用于空间任务的高性能电子设备

文章作者:Maurizio Di Paolo Emilio

深度空间的未来勘探任务将利用能够产生大量数据的科学工具。为了能够处理它们，车载计算机将需要高计算力。这些设备性能增长的最大限制是他们必须工作的极端环境。

空间环境具有特殊条件，可影响并在某些情况下降低空间材料的力学特性，从而对结构运行的整体性能产生负面影响。

空间辐射流主要由85%的质子和15%的重原子核组成。辐射的影响会导致器件性能的退化、中断和中断。空间合格部件的主要要求是保证长期可靠运行的能力。

空间辐射
包括地球大气层的最高面积的空间被损坏半导体器件的许多高能粒子填充。例如，在范艾伦带，银河系宇宙射线，X射线和紫外线存在电子和质子。通常，存在两种显着的效果（累积和单一事件），其产生微电子电路的操作参数的变化（图1）.

带电粒子和伽马射线产生电离，可以改变装置的参数。这些变化估计在总电离剂量（TID）参数方面估计。在Rad中通常测量吸收的电离剂量，在克材料上的100 ergs的吸收能量（通过灰色多年更换Rad = 0.01 Gy）¹。由于每单位质量单位的能量损失从一种材料变化到另一个材料，因此沉积给剂量的材料总是在测量单位中指定[例如Rad（Si）或Rad（GaAs）]。

由于太阳能活性，TID是长期暴露于电子和质子的累积效果。组件参数的逐渐劣化，例如电源和色散电流，阈值电压和传播时间是TID故障的特性。与航天器和卫星的任务持续时间和轨道的高度的要求确定组件必须符合的电离辐射水平。典型的级别在10到100克拉德（SI）之间。

累积效应是指多年来不可弥补的损害累积到在太空中无法使用电子设备的程度。这些损伤在实验室中是可以预测的，有了这些信息，我们就能够为每架飞机建立一个有用的平均寿命。

另一方面，单事件效应(SEE)是不可预测的，可以根据电子设备的位置随时出现。see被分为两类:瞬态效应(或软错误)，如单事件瞬态(SET)和单事件扰动(SEU);灾难性的影响，如单事件耗尽(SEB)，单事件门破裂(SEGR)和单事件闭锁(SEL)。

每一种SEE的原理是，随着粒子的通过，器件的敏感区域内电荷的积累。在一个半导体器件的路径上，通过库仑相互作用，可以释放出直径从几百纳米到几微米不等的电子-空穴对。

根据几个因素，粒子可以引起不可观察的影响(SET)，微处理器电路操作的瞬态扰动，逻辑状态的变化(SEU, SEL)，或器件或集成电路的永久损坏(SEGR, SEB)。

预防解决方案是避免在范艾伦带的区域中放置卫星;在太阳能流量增加的时期，它们也可以关闭。屏蔽制成并用于辐射（尽管它们有时会很重）;但最重要的是，在设计中实施并在实验室进行测试（图2）.

卫星结构
现代电信卫星的结构旨在优化将其置于适当轨道的过程，并使其更好地发挥作用。卫星由中心部分组成，大部分的电子设备、推进系统和相关的储罐都在中心部分(图3）.

利用太阳传感器能够识别太阳的位置，这是卫星定位的主要参考点。推进系统用来保持卫星的位置。在服务平台或模块中，有控制卫星方向指向、推进、热调节和动力的功能。控制系统的典型部件包括惯性测量单元(IMU)和处理信号和监测卫星位置所需的电子设备。陀螺仪确保指向稳定性。对于电信系统，有效载荷将包括天线、低噪声放大器和本地振荡器。特别是GPS导航卫星，这包括原子钟、信号发生器和放大器。

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Maurizio di Paolo Emilio是物理学博士和电信工程师。