倪大寧，于曉樂*，藺朝陽，姚凱學(xué)

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2. 陜西省知識產(chǎn)權(quán)局，西安 710000)

0 引言

Tesat Spacecom Gmbh & Co.KG(以下簡稱Tesat公司)是空客公司下屬的專業(yè)化子公司，主要從事微波無源部組件、微波功放產(chǎn)品、激光通信終端等衛(wèi)星有效載荷產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。在過去的五十多年里，這家公司為700多個(gè)空間飛行器提供了有效載荷產(chǎn)品，在國際宇航產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

鑒于Tesat公司是歐洲不可或缺的宇航產(chǎn)品制造商且深度參與了歐空局“先進(jìn)通信系統(tǒng)研究”(Advanced Research in Telec-ommunication System，簡稱ARTES)計(jì)劃，本文對其近十年來的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、專利信息和政府資助項(xiàng)目進(jìn)展進(jìn)行了檢索、分析、融合與研究，以期“管窺”歐洲航天工業(yè)的研制能力和發(fā)展趨勢，為我國衛(wèi)星有效載荷技術(shù)的發(fā)展提供“他山之石”。

1 Tesat公司在微波無源領(lǐng)域的研究進(jìn)展

(1)頻率可調(diào)濾波器/多工器

在德國宇航中心(DLR)和聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與技術(shù)部(BMWi)的支持下，Tesat公司聯(lián)合達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)、聯(lián)邦材料研究與測試部(BAM)、德國默克集團(tuán)(Merck KGaA)、IMST公司、CST公司等開展了LiquidSky項(xiàng)目，對基于液晶材料的頻率可調(diào)微波諧振器與濾波器開展了原理驗(yàn)證[1]。

在完成了原理驗(yàn)證并受讓了達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的基礎(chǔ)上，Tesat公司開展了后續(xù)的研發(fā)并在2016年4月申請了“諧振器與采用諧振器的濾波器”專利(DE102016107955)，其技術(shù)方案是在諧振器中插入液晶材料，并在液晶材料周圍設(shè)置電極，通過電極驅(qū)動(dòng)液晶材料中場方向變化以改變其電導(dǎo)率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對濾波器諧振頻率的調(diào)諧(見圖1)。鑒于液晶材料在嚴(yán)苛的空間環(huán)境中體積會(huì)膨脹和收縮，可能導(dǎo)致容納液晶材料的介質(zhì)棒內(nèi)壓力過大，Tesat公司又在2017年4月和11月提出了兩項(xiàng)改進(jìn)型專利；“采用液晶和補(bǔ)償單元的諧振器”(DE102017128368.4)專利采用了一種熱膨脹系數(shù)低于液晶材料和介質(zhì)腔的補(bǔ)償單元，能夠避免介質(zhì)腔內(nèi)部壓力過大而形成破壞性影響的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；“采用液晶和氣泡的諧振器”(DE102018109054.4)專利中的調(diào)諧單元由第一腔室、第二腔室和連接通道組成，液晶材料和氣體分別位于第一和第二腔室，在溫度變化的情況下可以用氣體的體積變化來補(bǔ)償液晶材料的體積變化。

圖1 DE102016107955專利附圖

Tesat公司提出的另一種實(shí)現(xiàn)濾波器頻率可調(diào)的技術(shù)途徑是調(diào)諧諧振腔的體積。在2017年1月申請的“頻率可調(diào)通道濾波器”(DE 102017100714.8)專利中，鑒于現(xiàn)有技術(shù)采用高精度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致成本較高的技術(shù)問題，在每個(gè)諧振器的側(cè)壁上設(shè)置了兩個(gè)調(diào)整單元，每個(gè)調(diào)整單元上具有兩個(gè)不同尺寸的切口；通過驅(qū)動(dòng)調(diào)整單元轉(zhuǎn)動(dòng)，可以調(diào)諧諧振器的體積從而改變?yōu)V波器的工作頻率(見圖2)。

圖2 DE102017100714.8專利附圖

(2)帶寬可調(diào)濾波器/多工器

依托ARTES計(jì)劃“先進(jìn)技術(shù)”專項(xiàng)的資助，Tesat公司研制出了Ka頻段大功率輸出多工器(見圖3)[2]，并以專利的方式對其成果進(jìn)行了保護(hù)。針對鋁合金熱膨脹系數(shù)高而空間環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致輸出多工器電氣性能惡化的技術(shù)問題，2012年6月申請的“波導(dǎo)母線”(DE102012011765)專利提出了一種在每兩個(gè)輸入端口間引入額外并行諧振器的技術(shù)方案，通過熱機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變并行諧振器的體積，從而調(diào)整相鄰輸入端口之間的相位關(guān)系。這一技術(shù)方案本身用于補(bǔ)償溫度變化，但同時(shí)又可帶來可調(diào)諧多工器電氣性能(如帶寬)的技術(shù)效果。

圖3 Tesat公司的Ka頻段溫度補(bǔ)償OMUX

基于這一專利的技術(shù)啟示，2012年10月申請的“帶寬可調(diào)微波濾波器”(DE102012 020576)專利進(jìn)而提出了采用多相電機(jī)控制機(jī)電作動(dòng)器以調(diào)整相鄰諧振器之間的可調(diào)諧振器的體積的方案，從而調(diào)諧濾波器的工作帶寬。在幾乎同期申請的“可調(diào)波導(dǎo)母線”(DE102012021157)專利中，其解決方案是在波導(dǎo)母線的通道濾波器之間設(shè)置耦合單元，通過作動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整耦合單元的體積/截面/長度，從而實(shí)現(xiàn)一種帶寬/中心頻率可調(diào)諧的輸出多工器(見圖4)；與采用環(huán)形器鏈路的現(xiàn)有技術(shù)相比，這一發(fā)明能夠降低系統(tǒng)的插入損耗并抑制無源互調(diào)的產(chǎn)生?；谝陨蠈＠夹g(shù)，Tesat公司已經(jīng)在德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與技術(shù)部的資助下完成了Ka頻段原理樣機(jī)的開發(fā)。

圖4 DE102012021157專利附圖

(3)濾波器的批量化和快速制造技術(shù)

傳統(tǒng)的星載濾波器產(chǎn)品往往為定制產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)方式難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化制造。為了降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，Tesat公司在“通用的通道濾波器”(DE102014012752)專利中提出了一種配置了第一調(diào)諧機(jī)構(gòu)(例如調(diào)諧盤)和第二調(diào)諧機(jī)構(gòu)(金屬或介質(zhì)螺釘)的方案，分別用來實(shí)現(xiàn)工作頻率的粗調(diào)和精調(diào)。這種技術(shù)方案的優(yōu)勢在于，針對例如工作在11GHz附近的Ku頻濾波器，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段不再受限于具體項(xiàng)目的中心頻率，批量生產(chǎn)之后根據(jù)具體項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)“貨架產(chǎn)品”式的研發(fā)模式轉(zhuǎn)型。

在歐空局ARTES計(jì)劃的支持下，Tesat公司與弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)激光技術(shù)研究所合作[3]，利用3D打印技術(shù)制造出了濾波器產(chǎn)品(見圖5)。與銑削工藝相比，采用選擇性激光融化(Selective Laser Melting，簡稱SLM)工藝打印出的濾波器產(chǎn)品在供貨周期、成本和重量方面都具有一定的優(yōu)勢，但尚未見到其在軌使用的報(bào)道。Tesat公司認(rèn)為由于目前的3D打印技術(shù)在表面精度方面尚存在缺陷，暫無法滿足窄帶濾波器產(chǎn)品的要求，但卻是寬帶濾波器產(chǎn)品的備選加工方案。

圖5 Tesat 3D打印的濾波器

為了實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的快速連接，Tesat公司于2015年和2016年分別申請了兩件連接方法專利。在“用于空腔波導(dǎo)的快速連接裝置”專利(DE102015014590)中，針對螺釘連接方式復(fù)雜且耗時(shí)、焊接方式無法修復(fù)的技術(shù)問題，提出了一種具有彈性力的壓緊裝置方案(見圖6)，能夠節(jié)約裝配時(shí)間、提高連接法蘭的電氣緊密型并形成更均勻的接觸壓力。而在“用于連接空腔波導(dǎo)的桿狀連接裝置”專利(DE 102016125084)中，采用了由驅(qū)動(dòng)杠桿、彈簧裝置和支架等部件構(gòu)成的夾型連接裝置(見圖7)，能夠?qū)崿F(xiàn)便于拆卸、防止法蘭磨損和污染以及避免裝配不當(dāng)造成電磁波泄露等技術(shù)效果。

圖6 DE102015014590專利附圖

圖7 DE102016125084專利附圖

(4)產(chǎn)品小型化、輕量化和大功率等技術(shù)

依托ARTES計(jì)劃“競爭性與成長性”專項(xiàng)支持，Tesat公司將新型介質(zhì)諧振器濾波器設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于Ka頻段輸入多工器產(chǎn)品中，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，產(chǎn)品的體積和重量分別減小了50%和30%，且在成本得以降低的同時(shí)可靠性得到了提升。這一產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于多顆衛(wèi)星，有力的提升了Tesat公司的市場競爭力(圖8)。

圖8 Ka頻段小型化輸入多工器

在ARTES計(jì)劃“先進(jìn)技術(shù)”專項(xiàng)的資助下，Tesat公司開展了兩項(xiàng)輸出多工器的開發(fā)。在與西班牙曙光軟件與測試公司聯(lián)合申請的“Ku頻段每通道500W輸出多工器”項(xiàng)目中，為了滿足衛(wèi)星傳輸高清電視業(yè)務(wù)對EIRP指標(biāo)的技術(shù)要求，解決了微放電、電暈放電和散熱等關(guān)鍵問題，滿足了每通道500W的設(shè)計(jì)指標(biāo)；通過聯(lián)合卡爾斯魯厄理工學(xué)院開實(shí)施“多通道小型化Ku頻段輸出多工器”項(xiàng)目，提出了新的介質(zhì)諧振器解決方案，在體積和重量得以有效降低的同時(shí)，帶外抑制和插入損耗等指標(biāo)也得以提升。

在與西班牙高等科研理事會(huì)、歐空局聯(lián)合申請的“抗微放電裝置”(ES2564054)專利中，提出了一種槽長寬比大于4且表面槽密度大于70%的抗微放電金屬涂層。在采用了這種涂層的Ku頻段群島濾波器實(shí)施例中，在15000W的輸入功率條件下未測得微放電現(xiàn)象的產(chǎn)生，與現(xiàn)有技術(shù)相比有效提高了微放電閾值。

針對寬頻帶濾波器/多工器的需求，Tesat公司在2013年11月申請的“將介質(zhì)插入相鄰單元且水平布局的用于30GHz輸入多工器的介質(zhì)濾波器”專利(DE102013 018484)中，提出了一種采用交叉耦合技術(shù)的方腔介質(zhì)諧振器濾波器。與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠在保持較高Q值(>5000)的情況下提高產(chǎn)品的工作帶寬。

2 Tesat公司在微波有源領(lǐng)域的研究進(jìn)展

(1)行波管放大器技術(shù)

在行波管放大器技術(shù)領(lǐng)域，Tesat公司主要與法國Thales公司及其子公司Thales Electron Devices合作[4]。Tesat負(fù)責(zé)電子功率調(diào)節(jié)器(Electronic Power Conditioner，簡稱EPC)和線性化通道放大器(Linearized Channel Amplifier，簡稱LCAMP)的研發(fā)，Thales公司負(fù)責(zé)研制行波管，兩家公司均具有產(chǎn)品集成能力。

依托歐空局ARTES計(jì)劃“競爭力與成長性”專項(xiàng)，Tesat公司針對可重構(gòu)載荷的市場需求開發(fā)出了飽和功率為300W的Ku頻段靈活可編程微波功率模塊(見圖9)，通過控制行波管的陰極電流來控制飽和輸出功率的數(shù)字化在軌調(diào)整(In-Orbit Adjustability)，已經(jīng)成功應(yīng)用于Hylas-1等衛(wèi)星；針對下一代高通量衛(wèi)星的需求，為Q/V頻段的饋電鏈路開發(fā)出了螺旋線電壓為15kV、輸出功率為150～200W的Q頻段EPC；為了滿足S頻段移動(dòng)通信衛(wèi)星低增益用戶終端的迫切需求，開發(fā)了輸出功率為500W的S頻段TWTA。

圖9 Tesat公司300W功率可調(diào)TWTA

Tesat公司申請了系列專利以保護(hù)其商業(yè)利益。例如在“發(fā)射放大器單元的控制裝置”專利(DE102013002477)中，提出將TWTA的工作參數(shù)存儲于存儲器中，通過遙控信號發(fā)送頻率和調(diào)制方式信息控制預(yù)放、通道放大器和線性化器等模塊性能的方法，以實(shí)現(xiàn)靈活控制放大器工作頻段、提高功效和避免傳輸指令錯(cuò)誤導(dǎo)致故障的風(fēng)險(xiǎn)。在“TWT模塊的運(yùn)行方法”專利(DE1020130039 04)中，通過控制TWT空閑模式和放大模式的陰極電流，保證其一直工作在最優(yōu)的工作效率，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有重量輕和成本低的優(yōu)勢。發(fā)明名稱均為“運(yùn)行衛(wèi)星放大器模塊的方法”的兩項(xiàng)專利(DE102013003903、DE102013004673)中，采用了非易失性存儲器(Non-volatile Memory，簡稱NVM)模塊；前一項(xiàng)專利中NVM被用于存儲放大器配置參數(shù)，從而可以更快的使放大器工作在最優(yōu)狀態(tài)；后者中NVM被用于存儲放大器故障信息，從而解決無法準(zhǔn)確、及時(shí)獲取放大器故障信息的技術(shù)問題。在“TWT的能源供應(yīng)單元”專利(DE102015014587.8)中，針對TWTA開關(guān)機(jī)時(shí)輸出功率突然變化導(dǎo)致高階躍負(fù)載并引起高壓下降的問題，通過在切換工作模式的過程中逐步改變信號輸入接口處信號模式對應(yīng)的控制信號的方法，可以簡化系統(tǒng)構(gòu)成并降低成本。

(2)高壓絕緣技術(shù)

基于降低產(chǎn)品重量和成本，以及消除國際武器貿(mào)易條例(International Traffic in Arms Regulations，ITAR)限制的目的，Tesat公司在ARTES計(jì)劃“先進(jìn)技術(shù)”專項(xiàng)的資助下開展了高壓絕緣技術(shù)的研究，開發(fā)出了用于EPC的新絕緣材料，并以在Q/V頻段產(chǎn)品上進(jìn)行了驗(yàn)證。

在高壓絕緣領(lǐng)域申請的專利包括：基于減輕TWTA產(chǎn)品重量的專利“用于電氣元件高壓絕緣的生產(chǎn)方法”(DE102014018277.0)，與傳統(tǒng)采用整體澆注絕緣材料的方式相比，該發(fā)明采用分層涂敷(包括可以采用3D打印方式)將絕緣材料包裹與電氣元件之外，除了減輕重量還能降低部件的熱機(jī)械應(yīng)力；“采用陶瓷嵌體的電路板”(DE102013019617)專利提出了在多層電路板中預(yù)埋陶瓷嵌體的方案，通過與電氣元件的位置交疊將其上的熱量傳導(dǎo)至外部的耦合單元，不但能夠提高工作電壓，還能降低產(chǎn)品的成本和重量；“高壓連接器及其制造方法”專利(DE102016 000921)針對傳統(tǒng)的TWT和EPC的連接問題，提出了一種由插座、插頭和軟管組成的插拔式壓接連接方式(見圖10)，與傳統(tǒng)的接合連接方式相比，不但能夠降低修復(fù)的難度，還能將工作電壓提高到15kV以上；“高壓連接器”專利(DE102015007882)提出了一種包括由背靠背的梳狀載體單元等構(gòu)成的連接器(見圖11)，由此可以將電位差最大的電纜對安置在距離最遠(yuǎn)的凹槽中，不但可以通過避免擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生而提高工作電壓，還能提升產(chǎn)品的電磁兼容性能。

圖10 DE102016000921專利附圖

圖11 DE102015007882專利附圖

(3)固態(tài)放大器技術(shù)

2013年5月，Tesat公司與肖特公司聯(lián)合開發(fā)的新型氮化鎵功率放大器氣密封裝解決方案成功應(yīng)用于歐空局Proba-V衛(wèi)星[5]。與傳統(tǒng)方案相比，這種氣密封裝結(jié)構(gòu)(見圖12)不但能依靠陶瓷-金屬通孔降低插入損耗，還能依靠底座的高熱傳導(dǎo)性能協(xié)助MMIC放大器散熱。

圖12 Tesat和SCHOTT公司研制的放大器

Tesat公司還與UMS公司聯(lián)合開發(fā)了P波段氮化鎵固態(tài)功率放大器，其中的氮化鎵芯片由UMS提供，Tesat公司負(fù)責(zé)封裝和驗(yàn)證工作[6]。這一產(chǎn)品未來將在歐空局的Biomass衛(wèi)星上得到在軌驗(yàn)證。

由于宇航產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢，封裝外殼的尺寸也越來越小，這會(huì)導(dǎo)致焊接過程中外殼上的熱負(fù)載傳導(dǎo)到殼體內(nèi)部，存在對器件造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此Tesat公司在“通過光學(xué)方法連接封裝外殼的方法”專利(DE102013002628)中提出了將封裝外殼側(cè)壁局部變薄或減小局部截面的解決方案(見圖13)，在激光焊接的過程中可以降低局部導(dǎo)熱系數(shù)，阻礙外部的熱量傳導(dǎo)到封裝外殼內(nèi)部。

圖13 DE102013002628專利附圖

鑒于壓力孔測試等常規(guī)的氣密性測試方法不適用于空間環(huán)境，Tesat公司在“封裝外殼的氣密性試驗(yàn)方法”專利(DE10201202 4346)中提出了一種在封裝外殼內(nèi)部設(shè)置MEMS壓敏傳感器、密封外殼并測試封裝外殼內(nèi)部壓力隨時(shí)間和溫度變化的方法，有利于簡化測試流程。

由于采用環(huán)形器的保護(hù)電路方法體積和功耗大，Tesat公司在“保護(hù)高頻功率放大器免受終端故障的方法和器件”專利(DE 102201106234.7)中，提出了一種由檢波二極管和控制電路組成的失配保護(hù)電路，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)放大器中的半導(dǎo)體器件因阻抗失配而損壞的技術(shù)效果。

3 結(jié)論

(1)通過分析近期的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、專利信息和政府資助項(xiàng)目可見，Tesat公司依托歐空局ARTES計(jì)劃、德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與技術(shù)部等資助渠道開展了技術(shù)儲備，目前至少已經(jīng)突破了S頻段單通道500W、Ku頻段單通道300～500W、Ka頻段單通道300W和Q頻段單通道150～ 200W的設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

(2)在微波無源產(chǎn)品領(lǐng)域，Tesat公司已經(jīng)掌握了小型化、輕量化等關(guān)鍵技術(shù)，近年來的研發(fā)重點(diǎn)有二：一是為了滿足用戶對可重構(gòu)載荷的需求，對頻率/帶寬可調(diào)技術(shù)開展了深入研究，突破了傳統(tǒng)微波無源部件的研發(fā)思路，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電極等應(yīng)用于設(shè)計(jì)理念中；二是在進(jìn)一步提高產(chǎn)品交付能力和降低成本方面進(jìn)行了有益的嘗試。

(3)在行波管放大器產(chǎn)品領(lǐng)域，Tesat公司突破了在軌輸出功率調(diào)整技術(shù)并已應(yīng)用于Hylas-1等衛(wèi)星。近年來一方面著重于電磁、力、熱等多物理場耦合設(shè)計(jì)，已將EPC的螺旋線電壓從前期的8kV提高到了15kV，有利支撐了產(chǎn)品輸出功率的提升；另一方面在新型灌封材料的研發(fā)和產(chǎn)品輕量化方面開展了探索，以期降低產(chǎn)品成本并擺脫ITAR的限制。

(4)在固態(tài)放大器領(lǐng)域，針對產(chǎn)品不斷小型化的發(fā)展趨勢，Tesat公司與芯片供應(yīng)商進(jìn)行了密切的合作，攻克了溫度和環(huán)境適應(yīng)性問題，尤其是在氮化鎵芯片的封裝方面具備了較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。

(5)德國的產(chǎn)學(xué)研合作和大學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓機(jī)制對Tesat公司的創(chuàng)新發(fā)展形成了有力支撐，使其可以聚焦于工程問題研制。例如達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)率先提出了采用液晶材料的可調(diào)濾波器原理并牽頭完成了概念驗(yàn)證，Tesat公司則實(shí)在受讓了技術(shù)轉(zhuǎn)讓之后才開展了進(jìn)一步工程研制。

致謝

特別感謝崔萬照研究員、汪蕾研究員、李俊平高級工程師、梁君利高級工程師對作者的幫助。