《Acta Astronautica》：Reliability evaluation and protective design of COTS bandpass filters under ground-simulated VLEO space environmental hazards
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•地面加速寿命试验模拟了1.5年和3年内极低地球轨道（VLEO）空间环境危害对商用现货（COTS）带通滤波器的影响。•原子氧（AO）引起的逐层退蚀以及后续导电层的氧化导致了关键的射频性能退化。•提出采用聚苯碳（Parylene-C）保形涂层作为牺牲层，以提高COTS器件的可靠
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地面加速寿命试验模拟了1.5年和3年内极低地球轨道（VLEO）空间环境危害对商用现货（COTS）带通滤波器的影响。
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原子氧（AO）引起的逐层退蚀以及后续导电层的氧化导致了关键的射频性能退化。
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提出采用聚苯碳（Parylene-C）保形涂层作为牺牲层，以提高COTS器件的可靠性并延长其工作寿命。
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该涂层显著延缓了封装体的侵蚀，即使在迎流方向原子氧直接暴露下，也能成功保持射频功能。
引言
在航天探索的前几十年中，卫星运营主要集中在低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO），这些轨道具有稳定的运行寿命和经过验证的技术基础设施。相比之下，极低地球轨道（VLEO）（定义为450公里以下的高度）由于存在显著的空气动力阻力、高通量原子氧（AO）以及快速变化的热层密度[1], [2], [3]，被认为不适合长期卫星运营。尽管早期卫星暂时穿越过该区域，但由于任务可持续性有限[4]，VLEO在长达数十年的时间里被排除在主流卫星运营之外。
近年来，可重复使用运载火箭技术的突破以及航天材料的进展重新激发了人们对VLEO的兴趣[5], [6], [7]。如今，VLEO被视为最大化地球观测和通信卫星性能的关键轨道。具体而言，信号传播距离的缩短带来了低时延和最小化路径损耗等优势[8]。此外，相对较高的大气密度使VLEO成为一条能够减缓轨道碎片的自清洁轨道[9]。尽管存在这些优势，VLEO仍带来了显著的技术挑战。运行在该区域的卫星直接暴露于严重的空间环境危害（SEHs），包括热循环、紫外线（UV）、真空、AO以及带电粒子[10], [11]。这些因素加速了卫星的热、机械和电学退化，导致功能丧失和可靠性降低[12], [13], [14]。
对具有成本效益的VLEO任务以及更短开发周期的需求推动了商用现货（COTS）器件的采用[15], [16]。然而，由于COTS组件无法保证在如此极端环境中的运行可靠性，其应用需要经过系统的筛选程序来识别并消除早期故障。最近，欧洲航天局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）等航天机构正致力于通过针对特定任务特点定制现有的航天组件标准（例如ECSS-Q-ST-13C、EEE-INST-002）来提高COTS的可用性[17]。
大量研究致力于表征恶劣的LEO和VLEO环境并分析其对材料的损伤机制。Lee等人[18]评估了印刷电路板复合材料在LEO空间环境危害下的表现，并确认了其机械性能的退化。Goto等人[19]研究了聚合物在VLEO条件下的光学性能变化，并定量评估了退化程度。关于COTS器件，Brunetti等人[20]评估了其辐射耐受性并提出了选择指南。然而，此前的研究仍主要集中在两个独立的领域：针对AO耐受性的材料层面研究，以及主要聚焦于辐射硬度的COTS器件可靠性研究。对于功能性射频COTS组件，将器件的物理退化与其在综合VLEO空间环境危害下的电性能联系起来的系统性可靠性评估尚未开展。这一空白对于射频组件尤为显著，因为这类组件的性能对环境危害的变化高度敏感。
根据文献，由于地球磁场和残余大气的屏蔽效应[21]，VLEO经历的辐射剂量低于LEO或GEO。此外，除极地地区外，俘获辐射的影响微乎其微[22]。相反，随着高度降低，非辐射性空间环境危害（特别是高通量AO）的影响呈指数级增加[2]。因此，评估对这些非辐射性空间环境危害的耐久性已成为VLEO任务更为关键的设计约束。因此，需要建立一种新颖的空间环境危害耐久性测试方案，专门用于确保COTS器件在VLEO中的可靠性。
在本研究中，选择了一种射频（RF）带通滤波器（BPF）以评估其在模拟VLEO环境中的可靠性。作为无源器件，BPF对辐射的敏感度低于有源器件，这使得本研究能够隔离辐射引起的效应，并明确分析由空间环境危害导致的物理退化对功能性能的影响。此外，本研究提出了一种采用聚苯碳（Parylene-C）保形涂层进行的保护性设计，以确保BPF的空间环境危害耐受能力。通过分析涂层前后表面形貌和元素组成的变化，并定量验证射频性能退化，我们建立了一种在不影响BPF固有滤波特性的前提下最大化耐久性的保护设计技术。
本文的结构如下：第2节详细介绍了VLEO的环境特征以及在地面测试设施中模拟VLEO空间环境危害的方法。第3节展示了BPF的可靠性评估，包括对空间环境危害导致的形貌和成分变化的定量分析以及射频性能测量。最后，第4节提出采用聚苯碳保形涂层作为保护性设计，以提高BPF的可靠性并延长其在VLEO空间环境危害下的运行寿命。最终，通过实验阐明空间环境危害导致的射频性能退化机制，本研究验证了所提出的保形涂层是确保COTS器件在极端VLEO环境中长期运行的有效策略。本研究的创新性体现在两个方面：通过追踪从封装退蚀到可测量S参数变化的因果链，将材料层面的AO侵蚀分析与系统层面的射频功能退化联系起来；并验证了一种低成本、室温条件下的保形涂层，可在不改变器件设计的前提下提高COTS器件的可靠性。
章节摘要
空间环境特征
为了确定基准VLEO环境，假设了一个位于350公里高度、倾角50°的理想圆形轨道，忽略J?引力摄动等高阶效应。贝塔角（β）设为0°，卫星假设保持指向太阳的姿态。这些假设旨在为主要的空间环境危害建立最坏情况条件。350公里的高度接近VLEO运行范围的下限，在此高度残余大气
实验条件
空间环境危害（SEH）模拟条件基于空间环境特征（第2.1节）建立，以重现BPF在VLEO中的直接暴露状态，持续时间分别为1.5年和3年。虽然加速寿命试验（ALT）能高效模拟累积暴露，但无法均匀应用于所有空间环境危害。对于热循环而言，每个循环都要求被测器件（DUT）通过热平衡达到其温度极端值，因此1.5年或3年任务期间累积的众多循环次数无法压缩成
COTS BPF的表面涂层
第3节的结果表明，由AO侵蚀引起的表面损伤与BPF射频性能的退化直接相关。为解决这一问题，本节提出了一种利用聚苯碳（Parylene-C）保形涂层的保护性设计策略。所施加的涂层旨在作为牺牲层，其最佳厚度基于预期的AO暴露条件确定。
具体而言，第4.1.1节详细介绍了选择的
结论
本研究对COTS带通滤波器（BPF）在地面模拟的VLEO空间环境危害下的物理退化和射频性能退化进行了定量分析，并通过实验验证了聚苯碳保形涂层是一种有效的牺牲层。主要贡献总结如下。
首先，阐明了COTS BPF中由AO引起的逐层退化机制。SEM和EDS分析证实，AO导致了金属化封装的退蚀，最终暴露出
CRediT作者贡献声明
Kyu-Jin Lee：原创草稿撰写、调查、数据整理。Chaemin Lim：资源提供。Wansik Kim：资源提供、经费获取。Jung-Ryul Lee：文稿审阅与编辑、验证、监督、经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究由韩国贸易、产业与能源部（MOTIE）资助的技术创新项目（RS-2024-00452152，面向低地球轨道环境的Q/V波段收发模块开发与地面验证）提供资金支持。此外，本研究还在韩国国家研究基金会（NRF）的资助下开展，由韩国政府（MSIT）提供经费（编号RS-2025-02213804）。
Kyu-Jin Lee|Chaemin Lim|Wansik Kim|Jung-Ryul Lee
