微放电基本概念-空间微波部件多载波微放电分析

微放电（Multipactor）指真空环境中电子在电磁场作用下撞击微波部件表面形成的二次电子谐振倍增效应，是国内空间电子信息领域的惯用简称。

1934年Farnsworth在研究电子倍增管时首次发现并命名了微放电效应［1］，其目的是采用微放电实现射频信号的放大。但随着微波技术的发展，微放电效应被认为是一种能够导致大功率微波部件失效的有害效应［2－4］，在卫星有效载荷［5－11］、高功率微波［12－17］以及高能加速器［18－20］等领域得到广泛关注。微放电效应的分类方式，按照所涉及材料的不同，可分为金属微放电和介质微放电［21］；按照发生部件结构的不同，可分为双表面微放电［22－25］和单表面微放电［26－30］。单表面微放电通常发生在具有非均匀电场或电场和磁场交叉的结构中，在这种结构中电场对电子进行加速，并由于磁场的圆周运动使得电子再次回到初始表面。本书主要针对发生在空间大功率金属微波部件中的双表面微放电效应开展研究。微放电的主要过程为［4］：初始种子电子在电场的加速下撞击金属表面，同时产生二次电子，而空间典型金属材料的二次电子发射系数（Secondary Electron Yield，SEY）均大于1，即撞击后新产生的二次电子数量大于撞击的初始电子数，如果撞击瞬间电场正好反向，新产生的二次电子会在下一个射频周期的反向电场加速下撞击对面金属表面，形成新的二次电子，如此循环反复，电子会在两金属表面间持续碰撞和倍增，最终引发二次电子雪崩效应，其产生过程的理想模型如图1－1所示［31］。需要说明的是，宇宙射线或太阳耀斑等会使得空间环境中不可避免地存在高能粒子［32，33］，这些高能粒子会穿过微波部件的腔体侧壁，从而在微波部件内部不可避免地形成能够诱发微放电的初始种子电子。

图1－1　双金属表面微放电过程示意图［31］

（a）微放电过程；（b）射频信号

微放电的建立需要满足以下条件［34］：

（1）真空条件。

微放电效应发生的基本条件是电子的平均自由程必须足够长，使得电子在两平行平板间加速且具有很小的概率和周围的原子或分子碰撞。通常在不大于10－3 Pa的气压下，电子的平均自由程为10－1 m量级，与微波部件中的典型间隙尺寸可比拟，电子能够被自由加速，航天器大功率微波部件工作状态满足真空度条件。

（2）材料的二次电子发射系数大于1。

二次电子发射是材料的固有属性，根据材料种类、表面状况，其二次电子发射系数不同。微放电效应发生的一个基本条件是材料的二次电子发射系数大于1，空间微波部件典型金属材料的二次电子发射系数均大于1。二次电子发射系数不仅与材料有关，而且与初级电子入射能量有关，而初级电子的能量取决于外加射频信号的功率。总体而言，当外加射频信号的功率较小时，初级电子的入射能量较低，无法激发更多二次电子，微放电效应无法建立；当外加射频信号功率较大时，初级电子的入射能量较高，会产生多于入射电子数量的二次电子，从而激发微放电，因此材料的二次电子发射系数与微放电阈值密切相关。

（3）二次电子的渡越时间是微波信号半周期的奇数倍。

微放电的经典理论认为电子倍增过程为严格的谐振过程，电子在两金属平行平板间的渡越时间严格等于射频信号半周期的奇数倍。该经典理论针对平行平板结构中由单频正弦信号产生的均匀分布电场作用下电子的一维运动，结合电子与电场的谐振条件，建立了微放电阈值电压与信号频率f和平行平板间隙d乘积之间的关系曲线，航天领域称其为微放电敏感曲线。(www.xing528.com)

目前广泛使用的欧洲航天局（European Space Agency，ESA）微放电敏感曲线如图1－2所示［7］。图中给出了五种材料的微放电区域，每一个区域的下边界由两段构成，分别用（a）和（b）表示。在（a）段，峰值电压与f×d成正比；在（b）段，峰值电压与f×d的平方成正比。不同材料对应的系数及拐点参数如图1－2中的插图所示。而实际应用中的大部分滤波器均采用镀银处理，并且f×d大于1，一旦频率和间隙的乘积给定，再乘以63就可以获得该间隙可承受的最大峰值电压。例如，对于工作于10 GHz的1 mm缝隙，放电峰值电压为630 V［7］。

图1－2　平行平板微放电阈值电压与f×d的关系曲线［7］

空间大功率微波部件极易发生微放电效应，通信卫星、导航卫星、遥感卫星等航天器有效载荷的大功率微波部件均涉及微放电问题。微放电效应对真空条件下工作的大功率微波部件性能至关重要，典型空间大功率微波部件有滤波器、多工器、微波开关、天线馈源等。微放电效应会使微波部件传输的信号发生畸变，降低信号传输质量，驻波比增大，阻塞信号的传输通道；微放电严重时会使微波部件表面加热，产生释气现象，局部形成低气压环境，发生气体电离放电，烧毁微波部件表面，使得航天器电子系统永久性失效［35－41］。大多数航天器大功率微波部件为单点失效环节，无法在轨备份，一旦因发生微放电效应而在轨失效，将无法修复，导致整个航天器报废，因此微放电效应是空间大功率微波部件设计所必须考虑的关键因素之一［42，43］。

目前，绝大多数卫星都工作于多载波模式。以通信卫星为例，由于远距离的特点，电磁波路径衰减大，卫星必须采用大功率发射信号，为了在相当宽的频带内实现极大输出功率的放大，往往需要对信号进行分路处理再进行分别的功率放大，然后再采用频率合成器进行各路的合成，其工作原理如图1－3所示［44，45］。实际卫星通信系统采用多工器（Output Multiplex，OMUX）将多个通道的不同频率窄带信号合成为一个多载波宽带信号，同时实现功率合成，形成大功率多载波宽带合成信号［44，45］，接着采用宽带的低通滤波器实现对谐波的有效抑制，将大功率多载波合成信号传送至馈源并通过天线向地面辐射。图1－4给出了输出多工器、谐波滤波器、天线馈源的实物照片［46－48］。结合图1－3的通信卫星原理框图，可以看出，输出多工器、谐波滤波器、天线馈源等空间大功率微波部件传输着多载波宽带合成信号、承受着整星最大射频功率，发生微放电的风险极高，需在设计之初就特别关注。

图1－3　典型通信卫星原理框图（见彩插）

图1－4　工作于多载波模式的大功率微波部件（见彩插）

（a）输出多工器［46］；（b）谐波滤波器［47］；（c）天线馈源［48］

在地面进行微波部件微放电试验时，通常采用单音的余弦波信号。随着通信容量的不断提升，卫星的通道数和单通道功率显著增加。由不同频率的单音余弦波构成的多载波条件下的微放电问题受到越来越多的关注，如现代宽带通信卫星通常具有20路以上的通道，因此微波部件必须能够承受20路以上的大功率多载波信号。这里需要特别说明的是，本书提到的单载波信号是指单一频率的余弦射频信号，多载波信号是指由多个单载波信号相叠加构成的射频信号，单载波信号和多载波信号均不包含调制信息。

多载波合成信号的包络严重依赖于每路载波的初始相位［49－52］，因此不同于单载波的情况，相同频率和幅度、不同相位的多载波信号其微放电阈值显著不同，特别是近年来随着多通道、大功率微波部件在大容量通信和高精度导航等卫星中的广泛应用，对空间大功率微波部件多载波微放电阈值准确预测的需求愈发迫切，因此本书对近年来多载波微放电领域的相关研究成果进行归纳总结和系统介绍，并与广大从业人员分享。