CN107229299A - 真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置 - Google Patents

真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其采用元件包括Ka频段波导、大功率连续波定向耦合器、Ka频段高频电缆、大功率负载、热电偶及传输电缆、电加热片及传输电缆、红外加热笼、温度采集处理及加热器控制系统、真空罐转接法兰，大功率连续波定向耦合器连接Ka频段波导、Ka频段高频电缆，Ka频段高频电缆连接大功率连续波定向耦合器、真空罐转接法兰。本发明解决了大功率负载在吸收大功率信号能量后的有效散热问题，能够确保大功率负载正常工作，从而确保高频段大功率射频信号安全、可靠、有效的传输到真空罐外自然环境中进行试验。

Description

真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置
技术领域
本发明涉及一种射频信号有线传输散热装置，特别是涉及一种真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置。
背景技术
真空热试验是每一颗卫星在AIT过程中必不可少的极其重要的环境可靠性试验项目之一，它是考核卫星能否在轨可靠、稳定运行的重要依据。
在真空热试验时，卫星放置在密闭的、真空度和温度均可控制的真空罐内，罐内外通过转接法兰进行转接，通过高、低频电缆将卫星需要测试的高、低频接口连接到法兰盘罐内接口部分，再通过电缆将法兰盘罐外接口部分连接到地面综合测试系统中进行性能和指标测试。
在真空罐内，针对频段较低的射频信号(L、S、C、X频段)和低频信号，由于其输出功率较低，且插损较小，传统上只需直接使用满足耐受真空罐内温度和真空度的电缆连接至转接法兰即可。随着用户需求的不断提高和卫星技术的快速发展，Ka频段信号以其可传输带宽较宽、传输信息量大的优势在卫星载荷数据传输领域得到了广泛应用，但是频段越高、空间衰减越大，因此需要信号源端的输出功率也非常大，通常在100W以上。由于目前市面上现有高频段射频电缆无法承受如此大功率的射频信号，因此需要首先将此信号进行有效衰减，使其满足射频电缆的耐受功率要求后，再与射频电缆进行连接。
由于铝材料的耐受频率高、耐受功率大、衰减小、重量轻，因此卫星上通常使用铝制波导作为高频段(Ka频段及以上)、大功率射频信号的传输介质，真空热试验时，地面通常使用大功率连续波定向耦合器(耦合度通常为20dB)对高频段射频信号进行衰减，100W的射频信号经过耦合衰减后，耦合端输出的信号只有1W左右，完全满足Ka频段射频电缆的输入功率要求。耦合器直通端接大功率负载进行能量吸收，负载在吸收能量后温度会快速升高，超过其耐受温度后会对其功能和性能产生影响，甚至失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其能够确保大功率负载正常工作，从而确保高频段大功率射频信号安全、可靠、有效的传输到真空罐外自然环境中进行试验。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，其采用元件包括Ka频段波导、大功率连续波定向耦合器、Ka频段高频电缆、大功率负载、热电偶及传输电缆、电加热片及传输电缆、红外加热笼、温度采集处理及加热器控制系统、真空罐转接法兰，大功率连续波定向耦合器连接Ka频段波导、Ka频段高频电缆，Ka频段高频电缆连接大功率连续波定向耦合器、真空罐转接法兰，Ka频段波导连接大功率连续波定向耦合器、大功率负载，大功率负载连接热电偶及传输电缆、电加热片、传输电缆，真空罐转接法兰连接温度采集处理及加热器控制系统、热电偶、传输电缆、电加热片、传输电缆，红外加热笼位于Ka频段波导和大功率连续波定向耦合器外侧。
优选地，所述Ka频段波导为铝制材料且输入输出均为波导接口。
优选地，所述大功率连续波定向耦合器输入输出端都为波导接口。
优选地，所述大功率负载表面安装散热片。
优选地，所述Ka频段高频电缆其接口为能够传输Ka频段的接口。
优选地，所述热电偶及传输电缆贴在大功率负载表面。
优选地，所述电加热片及传输电缆贴在大功率负载表面。
优选地，所述温度采集处理及加热器控制系统为一套闭环控制系统且具有友好人机交互界面。
优选地，所述真空罐转接法兰内外接口均为能够传输Ka频段的接口。
优选地，Ka频段波导将至少一个真空罐内产生的Ka频段大功率射频信号输出，通过大功率连续波定向耦合器进行衰减耦合后，可以满足后端连接的Ka频段高频电缆的耐受功率要求；耦合器的直通端连接大功率负载，对射频大功率信号进行吸收，同时在大功率负载上贴热电偶和电加热片，温度采集处理及加热器控制系统通过热电偶实时采集大功率负载表面温度，并通过电加热片对大功率负载进行闭环温度控制，确保大功率负载在正常温度范围内工作。
本发明的积极进步效果在于：本发明解决了热真空环境中高频段大功率射频信号有线传输过程中的散热问题，且简单、经济、灵活、可靠。本发明通过Ka频段波导将大功率负载延伸至红外加热笼外，并在其表面贴热电偶和电加热片，通过温度采集和加热器控制系统进行温度闭环控制。确保大功率负载正常工作，从而确保高频段大功率射频信号安全、可靠、有效的传输到真空罐外自然环境中进行试验。
附图说明
图1为本发明的连接图。
图2为Ka频段波导(BJ260)接口图。
图3为真空罐转接法兰接口图。
图4为热电偶安装图。
图5为电加热片安装图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明为真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其采用元件包括Ka频段波导1、大功率连续波定向耦合器2、Ka频段高频电缆3、大功率负载4、热电偶及传输电缆5、电加热片及传输电缆6、红外加热笼7、温度采集处理及加热器控制系统8、真空罐转接法兰9，大功率连续波定向耦合器2连接Ka频段波导1、Ka频段高频电缆3，Ka频段高频电缆3连接大功率连续波定向耦合器2、真空罐转接法兰9，Ka频段波导1连接大功率连续波定向耦合器2、大功率负载4，大功率负载4连接热电偶及传输电缆5、电加热片及传输电缆6，真空罐转接法兰9连接温度采集处理及加热器控制系统8、热电偶及传输电缆5、电加热片、传输电缆6，红外加热笼7位于Ka频段波导1和大功率连续波定向耦合器2外侧。
本发明的工作原理如下：Ka频段波导1将至少一个真空罐内产生的Ka频段大功率射频信号输出，通过大功率连续波定向耦合器2进行衰减耦合后，可以满足后端连接的Ka频段高频电缆3的耐受功率要求；耦合器的直通端连接大功率负载4，对射频大功率信号进行吸收，同时在大功率负载4上贴热电偶5和电加热片6，温度采集处理及加热器控制系统8通过热电偶5实时采集大功率负载4表面温度，并通过电加热片6对大功率负载4进行闭环温度控制，确保大功率负载4在正常温度范围内工作。
Ka频段波导1为铝制材料且输入输出均为波导接口，这样能满足真空罐内环境温度要求、频率和耐受功率要求。
大功率连续波定向耦合器2输入输出端都为波导接口，这样能满足真空罐内环境温度要求、频率和耐受功率要求。
大功率负载4表面安装散热片，这样能满足真空罐内环境温度要求、频率和耐受功率要求和接口特性要求。
Ka频段高频电缆3其接口为能够传输Ka频段的接口，这样能满足真空罐内环境温度要求、定向耦合器输出的Ka频段信号的频率和耐受功率要求。
热电偶及传输电缆5贴在大功率负载4表面,这样能满足真空罐内环境温度要求。
电加热片及传输电缆6贴在大功率负载4表面，这样能满足真空罐内环境温度要求。
温度采集处理及加热器控制系统8为一套闭环控制系统且具有友好人机交互界面，这样能满足温度实时采集和快速处理要求和实时对加热片温度进行控制的要求。
真空罐转接法兰9内外接口均为能够传输Ka频段的接口，这样能满足真空罐内外环境温度要求和接口转接要求。
本发明将真空罐内的Ka频段大功率射频信号进行衰减，以满足Ka频段高频电缆的耐受功率要求，为了防止大功率负载由于吸收了大功率连续波定向耦合器输出的大功率能量而产生的温度升高，本发明采用Ka频段长波导将大功率负载延伸到红外加热笼外靠近真空罐壁的位置，由于真空罐内越靠近罐壁温度越低(最低可达-273℃)，当卫星本体温度很高时，大功率电子负载所处的环境温度很低，过低的温度会导致大功率负载无法正常工作，因此，本发明在大功率电子负载表面贴热电偶和电加热片，当监测到热电偶温度低于大功率电子负载正常工作温度下限时，自动控制开启电加热片进行加热控制，当温度超过大功率电子负载正常工作温度上限时，自动关闭电加热片，从而确保大功率电子负载能够可靠的将Ka频段大功率信号吸收。最终保证卫星输出的Ka频段大功率射频信号经过衰减后安全、可靠、有效、灵活的传输到真空罐外进行相关性能和指标测试。本发明解决了大功率负载在吸收大功率信号能量后的有效散热问题，最后将高频段大功率射频信号经过衰减后，可靠、安全、有效的传输到真空罐外自然环境中进行相关性能和指标测试。本方法的实现装置包括Ka频段波导、大功率连续波定向耦合器、Ka频段高频电缆(可用于热真空环境)、大功率负载、热电偶及传输电缆、电加热片及传输电缆、红外加热笼、温度采集处理及加热器控制系统、真空罐转接法兰等。
Ka频段波导的工作频率范围22GHz～26.5GHz，耐受功率200W，输入输出端均为BJ260波导接口，驻波比小于1.20，用于将卫星Ka频段大功率射频信号传输到大功率连续波定向耦合器，通过耦合器传输到大功率负载；
大功率连续波定向耦合器的耦合度为20dB，工作频率范围22GHz～26.5GHz，耐受功率200W，驻波比小于1.20，输入端为BJ260波导接口，耦合输出端为K2.92接口，直通输出端为BJ260波导接口，用于真空罐内Ka频段大功率射频信号的衰减，将射频大功率信号转换为小功率信号；
Ka频段高频电缆工作频率范围为22GHz～40GHz，耐受功率50W，输入输出端均为K2.92接口，驻波比小于1.35，插损2.5dB/m，用于将经过衰减后的Ka频段大功率射频信号连接至真空罐内的转接法兰；
大功率负载的工作频率范围为22GHz～26.5GHz，耐受功率200W，输入端为波导接口，驻波比小于1.15，负载表面有散热片，用于真空罐内Ka频段大功率射频信号的能量吸收；
热电偶为K型，温度灵敏度为±0.2℃，贴在大功率电子负载表面，用于实时温度检测；
电加热片及其传输电缆贴在大功率电子负载表面，用于进行温度控制；
红外加热笼用于对卫星本体进行温度控制，使卫星工作在指标要求的温度范围内；
温度采集处理及加热器控制系统用于对大功率电子负载表面热电偶的温度进行实时采集，同时对大功率电子负载表面电加热片进行开关机控制，其为一套闭环控制系统，当监测到热电偶温度低于大功率电子负载正常工作温度下限时，自动控制开启电加热片进行加热控制，当温度超过大功率电子负载正常工作温度上限时，自动关闭电加热片；
真空罐转接法兰，工作频率范围22GHz～26.5GHz，耐受功率10W，罐内外接口均为K2.92，驻波比小于1.20，插损0.5dB，用于将真空罐内的信号转接并传输到真空罐外。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，其采用元件包括Ka频段波导、大功率连续波定向耦合器、Ka频段高频电缆、大功率负载、热电偶及传输电缆、电加热片及传输电缆、红外加热笼、温度采集处理及加热器控制系统、真空罐转接法兰，大功率连续波定向耦合器连接Ka频段波导、Ka频段高频电缆，Ka频段高频电缆连接大功率连续波定向耦合器、真空罐转接法兰，Ka频段波导连接大功率连续波定向耦合器、大功率负载，大功率负载连接热电偶及传输电缆、电加热片、传输电缆，真空罐转接法兰连接温度采集处理及加热器控制系统、热电偶、传输电缆、电加热片、传输电缆，红外加热笼位于Ka频段波导和大功率连续波定向耦合器外侧。
2.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述Ka频段波导为铝制材料且输入输出均为波导接口。
3.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述大功率连续波定向耦合器输入输出端都为波导接口。
4.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述大功率负载表面安装散热片。
5.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述Ka频段高频电缆其接口为能够传输Ka频段的接口。
6.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述热电偶及传输电缆贴在大功率负载表面。
7.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述电加热片及传输电缆贴在大功率负载表面。
8.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述温度采集处理及加热器控制系统为一套闭环控制系统且具有友好人机交互界面。
9.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述真空罐转接法兰内外接口均为能够传输Ka频段的接口。
10.如权利要求1所述的真空罐内高频段大功率射频信号有线传输散热装置，其特征在于，所述Ka频段波导将至少一个真空罐内产生的Ka频段大功率射频信号输出，通过大功率连续波定向耦合器进行衰减耦合后，可以满足后端连接的Ka频段高频电缆的耐受功率要求；耦合器的直通端连接大功率负载，对射频大功率信号进行吸收，同时在大功率负载上贴热电偶和电加热片，温度采集处理及加热器控制系统通过热电偶实时采集大功率负载表面温度，并通过电加热片对大功率负载进行闭环温度控制，确保大功率负载在正常温度范围内工作。
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