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衛星酬載驗證：熱真空腔測試中的高精度射頻校正與功率量測

衛星酬載驗證：熱真空腔測試中的高精度射頻校正與功率量測

 

在太空產業中，以 LEO（低軌道）與 MEO（中軌道）衛星星座為代表的新一代通訊技術正快速發展，推動著高傳輸量衛星（HTS） 服務的普及，這些衛星的核心——通訊酬載 (Payload)，必須保證數年甚至數十年在太空環境下穩定運作。

測試需求的衍生與重要性

太空環境極為嚴苛，主要特徵是高真空和極端的溫度循環（例如在地球陰影下急降至 -100 °C，在陽光直射下飆升至 +100 °C），因此在發射前，衛星酬載的合格驗證絕對要求進行熱真空腔測試 (Thermal Vacuum Chamber, TVAC)，以模擬這些極端溫度和真空條件下的性能。

  • 關鍵問題：由於市售的通用測試測量儀器（如頻譜分析儀、向量網路分析儀、訊號產生器）無法在高真空和極端溫度下工作，它們必須留在 TVAC 腔體外，這導致儀器與腔體內的待測物（DUT）之間需要使用長距離的射頻纜線。
  • 核心挑戰：當腔體內的溫度發生變化時，這些長纜線、轉接頭和開關的插入損耗（Insertion Loss）和相位特性會劇烈漂移，原先在常溫或特定溫度下執行的校準（Calibration） 將不再準確，導致量測結果失效。
  • 重要性：為確保衛星的上行（Uplink）和下行（Downlink）鏈路性能符合嚴苛標準，必須解決在無人存取且持續高真空下進行精準、即時校準的挑戰。

衛星酬載性能測試：TVAC 環境下的校準挑戰

衛星酬載的合格驗證要求在熱真空腔 (TVAC) 中進行性能測試，以模擬太空的環境與極端溫度；如前所述，商用的現成測試測量設備（例如頻譜分析儀、向量網路分析儀、訊號產生器等）無法在 TVAC 條件下工作，必須留在腔體外，並透過長纜線連接到腔體內的 DUT；由於腔體內部的纜線、轉接頭和開關的特性會隨著溫度變化而漂移，在不同溫度下執行的校準將不再有效，在纜線移動和溫度變化之後，定期重新校準是確保量測準確性的必要條件。

由於操作人員在真空啟動後無法進入腔體內部，TVAC 內部的校準程序特別具有挑戰性，R&S 專門的校準配件，可以協助在上行和下行參考平面上維持準確的量測，這包括一個內嵌式校準模組，用於在溫度變化或纜線移動後在 TVAC 內部進行校準更新；以及一個功率計，用於監測測試耦合器上的上行和下行功率。

向量網路分析儀 TVAC 多埠校準方案

R&S®ZN-Z33 內嵌式校準單元

R&S®ZN-Z33 自動校準單元乃專為 TVAC 內部操作而設計，可在測試纜線和 DUT 之間永久連接，這實現了隨時進行重新校準的可能性。

  • 基本校準：僅需在常溫環境下，執行一次包含「直通」的基本（多埠）校準，以建立初始基準數據。
  • 即時遙控校準：在真空條件下的溫度運行期間，內嵌式校準單元支援遠端控制重新校準，且無需移動 DUT。
  • 高度整合性：R&S®ZN-Z33 校準單元透過 CAN 匯流排連接到 R&S®ZN-Z30 控制器，ZNA（向量網路分析儀）的 R&S®SMARTerCal 概念已整合了對 ZN-Z30 網路以及 ZN-Z33 校準單元的控制，實現了無縫的遠端控制校準和原位（In-situ） 重新校準。
  • 性能優異：R&S®ZN-Z33 可支援高達 40 GHz，並具有低插入損耗（在 1 GHz 時典型值為 1.5 dB，在 40 GHz 時為 5 dB）和高有效方向性（在 700 MHz 和 20 GHz 之間典型值為 38 dB）。

ZN-Z33 內嵌式校準單元
  • 多埠測試優勢：
    一個 R&S®ZN-Z30 控制器最多可支援 48 個內嵌式校準模組，非常適合多埠 DUT 的測試，支援最遠達 20 公尺的距離。
  • 輔助修正：
    擴展功能範圍允許對輔助元件（如轉接頭和功率分配器）進行校正，並支援變頻器（Mixer）量測。

測試配置圖

R&S®ZN-Z33 方案的主要優勢：

  • 工廠預校準：R&S®ZN-Z33 自動校準單元在工廠已經過 –30 °C 至 +80 °C 溫度範圍的特性描述，確保在真空條件下的穩定工作。
  • 準確的激發功率：即使在 TVAC 內，也能確保精準的激發功率。
  • 「隨插即用」配置，簡化設置流程。
  • 支援變頻器測試。

TVAC 內部的高精度功率量測

一般功率量測（在 TVAC 條件下）可透過 R&S TVAC 功率探棒實現，R&S®NRP33SN-V 和 R&S®NRP67SN-V 功率感測器是專為 TVAC 設計的，並符合歐洲太空總署（ESA）的規範。


NRPxxSN-V 功率感測器
  • 頻率覆蓋：
    R&S®NRP33SN-V 和 R&S®NRP67SN-V 功率感測器覆蓋了衛星通訊的頻率範圍，最高可達 33 GHz 和 67 GHz。
  • 性能：
    它們能進行快速、高精度的功率量測，動態範圍高達 93 dB，且不受訊號頻寬和調變類型影響。
  • 簡化設置：
    透過 Power over Ethernet (PoE) LAN 連接，可以在腔體外部輕鬆控制這些功率感測器。
  • 提升量測精度：
    將感測器直接連接到腔體內衛星的輸入或輸出端，可以消除長 RF 纜線的影響，透過在接近 DUT 的位置量測來提高量測精度。
  • 真空相容材料：
    R&S TVAC 專用纜線和 LAN 穿艙接頭均採用真空相容材料製成，經過足夠長時間的烘烤，以消除 VOC（揮發性有機化合物）和其他污染物。

感測器直接連接酬載

真空環境測試與一般測試環境的差異

在航太與衛星通訊領域，於熱真空腔（TVAC）內進行的測試與在實驗室工作臺上進行的測試，其差異主要體現在以下三個面向：

物理環境與熱管理差異

差異面向

真空條件下的 TVAC 環境

一般測試環境（實驗室）

壓力

極低壓/高真空：

氣壓極低或接近零，模擬太空。

常壓：

正常大氣壓力。

熱傳導

僅透過輻射和傳導：

缺乏空氣，無法進行對流 (Convection) 散熱。

對流、傳導和輻射：

主要的熱量透過空氣對流散失。

元件狀態

出氣現象 (Outgassing)：

許多材料中的揮發性物質會釋放出來，可能污染光學元件或改變電子元件特性。

穩定：

材料狀態穩定，無出氣問題。

溫度

極端寬廣範圍：

需承受 -100°C 到 +100°C 或更高。

常溫：

通常在 20°C 至 25°C 之間。

射頻性能與元件行為差異

真空環境會直接影響 RF 元件的工作物理原理：


差異面向

真空條件下的影響

一般測試環境下的影響

介電常數

(Dielectric Constant)

由於空氣被抽出，充當介電質的空氣消失，RF 纜線或基板的有效介電常數會發生微小變化，影響阻抗和相位速度。

介電常數穩定，影響可忽略。

倍增放電


(Multipaction)

在高功率射頻元件中（如衛星發射機），真空環境下電子可能被 RF 場加速，在元件表面撞擊並釋放出更多電子，形成雪崩效應，導致功率損耗甚至元件損壞。

不易發生，空氣中的分子會干擾自由電子的移動。

測試設置與量測挑戰（最核心的差異）

這是工程師在 TVAC 測試中最需要克服的實際挑戰：


差異面向

真空條件下的 TVAC 挑戰

一般測試環境的特點

儀器與 DUT 距離

長纜線連接：

儀器必須在腔體外，透過長纜線連接腔體內的 DUT。

短纜線連接：

儀器直接靠近 DUT，使用短且穩定的纜線。

校準穩定性

極不穩定：

長纜線和轉接頭的特性會隨腔體內溫度劇烈漂移，原先的常溫校準數據迅速失效。

穩定：

纜線特性穩定，只需定期進行一次性校準。

操作性

無法進入：

真空啟動後，無法手動更換纜線、校準件或進行調整。

完全可操作：

可隨時手動進行即時校準和檢查。

解決方案

需要智慧化/遠端校準：

必須使用 R&S ZN-Z33 等專門設計的內嵌式校準單元，在遠端進行即時（In-Situ）校準修正。

使用標準校準套件即可。

總結來說一般測試環境強調操作便利性和儀器精確度；而 TVAC 測試則強調在極端、難以進入的環境下，如何透過智慧化的硬體解決方案，克服熱效應導致的射頻鏈路漂移，以確保量測數據的真實可靠性。

結論

在航太與衛星通訊的研發與驗證中，熱真空腔測試是確保衛星酬載可靠性與性能的最終關卡，傳統測試方法因長纜線導致的溫度漂移，使得在真空條件下進行高精度射頻量測成為一大難題；R&S TVAC 解決方案，透過 R&S®ZN-Z33 內嵌式校準單元和 R&S®NRPxxSN-V 專用功率感測器，成功打破了這一限制，這套方案的優勢在於：

  1. 自動化校準：實現遠端、原位的校準更新，有效消除纜線溫度漂移帶來的量測不確定性。
  2. 高精度功率量測：功率感測器直接連接 DUT，避免長纜線損耗，確保功率數據的真實性。
  3. 效率與合規：加速了衛星酬載在極端環境下的性能驗證過程，確保衛星能在最短時間內，以最高的品質和可靠性，符合 ESA 等國際規範的要求，成功投入軌道運行。

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