扩展“空间逃逸”影响振荡器选择标准

9月28日，2021年

越来越多的低地地球轨道卫星集群正在改变高性能晶体振荡器中的传统规则;空间振荡器为Leo集群提供较低的成本，高可靠性解决方案

约书亚Navarrete，斯科特Sentz.

高性能晶体振荡器已成为轨道卫星应用中的负载量。这spacescape卫星所在的范围或轨道并不是一个统一的环境。地球同步卫星(GEO)和中高度卫星(MEO)的价值通常在数千万甚至数亿美元，预期寿命为几十年。因此，这些非常昂贵的系统要求所有组件的最大可靠性。相比之下，低轨道卫星群是由数百个寿命以年为单位的便宜得多的设备组成的。在许多这些应用程序中，全空间限定组件是不必要的，而且太昂贵了。

本文将深入探讨“空间限定”晶体振荡器的构成以及根据空间逃逸位置存在哪些差异的问题。本文还将试图解决商用现货(COTS)晶体振荡器和微机电系统(MEMS)晶体振荡器与新空间晶体振荡器在新兴卫星星座应用中的适用性问题。

《太空大逃亡》中的许多区域

空间逃逸被定义为有四个不同的区域——低轨道、中轨道、GEO和深空，如表1所示。

轨道应用程序

低轨道通信，地球观测，研究，图像，载人航天(ISS)，军事，空间观测，航天器修理，供应运输(ISS)，和天气

MEO:通信、导航

GEO:通讯，地球观测，军事，研究，空间探索，空间观测，天气

深空探测车，载人航天，行星探索，空间探索

表格1：地球轨道卫星的典型应用。

随着距离地球的距离在这些区域中增加，电子元件的操作规范和测试标准变得更加严格。例如，太阳能电离辐射曝光随着轨道的高度而增加，导致大气吸收/反映其效果的能力。设备承受操作性能和预期操作寿命的能力由设备承受寿命总电离剂量（TID）的能力来确定。进入太空，TID要求越高。

TID的典型范围如表2所示:

轨道行业典型的Q-Tech设备

深空100kad到300kad +

Geo 100 Krad 100 Krad +

MEO 100kad到100kad

LEO从30克拉升到50克拉

表2：TID -典型范围。

在快速扩张的LEO区域，完全合格的“传统空间”组件满足更高的TID和其他苛刻的要求(表3)，以确保长期的任务运行寿命过于昂贵。

数量较低

更高的成本（每台设备高达200,000美元）

长期使用寿命

Geo / Meo轨道和深空

高可靠性

全面筛选

长期交货时间（24-52周）

高辐射宽容

表3:传统空间组件

据估计，“新空间”通信卫星集群将在未来十年内以50,000个单位向上挤出利奥地区。此外，这些设备的预期寿命通常为1 - 3年，因此对这些设备的组件的需求将增长到每年成千上万。与“全部空间”组件相比，“新空间”晶体振荡器具有不同的属性（表4）。

高质量(星座)

每台设备的成本更低(60- 500美元)

短期使命生命

狮子座的轨道

较低级别的筛选或上筛选

较短的交货时间（12-16周）

更低的SWaP -大小，重量和功率

较低的辐射耐受性

表4:新空间组件

用于LEO卫星星座应用的组件采用小型、轻型封装的石英晶体振荡器。这些更便宜的“新空间”振荡器使用与全空间器件相同的高可靠性制造工艺，其性能规格也是如此相同或非常相似，尽管晶体通常只安装在两个点上。它们不需要广泛的质量控制检查（QCI），从而降低了成本和速度交付。即便如此，仍必须完全筛选到MIL-PRF-55310，级别B Plus Pind以验证性能（表5）。

改良MIL-PRF-55310标准筛选试验，B级

·温度循环:MIL‐STD‐883，方法1010，条件B

·恒定加速度:MIL‐STD‐883，方法2001，条件A，仅Y1(5000克)

·密封(轻微泄漏和严重泄漏):MIL-STD-883，方法1014，条件A1和C.

·粒子冲击噪声检测(PIND)：MIL-STD-883，方法2020，条件B.

·老化:MIL-STD-883，方法1015，+ 125°C，标称电源电压和燃烧负载，最小160小时

·最终电气测试：对于指定的参数，标称和极端电源电压，指定负载，+ 25°C和温度极低。PDA = 10％或1部分

·外部视觉: MIL‐STD‐883，方法2009

可选的测试

·A组Per-PRF-55310级B

O.电:电源电压、输入电流、输出波形、升降次数、占空比、启动时间、过电压生存能力、10点频率稳定性测试

·B组

O.老化:振荡器在70ºC±3ºC的烤箱中连续通电30天。每MIL-PRF-55310的输出频率在最大72小时间隔内测量

表5:新的空间组件测试要求

COTS设备适用于哪里?

随着高需求和低成本的压力，诉诸COTS设备的诱惑是可以理解的。但是，即使这些星座卫星的预期寿命较低，每个系统的成本也可能超过100万美元。因此，使用一个没有经过充分太空应用测试的设备只节省50美元是一个错误的选择。

在最近的SPACE TECH EXPO网络研讨会上^［1］洛克希德马丁的克里斯温斯特特表示，有时根据项目开发时间表和成本考虑COTS设备。他问了这个问题，“特派团是什么？”在证明任务时，非完全合格的空间组件是一个有用的选择。正如Winslett所说，“你不知道整个网络，直到你在轨道上获得资产。”

在台架测试和早期项目开发中，没有飞行资格的COTS设备是一个可以接受的选择，但在空间部署中则不是这样，除非是任务证明。

MEMS振荡器怎么样？

在早些时候的一篇题为《将晶体振荡器置于其应有的位置》的白皮书中^[２]，“我们提供了晶体振荡器与MEMS的比较。我们认为，如该文件所述，“.．.存在巨大数量的应用，其中MEMS振荡器是首选解决方案。成本和可接受的性能水平较低，使这些设备成为高批量消费产品，包括手机，玩具，游戏，汽车娱乐/导航系统，命名为少数。在一些航空航天应用中，在短期性能（一个和完成）是重要但长期稳定性的情况下，也可能考虑MEMS。“

“MEMS技术正在振荡器应用领域取得巨大进展，其较低的成本提供了一个有吸引力的解决方案。但超高可靠性的世界仍然是值得尊敬的晶体振荡器领域。”