国外微放电设计与测试标准研究进展

魏 焕，张雨婷，杨兆伦，2，王新波，孙勤奋，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.南京航空航天大学 航天学院，南京，211106)

0 引言

微放电是航天器大功率微波部件不可避免的问题[1-3]，随着航天器有效载荷向大功率、小型化、高集成方向发展[4-8]，大功率微波部件微放电设计与测试技术需进一步提升。微放电效应是电子在电磁场作用下撞击部件表面产生二次电子倍增放电，受微波部件内电磁场与微波部件材料表面特性综合影响，使得其分析研究十分复杂。发生微放电会对微波部件产生严重影响，而微放电产生机理复杂，尤其是包含介质的微波部件微放电影响因素更为复杂。实际中存在加工与工艺缺陷，以及存放过程中暴露环境等可能带来的污染等方面原因，会导致实际的微放电阈值比设计的低，在太空中，微波部件也会受到射线、离子等因素的影响，使得微波部件微放电设计更为复杂。因此，国内外微放电检测标准要求对微波部件开展微放电测试，以确保在轨工作安全可靠。

为满足航天器有效载荷快速发展需求，适应微放电仿真分析技术进步，相应的验证测试也变得更为细致严谨，国外航天组织建立或更新了微放电测试标准。美国空军空间和导弹系统中心(SMC)在2014年的SMC-S-016《Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicle》标准中更新了微放电报告TOR-2014-02198[9]；2020年欧洲空间标准化组织(ECSS)的系列标准《Space engineering》修订了微放电手册ECSS-E-HB-20-01A和ECSS-E-ST-20-01C[10-12]；中国航天标准体系在2014年发布的航天行业标准《航天器射频部件与设备检测方法》第2部分QJ20325.2-2014介绍了微放电检测标准，航天科技第五研究院2015年发布了五院院标Q/W 1435-2015[13-14]。文章介绍了美国和欧洲微放电设计与测试标准研究进展，以期为国内微放电检分析与检测标准提供参考。

1 美国微放电标准简介

为减少航天器部件内射频击穿，美国空军空间和导弹系统中心组织多位在政府和航空航天工业的从业人员编写《Standard / handbook for radio frequency (RF) breakdown prevention in spacecraft components》(Aerospace report No. TOR-2014-02198 )微放电检测标准，于2014年发布。该标准面向组件设计人员、卫星系统工程师以及客户群体，包括了7个方面的内容，本文主要介绍与中国标准不同的两个方面内容：最低微放电准则、微波部件分类及分析方法，其他部分内容可参考微放电报告TOR-2014-02198标准。

1.1 最低微放电准则

美国的微放电标准对最低微放电准则明确定义的适用范围为：最低频率为5MHz且微波部件内部射频电压峰值大于5V的部组件(这里称为5MHz/5V规则)。由于电压是微放电击穿定义的参数，因此不适用于部件工作的最小功率水平，必须使用局部场分析来确定实际微波部件几何结构中的特定电压。对于低于5MHz/5V的微波部件，不需要考虑微放电。

1.1.1 微放电敏感频率的选择

对于射频系统内的每个敏感间隙，应评估在不同频率下的微放电击穿情况。

对于射频带宽内最低的单载波信号：

1)如果任意几何结构的f×d在带宽内最低的单载波信号下均小于0.5GHz·mm，则在射频带宽内最高的单载波信号处进行评估；

2)对于大带宽系统，如果可能的频率范围大于0.5GHz·mm，且与最大的可能间隙dmax之商较大，则应在频率步长处评估每个间隙，如式(1)所示：

(1)

如果在最低和最高的单载波信号之间可能存在更敏感的f×d和电压组合，则应考虑在可用带宽内评估其他频率。

1.1.2 微放电间隙

满足5MHz/5V规则的所有元件和传输线结构的每一处间隙都应独立评估微放电发生风险。易产生微放电的间隙一般是满足5MHz/5V规则的金属-金属、金属-介质、介质-介质，其表面之间是开放的未填充的间隙，同时在两个表面之间可能有微放电电子运动轨迹涉及的范围内。目前双表面微放电是常见的微放电，在特殊情况下，如磁性器件或直流偏置系统内可出现单表面微放电，典型的航天器系统中也有可能出现单表面微放电。

在设计和分析中，需要检查所有可能的间隙，包括那些因公差变化产生的间隙。由于几何公差的微小变化，可以引起微放电阈值的显著变化。

1.1.3 最小频率间隙乘积准则

对于较低的频率间隙乘积(f×d)，在物理上有一个截止点，即它有可能不满足电子倍增微放电的标准，这种物理截止点称为最小频率间隙乘积(f×dmin)，而这主要依赖于二次电子发射系数(secondary electron yield, SEY)。f×dmin正比于E11/2，即SEY曲线的第一交叉点能量值的平方根，典型的结构如图 1所示。具体参考准则为：

图1 f×dmin实际值由SEY曲线的第一交叉点能量决定Fig. 1 Actual values of f×dmin will depend on the first-cross-over energy of the SEY

1)f×d<0.5GHz·mm，可不考虑微放电击穿；

2)f×d>0.5GHz·mm，且满足5MHz/5V规则，需要考虑微放电击穿问题。

1.2 微波部件分类及分析方法

1.2.1 微波部件分类

根据微波部件分析复杂程度将微波部件分为3种类型，如表 1所列，具体部件分类在下文中介绍。

表1 微波部件分类介绍Tab. 1 Classification introduction of microwave components

1)1类部件

电子轨迹应在敏感电压区域的金属电极之间确定。电介质应在微放电区域的范围(直线电子轨迹)之外。一般认为金属氧化物是金属表面，除非氧化物层超过10倍的趋肤深度，所有间隙都应有明确定义的通风路径。

2)2类部件

电子轨迹应该在金属和介质表面之间和(/或)两个或两个以上的、在击穿区域的轨迹范围内的电介质表面之间。有机介质(含碳)和非有机介质(如陶瓷)应被认为是2类部件的一部分。所有间隙都应有明确定义的通风路径，且需特别考虑与微放电电子轨迹平行或在同一平面内的介质与介质界面。

3)3类部件

这种类型包括不确定或不可控间隙的部件，包括单元到单元的变换、工艺及几何调谐等。在这些情况下，在部件的寿命期限内包括地面试验和在轨运行期间，不能明确确定所有单元的微放电间隙或可能发生的结构的变化。有意地进行填充或在微放电间隙充气增加气压可以阻碍共振电子的运动，对于灌封部件和密封装置都适用。由于工艺的可变性，无法通过分析证明微放电减缓，因此需要特别考虑。同时，任何不符合1类或2类设备描述的部件应被认为是3类部件。

1.2.2 微波部件分析方法

为了便于对微波部件开展分析，按照复杂度将其分为3类。微波部件分析方法是针对3类微波部件定制不同分析技术的方法。分析技术包括解析场确定、数值场确定和粒子跟踪模拟，典型的部件分类与分析方法与余量如表 2所列。采用不同的方法分析微波部件微放电阈值是为了简化微放电分析过程，并减少分析和测试时预定余量过于保守。

表2 分析和测试的微放电余量要求Tab. 2 Multipactor margin requirements for the analysis and test

在设备类型方面，由于部件故障的风险更高以及介电效应对微放电阈值的不确定性 (SEY和/或表面充电)，因此需要更高的分析余量。对于具有单元到单元可变性的3类部件的微放电余量要求不能仅通过分析进行验证；因此，需要对这些部件类型进行验收测试。对于更复杂的设备，如分析I级和分析Ⅲ级，电压确定通常需要一个多维模型来准确地确定局部间隙电压。对于分析Ⅱ级的设备，需要在更简单的分析I级设备上增加3dB余量的分析，这是因为在电磁粒子分析中，部件内部可能有多个可能的电子轨迹叠加使得整体部件更复杂。分析 Ⅲ 级需要使用最先进的粒子模拟工具进行改进的微放电建模，从而消除选择敏感轨迹的主观性质，也可以更准确地模拟复杂的电子运动。

对于测试，在所有设备类型和分析级别的余量都是相同的。只要被测设备与预期的飞行部件相同，这些余量是合适的。假设设备充分代表实际组件的材料、结构和配置，在有和没有介质的情况下，余量是相同的。

2 欧洲微放电标准

欧洲的微放电检测标准由ESA的标准化机构ECSS主导编写，已经发布的标准主要有2003年发布的ECSS-E-20-01A，2013年的修订版ECSS-E-20-01A Rev.1及2020年的ECSS-E-HB-20-01A与ECSS-E-ST-20-01C的系列标准。最新的微放电标准手册描述了射频器件和设备的设计测试指南及建议，以实现在轨运行不发生微放电，不仅包括之前版本的内容，还增加了二次电子发射测量研究成果。该标准涵盖了所有类别的卫星射频器件和设备在所有频段上发生的微放电特性。本文主要介绍与中国检测标准不同的部分：微波部件分类与微放电考核方法、多载波微放电测试方法。将二次电子发射测量方法表明材料表面状态对微放电性能的影响力，具体二次电子发射部分这里不做介绍，详细参考ECSS-E-ST-20-01C标准。

2.1 微波部件分类方法与微放电考核方法

2.1.1 微波部件分类方法

微波部件表面材料的二次电子发射特性对微放电产生有重要影响。由于微波部件在加工、存储和运输过程中不可避免地存在污染，并会使用黏结剂和润滑剂等，使得微波部件微放电阈值降低，因此微波部件必须保证足够的微放电值余量。

根据微波部件材料二次电子发射特性，ESA微放电设计与测试标准中将微波部件分为3类：第1类(P1)是微波路径全为金属，或者是为增加微放电阈值而开展的非有机表面微处理的金属，并且金属的二次电子发射特性已知，微波部件透气孔设计合理；第2类(P2)为微波路径包含微放电特性明确的介质或其他材料，微波部件透气孔设计合理；第3类(P3)为除了前两类以外的其他类型微波部件。

2.1.2 微放电考核方法

微放电设计余量是指微波部件的微放电阈值功率理论计算结果与额定工作功率之间的差额。在透气孔合理设计的条件下，ESA微放电设计与测试标准按照不同的微波部件类型规定了分析、鉴定级试验、抽检试验、单件产品试验4个阶段的微放电阈值考核余量。

对P1微波部件，在微放电阈值分析余量大于8dB时，如果还满足：1)所分析微波部件是继承于与其类似的已经被验证的合格设计，2)所分析微波部件的结构能够进行准确、可靠的电磁场分析，3)存在已有设计，其分析阈值和测试阈值建立了准确联系，所分析微波部件的微放电关键区域与该已有设计一致，则可以不进行微放电试验，认为微放电考核通过。

在微放电阈值分析余量不大于 8dB时，需要进行鉴定级微放电试验：测试阈值如果大于6dB余量，则微放电考核通过；如果鉴定级微放电试验不满足6dB余量，则需要针对飞行件进行微放电试验。如果是多件飞行件产品同批次投产，只进行微放电抽检：如果所抽样品的微放电阈值余量大于4dB，则该批次飞行件微放电考核通过；如果抽检余量不满足4dB或者为单件飞行件，则必须对每件飞行件进行微放电试验，要求微放电阈值余量大于3dB方可通过微放电考核。

对于P1、P2、P3这3类微波部件的不同阶段，单载波微放电阈值考核余量要求如表 3所列。

表3 微波部件不同阶段单载波微放电阈值考核余量Tab. 3 Classific assessment allowance of different stages of microwave components

表 3 中微放电考核余量是建立在材料二次电子发射特性稳定的成熟工艺基础上。对于工艺稳定性缺乏严格控制，即使在产品鉴定试验时微波部件满足了微放电阈值余量要求，但是对于新加工的正样产品仍然需要开展微放电测试试验，通常要求鉴定级的微放电测试余量不小于6dB，同时飞行试验件微放电阈值余量不小于3dB，并且对于鉴定件和飞行件都要进行微放电试验。针对3类微波部件单载波微放电考核流程如图2所示。

图2 微波部件微放电考核流程图[6]Fig. 2 Flow chart of multipactor assessment of microwave components

2.2 多载波微放电测试方法

多载波微放电测试随着载波数量增加复杂度增大，通常情况下采用等效功率下的单载波进行多频测试。通过定义合理的等效单载波(又称连续波，continuous wave, CW)，就可使用CW测试类比研究多载波放电问题。多载波信号在时域上可以近似为时间为ton和振幅为Von的脉冲信号。可以确定最差情况下产生最低微放电阈值电压Vmc(Von,ton)，如图 3所示。

图3 脉冲模型和CW的余量定义Fig. 3 Margin definition with respect pulsed model and CW operation

图3的参数分别代表：ton为最差情况下的脉冲持续时间，Von为多载波信号在ton时间内的微放电阈值，V0为多载波工作电压，Veq为等效单载波电压，Vsc为单载波电压阈值，M为工作电压和多载波阈值之间的余量。

等效单载波电压是指在单载波中的应用电压Veq，它相对于单载波阈值Vsc产生相同的余量M。

(2)

(3)

功率形式表达为：

(4)

其中Peq,sc为等效的CW功率，Pth,sc为单载波阈值，P0为多载波平均运行功率(所有载波功率值之和)，Pth,mc为多载波平均阈值(所有载波功率值之和)。

为了计算等效的CW功率，需要同时进行单载波和多载波分析。理论上，多载波功率阈值由以下因素制约，有：

(5)

这对等效CW功率提出约束条件，有：

P0≤Peq,sc≤NP0

(6)

根据式(6)，等效定义的替代式，有：

(7)

Pth,mc

(8)

推导得：

若Pth,sc

(9)

若Pth,sc>NPth,mc,Peq,sc=NP0

(10)

若Pth,mc

(11)

3 结论

文章介绍了美国和欧洲微放电标准的部分内容，其中提出了最低微放电准则，对微波部件等进行了分类，不同类别均有不同的微放电分析与测量余量要求，最后介绍了多载波微放电等效单载波测试方法。随着制造技术与工艺控制水平的提高，制定或更新微放电标准可更准确分析微波部件微放电阈值，尽可能降低微放电设计余量，确保在轨不发生微放电。参考国外微放电标准研究可为我国微放电研究及测试提供指导。