航天器大功率微波部件微放电测试研究进展 ①

魏 焕，王新波，胡天存，李砚平，王保新，崔万照*

(1.中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710000；2.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

微放电效应是指微波部件处于1×10-3Pa 或更低压强的真空状态时，在射频大功率信号激励条件下，微波部件在电磁场驱动电子运动碰撞部件产生二次电子倍增引起，从而引发二次电子雪崩的现象。微放电效应发生时将引起噪声电平抬高、部件表面损坏、微波传输系统驻波比增大、甚至导致微波部件永久性失效，成为星载大功率微波部件研制的瓶颈问题之一[1,2]。因此，大功率微波部件在随卫星发射之前需要进行严格的微放电试验验证。

目前微放电有多种检测方法，可以分为全局法与局部法。全局检测法能够判断系统中有没有发生微放电，但是不能指出微放电发生的位置。对空间微波部件，设计需要避免微放电，因此可以参考全局法进行设计。在其他情况下，尤其是在部件研发阶段要求能够找出微放电发生的位置，以便指导设计的薄弱点，此时局部法则可以更好的监测部件或者系统内部一个特定区域来检测放电，而不需要考虑部件其它部分或整个系统的其它部件。局部检测方法有两种：光学检测法和电子探针检测法。常用的全局检测方法有：近载波噪声检测法、相位噪声检测法、谐波检测法、正反向功率检测法和调零检测法。各种检测方法都有一定的适应场景，同时测试系统的复杂度各有不同，工程验证性的实验一般选取两种适合的检测方法。

结合技术的发展与实际的需求，目前自动调零的微放电检测方法作为灵敏度高且实现效果好，在工程中逐渐应用；同时测试方法向自动化、数字化和安全性方向发展，自动调零检测法成为新的发展目标。

1 微放电效应及其测试

1.1 微放电效应

微放电也称为二次电子倍增效应，是指部件处于1×10-3Pa或更低压强时，在承受大功率的情况下发生的谐振放电现象。根据表面几何形状和材料成分的不同，微放效应有多种形式。典型的微放电现象有：(1)金属谐振结构中的双表面微放电；(2)介质微放电[3-5]。

航天器载荷系统中微放电主要发生在双表面的金属谐振结构中，其产生过程(如图1所示)为：初始电子在外加射频场的加速下轰击上金属表面，如果材料的二次电子发射系δ >1，则释放出比初始电子更多的二次电子；此时电场反向，二次电子在反向电场的加速下轰击下表面金属，如此循环，以致最终产生微放电效应[6]。

图1 双金属表面微放电发生过程示意图

介质材料由于介电常数高、损耗和温度稳定性优等特性开始应用于通信、雷达和导航等领域，介质大功率微波部件由于体积小，重量轻等优势具有较强的竞争力[7-10]。包含介质材料的大功率微波部件在高真空、强辐照的太空环境中更容易发生二次电子发射，导致介质材料性能退化，影响卫星载荷的寿命和可靠性。随着空间载荷功率增高，大量包含介质结构的微波部件开始被广泛应用，其内部的电磁场分布变得极为复杂，并且介质表面会因为二次电子倍增而带电，使得介质表面产生准静电场，时变电磁场与准静电场共同作用下二次电子不断倍增，最终产生微放电效应。典型的微波部件中主要存在介质-金属、介质-介质以及单个介质单表面三种类型，如图2所示[11,12]。

由此可见，二次电子倍增产生的微放电效应十分复杂(尤其是介质加载微波部件的微放电效应)，国内外针对微放电仿真分析开展了大量研究工作，但是二次电子发射系数又与真空压力、加工工艺、表面处理、材料成分、污染等因素有关[13]，这些给微放电仿真分析设计引入不确定性，为了确保飞行件安全需要开展地面大功率微放电试验。

1.2 微放电检测方法

根据微放电发生会对被测件的输入输出信号产生一定影响，如产生输入信号相位和幅度发生变化，产生输入信号的谐波变化，或者被测件反射功率增大等。同时，发生微放电也会产生来自被测件表面的气体或者离子等放电激发，或者产生放电激发的电流等。微放电检测就是基于这两方面特点来判断被测件是否发生了微放电。

图2 介质表面微放电

根据欧空局ECSS-E-20-01A微放电测试和设计标准，微放电检测至少采用两种检测方法，且至少有一种是全局检测法。由于发生微放电一般都会在微波部件表面留下清晰可见的痕迹，因此对微放电的研究通常关注微波部件是否会发生微放电效应，在不用破坏部件条件下使用微放电全局检测方法较为实用。常用的微放电检测方法有：谐波检测法、前后向功率检测法和调零检测法。本节主要介绍三种工程常用的全局检测法，并对其进行比较分析。

(1)近载波噪声检测法

微放电是一种谐振现象，会增加载波附近频率的噪声，如果能采取方法滤除载波，则在载波附近频率范围内抬高的噪声电平联合一个低噪声放大器放大后可以用频谱仪检测到。如ESA微放电测试标准中给出的例子：工作在11GHz的微波部件采用近载波噪声检测法时，测试的噪声电平设置在距离载波频率100MHz、带宽50MHz范围内的噪声信号，频谱分析仪可以检测到灵敏度达-100dBm噪声变化，但是低噪声放大器动态范围最大40dB，即可以检测的微放电信号受限制。

这种方法可以用于单载波或多载波信号，但不适用于脉冲模式下工作，因为脉冲会产生谐波，如果脉冲长度和形式选择不当，则脉冲会在测试频率范围内产生谐波。

(2)谐波检测法

三次谐波检测法是利用微放电会产生输入信号的谐波分量来检测放电现象。使用谐波检测法，为了优化操作，在输入前端需要滤去高功率放大器和信号源自身非线性所产生的谐波分量，也需要在输出端用高通滤波器耦合微放电非线性产生的谐波分量，并用低噪声放大器放大后用频谱仪来监测。

这种检测方法系统易于搭建，检测放电非常快，尤其在多载波微放电发生时间非常短的条件下使用谐波检测法就非常有用。但是，这种检测方法与近载波噪声检测类似，可能会出现非微放电产生的谐波分量被误认为放电现象，因此，在使用中要与其他检测方法(不包括近载波噪声检测法)一起来判断放电。

(3)正反向功率调零检测法[14]

图3 前向/后向功率调零检测微放电系统框图

正反向功率调零检测法，是利用微放电过程中，微放电对信号的幅度和相位发生变化的机理而建立的，是目前应用最灵敏的微放电检测方法。图3给出了正反向功率调零检测法测试微放电系统框图。正反向功率调零检测法利用微放电对信号幅度和相位的改变来检测，是目前应用中最灵敏的微放电检测方法。它是用一个电桥耦合器把来自被测件的反射功率和通过部件的一部分信号进行衰减调幅调相以达到等幅反向状态，从而实现调零电平。只要正向或反向功率发生变化，就会导致调零状态变化，从而认为是发生了放电。

这种方法的核心是用一个电桥耦合器把来自被测件的反射功率和通过部件的一部分信号进行调零，以改善检测系统的灵敏度，一般调零深度可达到-70dBm，可以灵敏地检测到正向或反向信号的微弱变化。当达到一个好的零点时，整个系统具有较高的灵敏度，传统依靠工程师操作要实现调到和保持一个好的零点很困难。

近年来，随着对微放电检测方法提出自动化、数字化要求的不断强化，自动调零检测系统开始展开研究，目前国内已经有单位采用自动调零检测技术开展微放电测试实验，采用软件实现数字自动调零功能，对正反向信号的调零与时频域检测，实时存储数据及后处理分析微放电中信号变化过程。

2 微放电测试种子电子源

航天器在太空中工作，来自太阳宇宙射线粒子、太阳风、高能粒子等照射使得卫星舱内舱外微波部件中积累自由电子，在高功率工作状态下的微波部件由于二次电子倍增产生微放电效应。

在地面进行微放电测试实验时，需要提供自由电子，自由电子加载方式的不同对检测结果有较大的影响。另外，一般航天器正样在投入实际应用之前都需要进行微放电检测，以确保在轨运行时不会发生放电[15]。这些都要求微放电检测实验具有很好的精度和效率。

ESA的有关研究表明微放电测试中种子电子源加载需要不断研究[16]。在进行空间大功率微波部件放电敏感性检测中，自由电子源的主要作用是：(1)改善测量精度；(2)使测量阈值变化较小；(3)缩短测试时间。特别对于某些窄间隙部件，如果没有自由电子，将会使测量数据发生很大的弥散。目前，我国在大功率星载微波部件介质放电检测中自由电子源主要使用的是放射源，对测试人员的身体健康有害，参考ESA标准，也开始对UV激光源在微放电检测进行研究，后续将开展电子枪在微放电检测中的研究。

2.1 微放电检测实验常用种子电子源

(1)放射源

放射源一般采用铯-137(Cs137)或锶-90(Sr90)，通过辐射的β射线穿透被测件外壁并在内部形成自由电子，因此放射源适用于几乎所有的微波无源部件的介质放电试验。实验时只需将其靠近部件外壁即可，如图4所示。图5所示的是锶-90的衰变放射出的电子能谱图，可以看出电子能量很高，但是数量少，其在穿透部件外壁时，在内侧激发出的二次电子数目也少。因此放射源在部件内部产生自由电子的数目少，效率也较低。放射源成本高，维护复杂，具有辐射性，对人体有害，因此ESA标准推荐在不能采用其他电子源的条件下才使用辐射源作为微放电实验的种子电子源[17]。

图4 锶-90放射源示意图

图5 锶-90放射能谱

(2)电子枪

电子枪利用热发射和场致发射产生自由电子，金属探针上满足电子逸出的条件而生成大量高能自由电子，这些电子运动到行腔内部与被测部件内壁产生碰撞形成更多低能电子从而作为微放电起始电子源参与微放电效应。电子枪对于测试开放结构的部件的介质放电非常适合，典型的例子是对喇叭天线的馈源进行介质放电测试，可以使用电子枪生成的自由电子进入喇叭内壁并且产生更多低能电子。由于采用金属探针生成电子，针对有排气孔的封闭被测部件，金属探针不能放置于被测部件靠近的位置如排气孔内部，因为这种极易发生金属探针与被测部件之间的放电打火现象。这时需将电子枪岀射的电子束对准排气孔，且电子束直径应小于排气孔的尺寸。

(3)紫外光源

紫外光源可通过光电效应产生自由电子，对于开放结构被测设备，可以通过将紫外激光照射到部件金属内壁产生自由电子源直接参与介质放电，见图6所示。紫外激光产生的自由电子从数量和能量的角度更加适合诱导介质放电效应。对于部分封闭式部件，可以通过小至0.6mm直径的光纤将紫外光通过放气孔导入到被测部件内部，这样在紫外光的作用下产生足够的自由电子在被测部件行腔内部运

动，形成介质放电所需的自由电子源。因此紫外光源方案不仅适合开放结构被测部件，同样适合部分封闭结构被测部件。对于具备排气孔的封闭结构部件，在一个排气孔中插入紫外光纤不会对内部真空排气形成影响，因为在测试系统中其他连接单元都可以充当排气通道，另外光纤直径小于排气孔直径，没有形成完全封堵。

图6 紫外光源产生自由电子示意图

2.2 常用自由电子源的分析对比

放射源、电子枪和紫外光源产生的自由电子浓度及能量有较大差异，因此它们在微放电检测效率方面有很大的差异。表1从部件适用性、安全性和经济性方面对三种自由电子源做了对比。

表1 放射源、电子枪和紫外光源对比

4 结束语

微放电效应是航天器大功率微波部件的瓶颈问题之一，本文总结了常用的微放电检测方法，包括近载波噪声检测法、谐波检测法的特点和适用条件，为工程中微放电检测实验提供参考，重点介绍了正反向功率调零检测法的原理和自动化调零检测法的最新进展。工作在空间环境航天器，舱内外微波部件内自由电子在大功率工作时产生的二次电子倍增产生微放电效应，在地面进行微放电测试验证实验时，不同种子电子源和加载方式对微放电测试的影响在文中进行了分析比较。尽管微放电检测方法已经形成了不同层次的标准，但是随着技术的进步，还需要对其不断地深入研究，尤其是不同种子电子源在微放电地面验证试验的影响还需要进一步研究。