在高功率卫星通信系统中,多脉冲效应会对微波器件产生影响。在高于一定阈值电压的高真空环境中,会出现非线性击穿电压现象,可能会降低射频和微波器件的性能,在极端情况下甚至会损坏器件或系统。虽然多脉冲效应通常很难预测和测量,但配备适当的测试系统和专用软件可以准确识别可能多脉冲的微波组件,有效地筛选它们,以避免在深空应用中受到损害。

图1:该框图显示了使用频谱分析仪和功率计的双端口多加法测量的典型测试设置。
在真空环境中,在高功率水平下,由于多接触过程导致的性能退化或损坏与深空应用中的波导组件有关。多耦合现象可以影响传输信号链中的波导和同轴无源组件,如双工器、滤波器、多耦合器和天线,以及用于连接这些组件的同轴电缆和连接器。

图2:此框图显示了使用矢量信号发生器(VSGs)和矢量信号分析仪(VSAs)的模块化多交互测量系统的简化视图。
要进行多脉冲放电,需要三种成分:射频源、自由电子和真空。当真空环境或大气压力相对较低的间隙(如波导组件)内的带电粒子(自由电子)在大的外部电场(大功率射频源,如发射放大器)的影响下振荡时,就会发生这一过程。每次这些加速的带电粒子撞击间隙壁时,就会释放出二次带电粒子。当这个过程每秒重复数百万次时,电子的数量迅速增加,导致多作用放电。放电本身可能吸收或释放很少的功率,但可能会导致组件或系统的排气增加,从而导致气体放电。空间系统中的气体放电或电晕放电会释放出大量的功率,从而导致部件性能下降甚至系统故障。1

当环境压力足够低,电子平均自由程大于电子分离距离时,就会发生多重作用。在压力小于10的情况下观察到多挤效应-2托。多粒子放电需要真空环境,因为在大气压力下,带电粒子更有可能与空气粒子碰撞,降低了带电粒子的速度,并降低了它们释放二次带电粒子的潜力。因此,波导组件经常被加压,以避免在高射频功率水平的多点作用的影响。

数学上,根据Larmor的公式,多作用事件被理解为一个分量的金博宝app下载金输入功率的函数:

p = 2(e2一个2(3) /(4πε0.c3.)]

其中P =加速电荷产生的能量,e =电子的电荷,ε0.=介电常数,a =电荷的加速度,c =真空中光速,即3 × 108 m/s。

电路介电常数ε的作用0.,也可以从这个公式中看出,较高的介电常数值将导致加速电荷的功率降低。类似地,多脉冲阈值电压V0.,由式中可得:

V0.=(2πd /λ)2[mec2/πe)

其中五0.=带电表面之间的加速度电压,me =电子的质量,λ =波长,d =表面之间的间距。

射频电路的尺寸在发生多脉冲效应时也起着相当大的作用。由于多作用效应本质上是电子在狭窄间隙中的电弧,射频/微波组件中的尖锐或锯齿状边缘可以为高浓度的自由电子聚集提供几何形状,从而导致放电事件。2相反,圆形金属表面和组件内的薄介质涂层可以减少多次作用放电的可能性,即使在高射频功率水平的高真空中。

识别多行程事件金博宝app下载金

图3:此照片显示了多加应验系统的模块化格式,允许根据测量要求添加或拆除信号源和分析仪。
可以通过多种不同的方法来检测多个Paction exputer,这在全局(在系统上)或本地(在组件上)进行测量。全局方法确定多个Paction是否存在于SATCOM或其他系统中的某处,但不隔离哪个组件是多关键效果的源。在系统开发阶段,本地方法更有用,以识别组件级别的系统中的“弱链路”。本地评估方法也可用于监测连续操作下系统的一部分,以便更好地理解长期效果。多级别效应通常可以难以忽视,并且可能需要多年来对多功能放电进行多数。随着时间的推移,持久性多加减事件可能导致组件表面的侵蚀,这降低了电气性能金博宝app下载金并最终导致组件和/或系统故障。

在有利于多脉冲效应的条件下分析系统性能的通用全局方法包括检测增加的接近载波噪声、增加的二次谐波和三次谐波水平,以及输出功率的变化。不幸的是,由于前两种方法依赖于噪声的产生,它们很容易由于非多接触原因引起的噪声而产生错误。多脉冲测量系统通常受到许多不同噪声源的影响,包括微波信号发生器。来自其他源的过多噪声会导致系统的多作用阈值设置过低。类似地,未能检测到瞬态多交互事件可能导致系统建立过高的多交互阈值。

全球技术也已经发展起来,基于使用幅度调制(AM)检测,使用高速采样技术生成测试信号的快速傅里叶变换(FFT)显示。这种方法依赖于输入测试信号和多脉冲阈值之间的信号差。当信号载波通过多脉冲阈值时,它产生一个不同的调制输出信号。FFT将揭示被测信号中的任何周期性。

全局和本地测量方法都是为单载波和多载波测试用例开发的,以便密切模拟卫星和其他使用复杂调制格式的其他高功率通信系统的操作条件。例如,在多载波系统中,系统的峰值功率水平可以广泛变化,这取决于载波的相对信号相位。

传统的测试系统依赖于高功率射频/微波源,通常由频率合成器和外部脉冲调制器组成,外部脉冲调制器由高功率行波管放大器(TWTA)推动。需要一些功率控制手段,通常采用一系列耦合器、功率分压器和精密可变衰减器的形式。移相器通常用于控制测试载波信号的相位,通常使用阻抗调谐器来确保精确控制阻抗匹配被测设备(DUT)。DUT本身,可能是一个组件、子系统或整个系统,被隔离在一个真空室中,以模拟深空大气条件。传统的监测设备包括峰值功率计、频谱分析仪和数字存储示波器(DSOs)。这样的系统(图1)被设计用来精确地比较进入和离开DUT的信号,以寻找非线性行为的证据,这些非线性行为可能标志着多动作事件的开始。任何多电压点测试系统的目标之一都不是引发导致DUT破坏的多电压点事件,而是识别多电压点事件的阈值电压和功率水平,低于阈值电压和功率水平的DUT才能安全运行。金博宝app下载金

传统多功能测试设置的问题之一是依赖频谱分析仪来识别光谱现象,例如增加的三次谐波信号水平,这可能是非常短的且难以捕获的,即使通过高速才能捕获DSO。模拟频谱分析仪与扫描模拟分辨率 - 带宽和视频滤波器运行。随着扫描速度降低的分辨率增加,并且通常模拟分析仪的扫描速度不能捕获三次谐波失真的短期增加,这可以是用于多加蚀事件的信号。较新的实时频谱分析仪依赖于数字捕获相当宽的瞬时输入带宽,可以提高捕获与多关联效应相关的瞬态事件的机会,但这些仪器仍通过扫描过滤器解决信号信息,金博宝app下载金尽管使用数字信号处理(DSP),但是这些过滤器。

测试系统选项

图4:这四个屏幕显示了由于多挤点效应,通过DUT信号质量逐渐下降。
改进的多节点测试系统框图如图2所示;实际系统的照片如图3所示。该系统依靠多通道、高速的模数转换器(adc)来捕获进入和退出DUT的测试信号。与传统的测试系统一样,DUT仍然处于真空室中,用高功率同轴传输线将测试信号传送到它和从它传送出去。传输线安装在大功率小车内,便于与不同的dut连接。

测试系统使用相位零技术来研究输入信号与输出信号线性度的变化。在常规系统中,入射和反射测试信号被相加,结果显示在频谱分析仪或峰值功率计上。但与传统系统不同的是,在传统系统中,使用可变衰减器、移相器和手动调谐的组合来使入射和反射测试信号的相位为零,这种系统通过双通道、高速、模数转换器(ADC)和数字信号处理(DSP)技术来处理和分析数据。通过专用软件分析数字化信号,为了检测多脉冲事件,在事件和反射信号之间需要进行的任何调整几乎都可以在瞬间完成,同时仍然控制时间常数,模拟以往人为调整可变衰减器和移相器以适应DUT不断变化的条件。金博宝app下载金

该技术与传统测试系统的不同之处在于,它可以连续获取数据,在测量中无死区时间。adc数字化并将所有测试信号发送给系统控制器,由系统控制器运行专门的测量和分析软件。该软件根据预定义的参数(如阈值电压、相位零、幅值变化、三次谐波增加等)运行,以获取感兴趣的测试数据。硬件,以计算机控制的数字化仪的形式,连续监控任何类型的多协议相关事件的测试信号,软件触发各种事件阈值来存储或忽略捕获的信号数据。

硬件和软件的结合确保了测量通道是相匹配和相相干的,甚至考虑了无源组件(如耦合器和衰减器)的制造公差。对每个测量通道进行相位采样和测量,并在软件控制下自动进行校正。

该方法使用各种技术来识别可能的多个Paction事件。金博宝app下载金例如,它测量在不同信号条件下系统和DUT返回损耗的变化,因为回报损失的渐进或显着变化可以表明DUT有缺陷或可能在高功率水平下遭受多功能放电。该系统旨在根据扫描功率水平评估设备,从相对低电压和电流水平开始,并升高到功率的多个功率高的水平,监测DUT性能在功率水平的增加期间变化。

以这种方式配置的基于adc的系统可以连续测试多达四个DUT,从一个DUT切换到另一个DUT只需要大约5秒的时间。该系统可以支持

视频测试结果有多种格式。在一种方法中,在改变信号条件下的脉冲波形的劣化可以有助于识别由于多关联效应的DUT的即将发生故障(图4)。一旦开始测试例程,它就完全在软件和计算机控制下,无需人为干预。它可以连续运行,根据在运行测试之前储存在软件中的预设条件的预设条件,获取测试结果。

一个典型的系统可以配置为在1到18 GHz的频段内进行测试,功率级别为2 GHz时高达10 kW。它提供了广泛的监控和显示功能,允许操作人员在大范围的频率和功率水平上仔细查看实时事件。金博宝app下载金该系统还进行了校准,以考虑温度和功率函数的性能变化。例如,由于高功率,系统测试电缆的插入损耗会随着温度的升高而增加。初始校准考虑了这些与温度相关的系统性能变化,以提供精确的振幅在±0.1 dB内和相位在±0.1 deg内的测量结果。

对于那些有兴趣预测多交互作用对他们自己的dut的影响的人,欧洲航天局(ESA)在http://multipactor.esa.int/上提供了一个免费的在线多交互作用计算器。该计算器包括多种射频软件工具,如不匹配计算器,皮肤深度计算器,波导匹配变压器,矩形和圆形波导插入损耗计算器,排气和排气计算器,屏蔽有效性(SE)计算器。它可以用来分析微带、带状线、同轴连接器和标准波导间隙。

本文由新泽西州克拉克斯堡In-Phase Technologies公司的工程副总裁Howard Salvesen撰写。有关更多信息,请单击这里

参考文献

  1. S. J. Feltham和S. Johns,“ESTEC多解救设施”,为未来做准备,ESA通讯,欧洲航天局,Vol。7,第4,199,997页,p。2。
  2. Harlan S. Hurley和Dennis J. Kozakoff,“最小化电晕、多作用和稳定性问题的射频多耦合器设计技术”,NASA承包商报告,NASA CR-61387, NASA- george C. Marshall太空飞行中心,AL, 1971年12月。

NASA科金宝搏官网技简报杂志

本文首次发表于2010年8月号NASA技金宝搏官网术简介杂志。

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