪精度影响,仿真验证了该方法的有效性.     

导频脉冲载波频率的快速捕获与跟踪

针对短时导频脉冲载波频率的同步问题,提出一种快速捕获和跟踪方法.该方法采用相位推算法进行快速载波频率初估计,完成频率的捕获.相位推算法首先利用最小二乘法估计实采样点的相位,再应用相位解卷、一元线性回归和最小二乘法拟合求取信号频率的估值,其测频精度优于常用的Prony算法,在高信噪比情况下逼近实正弦信号的Cramer-Rao界.应用数字下变频和Kay算法实现频率的跟踪,通过建立仿真模型,验证其跟踪精度优于叉积自动频率控制环.在给出的设计实例中,对于脉宽为1ms的导频脉冲,在信噪比大于13dB的情况下,环路频率跟踪的最大误差小于3Hz.      

基于时空和时相关系的时频处理方法

随着导航定位、空间技术、计量、精密时频测控包括各种量子频标的发展,对特高分辨力的时间测量和处理以及高频率的点频信号测量提出了更高要求。针对这方面的问题可以采用以信号稳定传输现象为基础以及相位变化规律存在于任意频率信号之间等特性达到高精度测量的目的。基于信号传播的稳定性,根据时间和空间之间的关系,通过建立针对性的传输通道把被测量的时间间隔与相应的路径上的延迟时间拟合进行测量。能够把被测量的时间间隔,尤其是短时间间隔量在空间的方向上展开通过对相应长度量的测量和处理算出被测量。作为对短时间间隔的测量结果,它可以成为传统多种技术的替代品,并且成为大量频率、周期和时间间隔测量技术与仪器精度进一步提高的关键手段。这项工作与传统的时—空关系的认识及利用结合更有利于对于时间、传输、空间的联系、单位的相关性等的理解进一步深化。另一方面,在频率信号之间基于最小公倍数周期会周期性地出现信号间相位重合的情况。这样在时间轴上,可以按照时间的延伸周期性地出现代表随着时间而进行的最小公倍数周期间隔的重合标志。在此基础上调整来自同一参考源的两个频率信号的频率关系,就能够调整时间轴上的时间标记。因此,基于上述频率信号特征的时间传输和处理技术可以实现建立在频率信号特性基础上的时间信号的形成、传递和处理等问题。     

基于预设载波的随机开关频率调制方法

现有的随机开关频率调制方法未考虑载波切换频率与载波频率间的关系,因此会使逆变器输出交流电产生一定的谐波畸变.为了克服这一不足,通过分析载波切换频率对随机载波信号的影响,得出预置载波随机切换时,前后两条载波的相位不匹配是造成逆变器输出电压产生畸变的根本原因,并提出采用随机切换预设载波的方法实现开关频率的随机化.仿真及实验结果表明,随机脉冲宽度调制(PWM,Pulse Width Modulation)方法不但可以有效抑制输出电压的高次谐波而且在波形正弦度方面优于常规随机PWM方法.