衛星熱真空測試挑戰：克服 TVAC 環境下的校準漂移與長電纜損耗

 

在衛星通訊產業中，有一句至理名言：「在地面多流一滴汗，在軌道上就少流一滴血（或少燒一億美金）。」在衛星發射升空之前，最關鍵、最昂貴，也最耗時的驗證環節，莫過於 熱真空（Thermal Vacuum, TVAC） 測試，依據 ECSS-E-ST-10-03C（熱控制通用要求）與 MIL-STD-1540 等航太規範，衛星酬載必須在模擬太空環境的真空腔中，經歷數十個循環的極限溫度測試（例如 -170°C 至 +120°C），以驗證其在極端環境下的熱平衡與電氣性能。然而，對於負責射頻（RF）量測的工程師而言，TVAC 測試是一場與物理定律的惡夢對決。

物理障礙一：無法跨越的距離與長電纜效應

標準的商用測試儀器（COTS），如向量網路分析儀（VNA）或頻譜分析儀，其設計並非為了在真空或極端溫度下運作，它們的散熱依賴空氣對流，且內部的電解電容與液晶螢幕在真空中會失效或破裂，因此儀器必須放置在 TVAC 艙外，這導致了一個物理上的必然：必須使用極長的射頻電纜（通常長達 10 公尺至 25 公尺）穿過艙壁（Bulkhead）連接到艙內的待測物（DUT）。

• 訊號衰減：
  在高頻（如 Ka 頻段或 Q/V 頻段），長電纜會帶來巨大的插入損耗，嚴重壓縮了量測系統的動態範圍，使得微弱的訊號淹沒在雜訊基底中。
• 駐波效應：
  長傳輸線會放大阻抗不匹配帶來的漣波效應，導致量測不確定度隨頻率劇烈波動。

物理障礙二：熱循環導致的校準失效（Calibration Drift）

這是最致命的問題，在進行 VNA 量測前，我們都會進行嚴謹的系統誤差校正（SOLT 或 TRL 校準），將參考平面（Reference Plane）延伸到電纜末端，然而，這個校準是在「常溫」下進行的。

• 介電常數變化：
  當 TVAC 開始運作，艙內溫度急劇變化，射頻電纜的介電材料（如 PTFE）會隨溫度發生相變，導致介電常數改變，進而改變訊號在電纜中的傳播速度（電長度）。
• 熱脹冷縮：
  金屬導體與連接器的物理長度變化，會直接導致相位漂移（Phase Drift）。
• 後果：
  依據經驗，在 Ka 頻段，僅僅幾度的溫差就可能導致數十度的相位誤差，這意味著當艙內溫度降至 -50°C 時，您在常溫下所做的校準已經完全失效，您看到的 S 參數變化，究竟是衛星濾波器的特性漂移，還是測試電纜的誤差？在傳統架構下，這是一個無法回答的問題。

物理障礙三：真空中的「黑盒」困境

在一般的實驗室環境中，如果懷疑校準跑掉了，工程師可以隨時拿著校正件（Calibration Kit）去重新校準，但在 TVAC 測試中，一旦艙門關閉並抽成高真空（小於 Torr），任何人都無法進入。

• 不可逆的過程：
  破壞真空、開艙重新校準、再抽真空，這個過程可能需要數天甚至數週，成本高昂且會中斷連續的熱循環測試。
• 出氣與放電風險：
  若強行在艙內放置非真空等級的切換開關或校正件，材料的 揮發性氣體釋放（Outgassing） 會汙染衛星昂貴的光學鏡頭或感測器；且高電壓元件在特定氣壓下可能引發 電暈放電（Corona Discharge） 或 多動作放電（Multipaction），損壞設備。

因此業界迫切需要一種能夠在「真空腔內部」長期駐留、耐受極端溫差，且能透過「遠端控制」進行重新校準的解決方案；面對上述嚴苛的測試標準與物理極限，單一的地面儀器已無法竟全功；傳統將儀器放在艙外、盲目相信長電纜穩定性的做法，已無法滿足高通量衛星（HTS）對相位與振幅精度的要求，您需要的是將計量標準「送入」真空腔的 「原位（In-situ）校準與監測方案」。

Rohde & Schwarz (R&S) 的航太級測試組件，構建了一套能穿越艙壁、深入真空核心的量測系統。

將校準平面移入真空腔 (R&S ZN-Z33)

R&S ZN-Z33 內聯校準單元（Inline Calibration Unit）是專為 TVAC 環境設計的計量神器：

R&S®ZN-Z33 TVAC 版本10 MHz 至 40 GHz-30°C 至 +80°C內建溫度感測器

• 耐受極端環境：
  R&S ZN-Z33 經過特殊設計與材料篩選，能在 -30°C 至 +80°C 的寬溫範圍內穩定運作，且符合真空出氣標準，它可以永久串接在測試電纜與 DUT 之間，隨衛星一同經歷漫長的熱循環測試。
• 真空中的即時重校準：
  當艙內溫度發生變化，導致艙外電纜的校準失效時，您無需開艙，只需在控制室透過 CAN 總線發送指令，ZN-Z33 會在幾秒鐘內，在最靠近 DUT 的位置執行 Open/Short/Match/Through 校準標準切換，這讓您能隨時將參考平面「拉回」到 DUT 的輸入埠，徹底消除長電纜熱漂移帶來的誤差。
• 低損耗設計：
  為了不影響量測動態範圍，ZN-Z33 具備極低的插入損耗（40 GHz 時典型值僅 5 dB）與極高的方向性，確保了 S 參數與微弱訊號量測的準確度。

精準功率監測：消除傳輸損耗的不確定性

除了向量網路分析，功率量測也是驗證轉發器飽和點的關鍵，可採用 R&S NRP33SN-V / NRP67SN-V 熱真空功率感測器。

• 直連 DUT：
  這些感測器同樣專為 TVAC 設計，可直接鎖在衛星的波導口或同軸接頭上，這意味著功率量測是在「原位」進行的，完全規避了 20 公尺長電纜的衰減與駐波不確定性。
• 乙太網供電與控制：
  透過穿牆的 LAN 介面與 PoE 供電，數據以數位形式無損傳輸至艙外，確保您在螢幕上看到的 0.1 dB 變化，是衛星酬載的真實反應，而非電纜受熱後的衰減。

系統級整合與自動化

這套系統並非單打獨鬥，透過 R&S ZN-Z30 控制器，單一介面可同時管理多達 48 個 艙內的校準單元，這對於擁有數十個轉發器通道的大型通訊衛星而言至關重要。

使用單一控制器即可管理多達 48 個校正模組；若需更多埠數，可使用多台控制器。透過簡易且快速的重新校正，確保量測精度穩定且具備高重現性。

SMARTerCal 技術： 整合於 R&S ZNA 向量網路分析儀 中的軟體演算法，能自動管理這些內聯校準單元，它不僅能執行基本的誤差修正，還能進行 平坦度功率校準，甚至對真空腔內的轉接頭、波導開關進行 去嵌入（De-embedding） 運算，還原最純淨的元件特性。

實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同。如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

立即聯繫奧創系統，讓我們協助您打破真空腔的物理隔閡，將實驗室等級的精密校準帶入最嚴酷的太空模擬環境，確保您的衛星在發射前獲得最真實、最可靠的驗證數據。