航天器大功率微波部件微放電測試研究進展 ①

魏 煥，王新波，胡天存，李硯平，王保新，崔萬照*

(1.中國空間技術研究院西安分院 空間微波技術重點實驗室，西安 710000；2.中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

微放電效應是指微波部件處于1×10-3Pa 或更低壓強的真空狀態時，在射頻大功率信號激勵條件下，微波部件在電磁場驅動電子運動碰撞部件產生二次電子倍增引起，從而引發二次電子雪崩的現象。微放電效應發生時將引起噪聲電平抬高、部件表面損壞、微波傳輸系統駐波比增大、甚至導致微波部件永久性失效，成為星載大功率微波部件研制的瓶頸問題之一[1,2]。因此，大功率微波部件在隨衛星發射之前需要進行嚴格的微放電試驗驗證。

目前微放電有多種檢測方法，可以分為全局法與局部法。全局檢測法能夠判斷系統中有沒有發生微放電，但是不能指出微放電發生的位置。對空間微波部件，設計需要避免微放電，因此可以參考全局法進行設計。在其他情況下，尤其是在部件研發階段要求能夠找出微放電發生的位置，以便指導設計的薄弱點，此時局部法則可以更好的監測部件或者系統內部一個特定區域來檢測放電，而不需要考慮部件其它部分或整個系統的其它部件。局部檢測方法有兩種：光學檢測法和電子探針檢測法。常用的全局檢測方法有：近載波噪聲檢測法、相位噪聲檢測法、諧波檢測法、正反向功率檢測法和調零檢測法。各種檢測方法都有一定的適應場景，同時測試系統的復雜度各有不同，工程驗證性的實驗一般選取兩種適合的檢測方法。

結合技術的發展與實際的需求，目前自動調零的微放電檢測方法作為靈敏度高且實現效果好，在工程中逐漸應用；同時測試方法向自動化、數字化和安全性方向發展，自動調零檢測法成為新的發展目標。

1 微放電效應及其測試

1.1 微放電效應

微放電也稱為二次電子倍增效應，是指部件處于1×10-3Pa或更低壓強時，在承受大功率的情況下發生的諧振放電現象。根據表面幾何形狀和材料成分的不同，微放效應有多種形式。典型的微放電現象有：(1)金屬諧振結構中的雙表面微放電；(2)介質微放電[3-5]。

航天器載荷系統中微放電主要發生在雙表面的金屬諧振結構中，其產生過程(如圖1所示)為：初始電子在外加射頻場的加速下轟擊上金屬表面，如果材料的二次電子發射系δ >1，則釋放出比初始電子更多的二次電子；此時電場反向，二次電子在反向電場的加速下轟擊下表面金屬，如此循環，以致最終產生微放電效應[6]。

圖1 雙金屬表面微放電發生過程示意圖

介質材料由于介電常數高、損耗和溫度穩定性優等特性開始應用于通信、雷達和導航等領域，介質大功率微波部件由于體積小，重量輕等優勢具有較強的競爭力[7-10]。包含介質材料的大功率微波部件在高真空、強輻照的太空環境中更容易發生二次電子發射，導致介質材料性能退化，影響衛星載荷的壽命和可靠性。隨著空間載荷功率增高，大量包含介質結構的微波部件開始被廣泛應用，其內部的電磁場分布變得極為復雜，并且介質表面會因為二次電子倍增而帶電，使得介質表面產生準靜電場，時變電磁場與準靜電場共同作用下二次電子不斷倍增，最終產生微放電效應。典型的微波部件中主要存在介質-金屬、介質-介質以及單個介質單表面三種類型，如圖2所示[11,12]。

由此可見，二次電子倍增產生的微放電效應十分復雜(尤其是介質加載微波部件的微放電效應)，國內外針對微放電仿真分析開展了大量研究工作，但是二次電子發射系數又與真空壓力、加工工藝、表面處理、材料成分、污染等因素有關[13]，這些給微放電仿真分析設計引入不確定性，為了確保飛行件安全需要開展地面大功率微放電試驗。

1.2 微放電檢測方法

根據微放電發生會對被測件的輸入輸出信號產生一定影響，如產生輸入信號相位和幅度發生變化，產生輸入信號的諧波變化，或者被測件反射功率增大等。同時，發生微放電也會產生來自被測件表面的氣體或者離子等放電激發，或者產生放電激發的電流等。微放電檢測就是基于這兩方面特點來判斷被測件是否發生了微放電。

圖2 介質表面微放電

根據歐空局ECSS-E-20-01A微放電測試和設計標準，微放電檢測至少采用兩種檢測方法，且至少有一種是全局檢測法。由于發生微放電一般都會在微波部件表面留下清晰可見的痕跡，因此對微放電的研究通常關注微波部件是否會發生微放電效應，在不用破壞部件條件下使用微放電全局檢測方法較為實用。常用的微放電檢測方法有：諧波檢測法、前后向功率檢測法和調零檢測法。本節主要介紹三種工程常用的全局檢測法，并對其進行比較分析。

(1)近載波噪聲檢測法

微放電是一種諧振現象，會增加載波附近頻率的噪聲，如果能采取方法濾除載波，則在載波附近頻率范圍內抬高的噪聲電平聯合一個低噪聲放大器放大后可以用頻譜儀檢測到。如ESA微放電測試標準中給出的例子：工作在11GHz的微波部件采用近載波噪聲檢測法時，測試的噪聲電平設置在距離載波頻率100MHz、帶寬50MHz范圍內的噪聲信號，頻譜分析儀可以檢測到靈敏度達-100dBm噪聲變化，但是低噪聲放大器動態范圍最大40dB，即可以檢測的微放電信號受限制。

這種方法可以用于單載波或多載波信號，但不適用于脈沖模式下工作，因為脈沖會產生諧波，如果脈沖長度和形式選擇不當，則脈沖會在測試頻率范圍內產生諧波。

(2)諧波檢測法

三次諧波檢測法是利用微放電會產生輸入信號的諧波分量來檢測放電現象。使用諧波檢測法，為了優化操作，在輸入前端需要濾去高功率放大器和信號源自身非線性所產生的諧波分量，也需要在輸出端用高通濾波器耦合微放電非線性產生的諧波分量，并用低噪聲放大器放大后用頻譜儀來監測。

這種檢測方法系統易于搭建，檢測放電非?？?，尤其在多載波微放電發生時間非常短的條件下使用諧波檢測法就非常有用。但是，這種檢測方法與近載波噪聲檢測類似，可能會出現非微放電產生的諧波分量被誤認為放電現象，因此，在使用中要與其他檢測方法(不包括近載波噪聲檢測法)一起來判斷放電。

(3)正反向功率調零檢測法[14]

圖3 前向/后向功率調零檢測微放電系統框圖

正反向功率調零檢測法，是利用微放電過程中，微放電對信號的幅度和相位發生變化的機理而建立的，是目前應用最靈敏的微放電檢測方法。圖3給出了正反向功率調零檢測法測試微放電系統框圖。正反向功率調零檢測法利用微放電對信號幅度和相位的改變來檢測，是目前應用中最靈敏的微放電檢測方法。它是用一個電橋耦合器把來自被測件的反射功率和通過部件的一部分信號進行衰減調幅調相以達到等幅反向狀態，從而實現調零電平。只要正向或反向功率發生變化，就會導致調零狀態變化，從而認為是發生了放電。

這種方法的核心是用一個電橋耦合器把來自被測件的反射功率和通過部件的一部分信號進行調零，以改善檢測系統的靈敏度，一般調零深度可達到-70dBm，可以靈敏地檢測到正向或反向信號的微弱變化。當達到一個好的零點時，整個系統具有較高的靈敏度，傳統依靠工程師操作要實現調到和保持一個好的零點很困難。

近年來，隨著對微放電檢測方法提出自動化、數字化要求的不斷強化，自動調零檢測系統開始展開研究，目前國內已經有單位采用自動調零檢測技術開展微放電測試實驗，采用軟件實現數字自動調零功能，對正反向信號的調零與時頻域檢測，實時存儲數據及后處理分析微放電中信號變化過程。

2 微放電測試種子電子源

航天器在太空中工作，來自太陽宇宙射線粒子、太陽風、高能粒子等照射使得衛星艙內艙外微波部件中積累自由電子，在高功率工作狀態下的微波部件由于二次電子倍增產生微放電效應。

在地面進行微放電測試實驗時，需要提供自由電子，自由電子加載方式的不同對檢測結果有較大的影響。另外，一般航天器正樣在投入實際應用之前都需要進行微放電檢測，以確保在軌運行時不會發生放電[15]。這些都要求微放電檢測實驗具有很好的精度和效率。

ESA的有關研究表明微放電測試中種子電子源加載需要不斷研究[16]。在進行空間大功率微波部件放電敏感性檢測中，自由電子源的主要作用是：(1)改善測量精度；(2)使測量閾值變化較??；(3)縮短測試時間。特別對于某些窄間隙部件，如果沒有自由電子，將會使測量數據發生很大的彌散。目前，我國在大功率星載微波部件介質放電檢測中自由電子源主要使用的是放射源，對測試人員的身體健康有害，參考ESA標準，也開始對UV激光源在微放電檢測進行研究，后續將開展電子槍在微放電檢測中的研究。

2.1 微放電檢測實驗常用種子電子源

(1)放射源

放射源一般采用銫-137(Cs137)或鍶-90(Sr90)，通過輻射的β射線穿透被測件外壁并在內部形成自由電子，因此放射源適用于幾乎所有的微波無源部件的介質放電試驗。實驗時只需將其靠近部件外壁即可，如圖4所示。圖5所示的是鍶-90的衰變放射出的電子能譜圖，可以看出電子能量很高，但是數量少，其在穿透部件外壁時，在內側激發出的二次電子數目也少。因此放射源在部件內部產生自由電子的數目少，效率也較低。放射源成本高，維護復雜，具有輻射性，對人體有害，因此ESA標準推薦在不能采用其他電子源的條件下才使用輻射源作為微放電實驗的種子電子源[17]。

圖4 鍶-90放射源示意圖

圖5 鍶-90放射能譜

(2)電子槍

電子槍利用熱發射和場致發射產生自由電子，金屬探針上滿足電子逸出的條件而生成大量高能自由電子，這些電子運動到行腔內部與被測部件內壁產生碰撞形成更多低能電子從而作為微放電起始電子源參與微放電效應。電子槍對于測試開放結構的部件的介質放電非常適合，典型的例子是對喇叭天線的饋源進行介質放電測試，可以使用電子槍生成的自由電子進入喇叭內壁并且產生更多低能電子。由于采用金屬探針生成電子，針對有排氣孔的封閉被測部件，金屬探針不能放置于被測部件靠近的位置如排氣孔內部，因為這種極易發生金屬探針與被測部件之間的放電打火現象。這時需將電子槍岀射的電子束對準排氣孔，且電子束直徑應小于排氣孔的尺寸。

(3)紫外光源

紫外光源可通過光電效應產生自由電子，對于開放結構被測設備，可以通過將紫外激光照射到部件金屬內壁產生自由電子源直接參與介質放電，見圖6所示。紫外激光產生的自由電子從數量和能量的角度更加適合誘導介質放電效應。對于部分封閉式部件，可以通過小至0.6mm直徑的光纖將紫外光通過放氣孔導入到被測部件內部，這樣在紫外光的作用下產生足夠的自由電子在被測部件行腔內部運

動，形成介質放電所需的自由電子源。因此紫外光源方案不僅適合開放結構被測部件，同樣適合部分封閉結構被測部件。對于具備排氣孔的封閉結構部件，在一個排氣孔中插入紫外光纖不會對內部真空排氣形成影響，因為在測試系統中其他連接單元都可以充當排氣通道，另外光纖直徑小于排氣孔直徑，沒有形成完全封堵。

圖6 紫外光源產生自由電子示意圖

2.2 常用自由電子源的分析對比

放射源、電子槍和紫外光源產生的自由電子濃度及能量有較大差異，因此它們在微放電檢測效率方面有很大的差異。表1從部件適用性、安全性和經濟性方面對三種自由電子源做了對比。

表1 放射源、電子槍和紫外光源對比

4 結束語

微放電效應是航天器大功率微波部件的瓶頸問題之一，本文總結了常用的微放電檢測方法，包括近載波噪聲檢測法、諧波檢測法的特點和適用條件，為工程中微放電檢測實驗提供參考，重點介紹了正反向功率調零檢測法的原理和自動化調零檢測法的最新進展。工作在空間環境航天器，艙內外微波部件內自由電子在大功率工作時產生的二次電子倍增產生微放電效應，在地面進行微放電測試驗證實驗時，不同種子電子源和加載方式對微放電測試的影響在文中進行了分析比較。盡管微放電檢測方法已經形成了不同層次的標準，但是隨著技術的進步，還需要對其不斷地深入研究，尤其是不同種子電子源在微放電地面驗證試驗的影響還需要進一步研究。