航天微波部件的无源互调抑制方法研究进展

无源互调(passive intermodulation, PIM)问题广泛存在于大功率微波无源部件及系统中，对卫星及地面通信系统造成严重的干扰。无源互调抑制方法是无源互调基础研究和工程应用中的重点关注领域，是解决无源互调问题的核心关键。在阐述无源互调产生机理的基础上，分别从工艺、结构、电设计及信号处理等多个方面系统地归纳总结了现有的无源互调抑制方法及国内外研究现状，讨论了各种抑制方法的优缺点，在此基础上梳理分析了后续的发展趋势。在传统的工艺结构优化设计的基础上，基于先进制造技术的一体化设计、新型非接触式无源互调抑制以及数字信号处理实现无源互调抑制，成为后续重要的新兴发展方向，将会为解决无源互调问题带来新的思路和途径。     

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。     

大功率同轴谐振器连接缝隙EML和PIM研究

在大功率工作环境中,射频电路经常发生电磁泄漏(ElectroMagneticLeak,EML)和无源互调(PassiveInter Modulation,PIM)等现象。而在同轴谐振器中,不稳定连接缝隙处成为增加电磁泄漏EML和PIM问题风险的隐患部位。文章通过对同轴谐振器等效电路建模和电磁场建模给出了缝隙位置与电磁场表面电流的关系,并分析了3种不同结构同轴谐振腔EML特性。结果表明通过微调连接缝隙,使其有效偏离同轴谐振器的电流波幅点位置,可以降低大功率同轴谐振器的连接泄漏,从而减小无源互调的风险。依据分析结果选取了3种同轴结构(单螺钉连接、法兰内连接、法兰外连接)中连接泄露最小的结构作为大功率器件的基本结构,小批量器件在大功率测试和试验中无EML和PIM现象。     

电磁多尺度和非线性效应分析

微观尺度上的结构和电接触特性对于宏观尺度上的电磁特性具有重要的影响.针对多尺度结构的非线性无源互调(PIM)无法用频域方法直接计算的问题,提出了基于Floquet理论的全波方法,对具有周期性微观结构的多尺度电大尺寸问题进行计算,从而准确地计算其电特性.此外,将产生非线性的金属结的等效电路模型引入到全波分析方法中,通过全波方法与等效电路方法相结合的方式来分析多尺度结构的无源互调问题.数值计算结果表明该方法可以有效地评估微观结构对于宏观结构电性能的影响,并解决了时域方法求解电大尺寸微波部件产生的计算累积误差较大这一难题.      

空间微波特殊效应研究团队

正中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室空间微波特殊效应研究团队立足于航天重大工程需求,以复杂微波特殊效应基础物理理论为指导,着手解决中国航天器大功率载荷遇到的基础问题,致力于提升有效载荷系统水平。空间微波特殊效应研究团队成立于2007年,在中国空间技术研究院西安分院崔骏业、吴须大等老一辈专家指导下     

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。     

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

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。     

基于ZnO阵列的银表面二次电子发射抑制技术

随着卫星有效载荷的射频功率越来越大,传统的微放电抑制方法已经无法满足大功率卫星有效载荷的需求。降低大功率射频部件内表面的二次电子发射系数是抑制微放电效应的重要方法之一,通过在金属银表面构造纳米量级ZnO阵列,实现了纳米尺度银陷阱结构的制备,研究了晶种制备方式、锌盐浓度对ZnO阵列生长的影响。结果表明,采用紫外照射法制备晶种获得的ZnO阵列在样片表面分布均匀,提高锌盐浓度可改善ZnO阵列的分布均匀性。分析了ZnO阵列排列密度对银膜构筑的影响,发现在低密度的ZnO阵列上更加容易镀覆金属银。因此,获得了镀银表面基于ZnO阵列的陷阱结构制备的工艺技术,实现金属银表面二次电子发射系数最大值降低36.3%。     

VHF/UHF波段发射机互调抑制比测试方法研究

建立了发射机射频电路简化模型,并利用该模型和非线性多项式模型,研究了发射机互调(IM)发射电平与射频前端滤波器插入损耗、干扰信号功率和频率偏差之间的关系,对当前发射机互调抑制比的定义进行了修正;分析了传统发射机互调抑制比测试方法的局限性,设计了一种新型的发射机互调测试链路配置,分析了测试链路关键物理参数间的关联关系,建立了测试数据处理模型,该方法扩宽了测试带宽和功率范围,降低了对测试器件的要求。对实际电台的测试结果表明,本文提出的理论分析结论和发射机互调抑制比测试方法正确有效。     

太阳风中航天器带电与尾迹效应的模拟

航天器充电和尾迹效应会对周围等离子体造成扰动,影响测量装置结果的准确性.利用SPIS （Spacecraft Plasma Interaction Software）分别模拟了航天器与太阳风的相互作用,考察了光电效应以及航天器尺度对表面充电情况和尾迹效应的影响.结果表明:太阳风环境下,等离子体密度稀薄,电子电流比光电子电流小得多,航天器表面为正电势,航天器后部有清晰的尾迹结构,尾迹带负电;光电效应可改变尾迹结构,与无光电效应相比,光电效应使得航天器尾迹尺度变大;由于太阳风定向运动动能大于航天器表面势能,航天器的尾迹结构与其几何尺寸有关,航天器尺寸越大,尾迹尺度越大.      

大功率高效率星载固态功率放大器研究

针对卫星系统对于微波大功率放大器的需求,研制了L频段200W高效率固态功率放大器,对其设计方法和关键技术进行了详细论述。应用低温共烧多层陶瓷技术,实现了射频电路的高集成和小型化;基于第三代半导体器件,应用波形赋形及线性补偿技术,提升了射频电路的功率和效率;采用移相全桥拓扑,研制了高效率、大功率二次电源。在1.45~1.55GHz的频带范围内,固放整机输出功率大于200W,效率高于60%,3阶交调优于18dBc,同时具备30dB增益可调,360°内步进5.6°的相位可调能力。试验结果表明,该固放为目前国内星载领域连续波功率和效率最高的单机。     

Small satellite survey mission to the second Earth moon

This paper presents an innovative space mission devoted to the survey of the small Earth companion asteroid by means of nano platforms. Also known as the second Earth moon, Cruithne, is the target identified for the mission. Both the trajectory to reach the target and a preliminary spacecraft budget are here detailed. The idea is to exploit high efficient ion thrusters to reduce the propellant mass fraction in such a high total impulse mission (of the order of 1e6 Ns). This approach allows for a 100 kg class spacecraft with a very small Earth escape energy (5 km²/s²) to reach the destination in about 320 days. The 31% propellant mass fraction allows for a payload mass fraction of the order of 8% and this is sufficient to embark on such a small spacecraft a couple of nano-satellites deployed once at the target to carry out a complete survey of the asteroid. Two 2U Cubesats are here considered as representative payload, but also other scientific payloads or different platforms might be considered according with the specific mission needs. The small spacecraft used to transfer these to the target guarantees the manoeuvre capabilities during the interplanetary journey, the protection against radiations along the path and the telecommunication relay functions for the data transmission with Earth stations. The approach outlined in the paper offers reliable solutions to the main issues associated with a deep space nano-satellite mission thus allowing the exploitation of distant targets by means of these tiny spacecraft. The study presents an innovative general strategy for the NEO observation and Cruithne is chosen as test bench. This target, however, mainly for its relevant inclination, requires a relatively large propellant mass fraction that can be reduced if low inclination asteroids are of interest. This might increase the payload mass fraction (e.g. additional Cubesats and/or additional scientific payloads on the main bus) for the same 100 kg class mission.     

The high altitude student platform (HASP) for student-built payloads

An outstanding issue with aerospace workforce development is what should be done at the university level to attract and prepare undergraduates for an aerospace career. One approach adopted by many institutions is to lead students through the design and development of small payloads (less than about 500 grams) that can be carried up to high altitude (around 30 km) by a latex sounding balloon. This approach has been very successful in helping students to integrate their content knowledge with practical skills and to understand the end-to-end process of aerospace project development. Sounding balloons, however, are usually constrained in flight duration (∼30 min above 24 km) and payload weight, limiting the kinds investigations that are possible. Student built picosatellites, such as CubeSats, can be placed in low Earth orbit removing the flight duration constraint, but the delays between satellite development and launch can be years. Here, we present the inexpensive high altitude student platform (HASP) that is designed to carry at least eight student payloads at a time to an altitude of about 36 km with flight durations of 15–20 h using a small zero-pressure polyethylene film balloon. This platform provides a flight capability greater than sounding balloons and can be used to flight-test compact satellites, prototypes and other small payloads designed and built by students. The HASP includes a standard mechanical, power and communication interface for the student payload to simplify integration and allows the payloads to be fully exercised. HASP is lightweight, has simple mission requirements providing flexibility in the launch schedule, will provide a flight test opportunity at the end of each academic year.     

挠性高稳定度卫星载荷扰动力矩补偿研究

有效载荷或星上运动部件相对卫星平台转动引入的扰动力矩严重影响卫星平台的姿态稳定度和指向精度.为满足卫星姿态高稳定度要求,采用正余弦细分驱动原理对帆板驱动机构(SADA)细分,并利用力矩补偿机构补偿有效载荷运动所引入的扰动力矩.此外,针对补偿机构自身存在的摩擦力矩设计补偿控制律,以改善其力矩输出性能.仿真算例表明设计方案有效.     

无源器件无源互调干扰行为建模

无源互调干扰会影响多载波通信卫星的正常工作,是目前卫星通信系统必须考虑的问题之一。由于无源互调干扰问题具有一定的复杂性,无法直接分析无源互调分量,因此需要建立相应的模型进行研究。针对无源互调干扰的频率分布特点,采用双指数函数模型和Volterrra级数模型拟合无源互调干扰,推导并建立了QPSK调制信号的无源互调干扰时序模型。基于MATLAB的仿真结果表明,无源互调干扰分量的理论值频点处都出现了相应峰值,且其幅度值与输入信号中心频率处的幅度值的比例符合理论分析。     

基于CEI的航天器交会对接段的轨道监控

文章探讨了CEI技术在飞船交会对接远程导引段的实时监控的能力,采用单一绝对滤波器的方案进行实时轨道计算,仿真结果表明：采用滤波稳定后固定模糊度的方法可以提高轨道的滤波解精度,相对轨道位置精度可达十米级,速度精度可达厘米每秒级,满足远程导引段的精度指标。