星载宽带大功率微波部件微放电的阈值预测及抑制方法研究

With the rapid development of wideband communication and radar satellites, multicarrier multipactors occurring in spaceborne wideband, high-power microwave devices have become a bottle-neck problem impacting the design, implementation, testing of satellite payloads and the long-term reliable in-orbit operation of the satellites. In this project, we will introduce statistical and probabilistic analyzes into to existing methods, obtaining effective approaches for realizing accurate prediction and measurement of the thresholds of multicarrier multipactors, and finding the effective method to suppress their occurrence. The outcomes potentially generated by this project will contribute to the R&D and long-term stability of the large-volume satellite payloads of our country.

随着宽带通信和雷达卫星的快速发展，星载宽带大功率微波部件中的多载波微放电已经成为了制约和影响卫星有效载荷工程设计、实现、测试和长期在轨运行可靠性的瓶颈问题。针对上述问题，本项目拟扩展已有的研究思路，通过引入统计和概率方法，实现非均匀场中多载波微放电演化过程的解析计算，实现星载大功率微波部件中多载波微放电发生阈值的准确预测和实验测量,在此基础上寻找抑制多载波微放电的有效途径。本项目成果对我国大容量卫星有效载荷的研制和长期可靠性具有重要意义。

本项目主要针对卫星通信中的多载波微放电问题开展研究，主要内容有星载宽带微波部件中多载波微放电演化过程的解析计算、基于全局阈值优化的多载波微放电抑制和多载波微放电阈值的准确测量，通过三年的研究工作，全面完成了研究内容：.（1）.针对多载波合成波形瞬时频率和瞬时幅度不断变化的特点，采用离散化的概率密度函数，结合粒子运动的数值计算方法，克服现有统计模型需要解析推导电子运动轨迹的限制，融合粒子仿真和统计方法各自的优势，实现了多载波激励条件下微放电演化过程中空间二次电子涨落的解析计算；.（2）.由于微放电二次电子发射角度的随机性和空间电子的库伦排斥作用，微放电过程中空间电子存在横向扩散，然而其扩散速度通常较慢。在非均匀场分布微波部件中，微放电集中发生在场强最大的区域，如果采取某种措施能够加速横向扩散，在微放电发生的初期、空间电子浓度还未饱和之前，使空间电子已经多数转移至低场强区域，那么微放电将可能得到抑制。在这种思路的指导下，本课题研究发现通过改变矩形波导内表面局部形状，例如将平面改变为凹弧形和凹楔形，或者在矩形波导中心加脊，以及在矩形波导中心加载纵向介质块，均可加速横向扩散，进而提高微放电阈值，达到抑制微放电的效果，其中凹楔形、中心加脊和纵向介质加载的抑制效果最好，能够将放电阈值功率提升30倍，该研究为微放电抑制研究提供了新思路。.（3）.针对多载波微放电测量中初始种子电子定量加载的难题，本项目采用可控紫外激光加载技术，辅以空间电子密度的在系统精确测量，实现了种子电子的可控加载。同时通过调整紫外光源的波长可实现自由电子能量的有效调节，因此本系统实现了初始种子电子数量和能量的有效加载，结合已经建立的多载波微放电实验系统，实现了多载波微放电阈值的准确测量。.本项目研究成果应用于我国军民用通信卫星、导航卫星和遥感卫星的大功率微波部件的多载波微放电分析、设计和试验验证中，提升了我国军民用通信卫星和遥感卫星有效载荷系统的整体性能，使得核心技术自主可控，有效支撑了型号的立项和研制，推动我国通信卫星和多种业务运行系统的性能提高，促进我国卫星系统在军民用通信、资源勘察、环境监测、防灾减灾救灾等方面应用效能的提升。