星用微波组件低气压放电与真空微放电效应研究

刘中华，李树杰

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051；2.中国电子科技集团公司电子可靠性工程技术有限公司，北京100083）

星用微波组件低气压放电与真空微放电效应研究

刘中华1，2，李树杰1，2

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051；2.中国电子科技集团公司电子可靠性工程技术有限公司，北京100083）

低气压放电效应与真空微放电效应（亦被称为电子二次倍增效应）是装载在航空器或航天器上的星用微波组件在上天过程中与正常定轨后工作所要经历的两个阶段，经历发射至定轨工作的全过程（亦被称为入轨）的星用微波组件要经历低气压放电的考验，而对定轨后运行的星用微波组件则要经受真空微放电的考验。其放电机理和环境条件各异，两种环境试验不具有互换性，对此进行了研究；并对低气压放电与真空微放电提出了相应的防护措施。

星用微波组件；低气压放电；真空微放电；电子二次倍增效应

0 引言

对于在航空器或航天器中使用的微波组件，我们称之为星用微波组件，从其发射高度（高度越高，气压值越小，真空度级别越高）来划分可分为航空与航天两种类型。低气压放电与真空微放电是星用微波组件在入轨与正轨运行中要遇到的两个重要难题。星用微波组件在设计生产时如未考虑到低气压放电效应与真空微放电效应，在随整机发射的过程与运行中可能就会发生低气压放电与真空微放电现象，导致产品部分功能损坏、甚至全部功能失效，从而影响整个航天器或航空器的运行[1]。

星用微波组件从发射到入轨一般要经历从压力100 kPa到1.33×10-6Pa的环境变化。其中，压力值200 Pa～58 kPa为低气压阈值区域，200 Pa～1.3 kPa为低气压放电敏感区域，在这区间的产品要经历低气压放电的考验；小于6.65 Pa的压力环境则为真空微放电阈值区域，这段区域的产品经受真空微放电的考验，6.65×10-2～6.65 Pa为真空微放电敏感区域。而中间6.65～200 Pa之间通常被称之为低气压放电效应与真空微放电效应的过渡区域[2]。

1 原理

低气压放电效应与真空微放电效应都属于环境效应，产生低气压放电现象与真空微放电现象的因素有很多:其产品电极复杂的几何形状，所处的压力区域，不均匀分布的电磁场，输入输出端的表面特性，甚至产品的洁净度等都会导致低气压放电或真空微放电[2]。图1为帕邢（Fascnen）曲线，反映了低气压放电或真空微放电发生区域。

图1 帕邢（Fascnen）曲线

1.1 低气压放电效应

在200 Pa～58 kPa范围的环境中，气体中的自由电子因射频功率激发而获得了能量激发等离子体，继而产生低气压放电现象；自由电子主要由缸体中的碰撞电子产生，其平均自由程小于电极间距。低气压放电涉及多项参数:电离系数、气体电离频率、电子的碰撞频率、电子碰撞电离频率、电子扩散系数和环境压力，以及极间距离、自由电子密度与电子迁移率等[2]。低气压放电与星用微波组件所处环境的气体密度相关。在非气密星用微波组件的两电极加上电平后，两电极间的自由电子在电场作用下发生运动，使被碰撞的电子获得了能量，当电子的能量超过阈值，该电子脱离原束缚，直接进入自由空间，并且在电场的作用下又以其他气体粒子相碰撞，使其他气体粒子进一步地释放出电子[3]。在外加电压超过阈值后气体电离，环境中的气体导电率发生骤变，两电极间的电流剧增，这时的气体则和通常的导体性能相似，导致气体击穿，使星用微波组件的功率发生突变、电晕、电弧和辉光等放电现象；介质损耗和电离等有害影响[3]，使产品发生脱皮、裂纹等机械、物理损伤，或其他任何影响器件或组件工作的缺陷或退化。

在高度较低（环境压力＞58 kPa）的情况下，由于环境的气体分子的密度较大，气体电离后的带电粒子在电场作用下运动的阻力也较大，不易产生低气压放电现象，随着高度的增加，气体密度减少，要使气体击穿所需要的阈值也随之降低，在200 Pa～1.3 kPa之间的阈值综合因素下则较易发生低气压放电现象；但当高度更高（环境压力＜200 Pa），环境中的气体密度更少，要发生低气压放电，驱使气体击穿所需要的阈值电压反而要求更高。并非高度越高，低气压放电现象越容易发生[3]。

1.2 真空微放电效应

真空微放电效应（亦被称为电子二次倍增效应）是在较高的真空度（≤6.65 Pa）、射频电场超过其微放电阈值的情况下，发生的一种射频击穿放电现象[4]，发生在两个金属电极之间或单个介质的表面上。真空微放电是处于真空中的两个分开的表面之间的射频电场所产生的一种真空放电现象:电子通过微放电的两个表面之间、距离时间是加在两个表面上的交流电压半周期的奇数倍，该效应需要一个电子冲击一个表面来激发，并需要在每个表面上有一个或多个二次电子发射来维持。在压力小于6.65 Pa的环境下发生，真空微放电发生初期，是一种不稳定、突变严重、也可自行消亡的现象，在压力小于1.33×10-2Pa下趋于稳定[5]。微放电会造成严重的后果:反射功率、噪声与驻波比增加，从而导致星用微波组件部件暂时或永久性破坏，影响整个系统的运行[6]。

2 低气压放电试验与真空微放电试验的比较

低气压放电试验与真空微放电试验作为环境模拟试验，具有其共同性和差异性。

2.1 低气压放电试验与微放电试验的共同性

a）放电现象

放电现象都是在产品的两电极间、在产生高电平的情况下发生。

b）试验设备

均需能抽真空的试验设备，设备均需满足:试验容器具有电磁波通透性[2]，可以进行温度监测，满足一定的洁净度，具有真空度（压力）指示。

c）射频性能检测系统类似

均需要直流稳压电源、信号发生器、调制调零模块、功放、功率耦合器、频谱分析仪、示波器和功率计等[2]。

d）电磁兼容性（EMC）

测试系统的各种功能和性能均须满足EMC设计[2]的要求，以免产生试验误判。

e）考核目的相似

设计初期主要考核设计的星用微波组件阈值，正样阶段则着重考核星用微波组件的产品质量[2]。

2.2 低气压放电试验和真空微放电试验的差异性

a）试验压力范围不同

产生低气压放电的压力约为200 Pa～58 kPa，真空微放电试验的压力小于6.65 Pa。

b）试验设备的要求不同

低气压放电试验设备要求真空度小于200 Pa就可以满足要求，而真空微放电试验设备要求真空度要达到1.33×10-3Pa，因而设备对抽真空所配置的泵的要求也不同:低气压放电试验设备配置能够抽至200 Pa的普通机械泵就可以，条件较好一点则可以加上罗茨泵；而真空微放电试验设备则要求机械泵与罗茨泵外，还要配置能抽高真空的低温泵或分子泵等。

c）试验时输入不同的信号

低气压放电试验中输入为连续波信号，真空微放电试验中输入连续波加脉冲信号，有时试验需要还要输入自由电子[2]。

d）运行环境有区别

低气压放电试验的样品多为航空产品，或为前发射阶段过程（高度较低）的航天产品，真空微放电试验的产品则为后发射阶段过程（高度较高）或定轨运行的航天产品。

e）放电观察效果（图形）不同

产生低气压放电后在样品放电区为不规则图形，如图2所示，低气压放电后留下一片糊状；而产生微放电后在放电区会留下较规则的图形，如图3所示，真空微放电发生后留下对应的螺孔外廓。

图2 低气压放电现象

图3 真空微放电现象

3 低气压放电与微放电的防护措施

3.1 低气压放电效应的防止措施

a）设计合理、规范

合理地设计微波组件的结构参数，如增加透气孔、表面钝化处理、填充介质等，避免在所选用的功率与压力环境中产生低气压放电现象。

b）严格控制工艺

在生产与装配星用微波组件时，对加工工艺和工作间的要求较高。为了保证星用微波部件的实际承受功率值接近于理论计算阈值，应该对工艺加工严格控制:组件的电极边缘的突变和尖点要认真处理，避免出现划痕、毛刺、细丝；为避免因污染而造成放电功率阈值降低:装配前要用有机溶剂清洁零部件；在满足洁净度要求的专用操作间内进行操作，调试完成后用乙醇与丙酮有机溶剂等进行超声清洗；存放时，用无毛的包装将部件包裹后放入密封容器，长期存放应充氮或抽真空[2]。

c）试验前用软件进行试验模拟

对所用的功率频率等测试参数在所使用的真空度下进行低气压放电软件仿真，满足使用要求。

d）完整、充分的试验验证

对星用微波组件进行低气压试验验证，满足相对应级别低气压放电余量的测试要求[2]。试验时，控制气压下降的速率，抽速太快容易忽略观察或跳跃现象的发生；有条件的情况下可以采用录像或测试仪器自动记录等方法，避免发生试验误判。

3.2 真空微放电效应的防止措施

a）设计规范

设计要考虑到实际应用中的具体情况，预留相应的真空微放电的冗余量，在满足EMC要求的情况下选择透气孔的直径预留相应数量的透气孔，控制产品的间隙尺寸。选择具有良好的温度特性的材料如殷钢，注意星用微波产品的表面散热情况。间隔距离也是发生真空微放电的关键性因素。因此，尽量地扩大内外导体的间隔尺寸，使自由电子在内外导体间的渡越时间大于射频电压的半个周期。这既能提高真空微放电阈值，也降低了插损。

b）控制工艺

生产装配星用微波组件时对加工工艺和工作间的要求较高。为了保证星用微波部件的实际承受功率值接近于理论计算阈值，应对加工工艺严格控制:组件的电极边缘的突变和尖点要认真处理；也可以考虑使用老练试验、镀膜、电偏压、磁场抑制和注入射频微噪声等抑制真空微放电的措施[4]。镀银或镀金的镀层要求具有致密的晶粒结构和牢固的附着力，以免清洗时使镀层松动、起泡和脱落，不利于真空微放电阈值的提高。另外，为避免因污染而造成放电阈值降低:装配前要用有机溶剂清洁零部件；在满足洁净度要求的专用操作间内进行操作，调试完成后用乙醇与丙酮有机溶剂等超声清洗；存放时用无毛的包装将部件包裹后放入充氮或抽真空的密封容器[2]。

c）试验前用软件进行试验模拟

对所设计的星用微波组件各项技术参数在使用真空度下进行真空微放电软件仿真，满足使用要求。

d）试验验证

进行真空微放电试验验证，应满足相对应级别真空微放电余量的测试要求。在地面用真空设备试验时，注意抽真空时间，抽速太快易发生跳跃或忽略观察真空微放电现象；有条件的情况下可以采用录像或测试仪器自动记录等方法，避免发生试验误判。

4 结论

低气压放电效应与真空微放电现效应都是影响星用微波组件性能及可靠性的重要因素。低气压放电与真空微放电的机理和环境条件各异，两种环境试验不具有互换性，应根据星用微波组件的实际应用情况来选择合适的试验，对航空的星用微波组件必须进行低气压放电试验，而对航天的星用微波组件必须进行真空微放电试验[2]。如果星用微波组件从上天过程中与正常定轨后均需工作，那么星用微波组件低气压放电试验与真空微放电试验都要进行考核。

[1]刘中华，李树杰，刘国强.热真空试验设备中的控温方式研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（4）:1-5.

[2]王宇平，夏玉林.星载微波设备中低气压放电及其防范[J].上海航天，2005（增刊）:65-68.

[3]吴须大，杨军.腔体滤波器与低气压放电[J].空间电子技术，2001（4）:55-60.

[4]李砚平，马伊民.电子二次倍增饱和现象和抑制措施[J].空间电子技术，2008，5（4）:36-40.

[5]GJB 1027A-2005，运载器、上面级和航天器试验要求[S].

[6]田波，钟剑锋.星载功率组件微放电技术研究[J].电子工程师，2004，30（4）:12-13，19.

Research on Low Pressure Discharge and Vacuum
Microdischarge Effects of Satellite-borne Microwave
Modules

LIU Zhong-hua1，2，LI Shu-jie1，2
（1.The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China；
2.The Electronic Reliability Engineering Technology Co.，Ltd.，CETC，Beijing 100083，China）

The de-pressure discharge phenomena and vacuum micro discharge phenomena（electronic quadratic multiplication effect）are thetwo stages that the satellite-borne microwave modules loaded on the aircraft or spacecraft must experience in the lift-off process and after the normal orbit determination.Microwave modules are subject to low pressure discharge from the launch to orbit determination，and vacuum micro discharge after the orbit determination.The mechanism and environmental conditions for these two phenomena are different，and these two kinds of environmental tests are not interchangeable.The respective protective measures against low-pressure discharge and vacuum micro discharge are presented.

satellite-borne microwave component；de-pressure discharge；vacuum micro discharge；electronic quadratic multiplication effect

TN 12；TN 61

：A

：1672-5468（2014）04-0004-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.04.002

2014-02-19

2014-05-09

刘中华（1974-），男，江苏淮安人，中国电子科技集团公司第十三研究所、中国电子科技集团公司电子可靠性工程技术有限公司工程师，主要从事航空航天环境试验模拟研究工作。