微放電檢測方法的分析

微放電是在真空條件下，發(fā)生在微波器件內(nèi)部的射頻擊穿現(xiàn)象。近年來，隨著空間技術的發(fā)展，微波部件工作的功率越來越大，使得空間發(fā)生微放電的可能性 大大增加。工作在大功率狀態(tài)下的微波器件，當功率、射頻和器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸滿足一定關系時發(fā)生微放電效應，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生又取決于真空壓力、加工工藝、表 面處理、材料、污染等因素。微放電一旦產(chǎn)生將造成嚴重后果，導致微波傳輸系統(tǒng)駐波比增大，反射功率增加，噪聲電平抬高，致使系統(tǒng)不能正常工作。高電平微放 電可以引起擊穿，射頻功率全反射，部件永久性破壞，通信信道喪失工作能力?；谖⒎烹姲l(fā)生會產(chǎn)生嚴重影響，而且微放電產(chǎn)生機理復雜，至今還沒有完全掌握； 同時，實際中制作工藝與工藝缺陷，以及存放過程中可能會污染等方面原因，會導致實際的微放電閾值比設計的低；因此，必須對制造好的器件以及待使用的器件進 行微放電測試。
　　1 微放電現(xiàn)象及檢測原理
　　微放電效應是由器件表面二次電子發(fā)射引 起的，由圖1可以看到，會產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，這種效應是諧振性的，因為電子渡越時間必定是射頻場周期一半的奇數(shù)倍。這種諧振效應又依賴于射頻場、器件結(jié)構(gòu)縫隙 和表面次級電子發(fā)射特性等因素。因此，在真空情況下，當電子的平均自由程大于器件結(jié)構(gòu)縫隙尺寸；微波器件內(nèi)縫隙尺寸和諧波頻率使得電子渡越時間為射頻場周 期一半的奇數(shù)倍；表面二次電子發(fā)射系數(shù)大于1；則電子在強微放電場加速下產(chǎn)生電子二次倍增，即微放電現(xiàn)象。表面二次電子發(fā)射特性又與材料、表面處理、污 染、溫度、電子撞擊板時的速度和縫隙電壓等因素有關。
　　
　　圖1 雙金屬表面微放電發(fā)生過程示意圖
　　微放電的產(chǎn)生強烈地依賴于器件表面電子二次發(fā)射特性，盡管在產(chǎn)品鑒定時器件滿足微放電設計容限的要求，但對新加工出的正樣產(chǎn)品仍需要進行微放電效應測 試。由于產(chǎn)品加工過程中未預計到的污染、表面材料狀況、粘結(jié)劑和潤滑劑的存在；銳利邊緣場強的增加等因素都會使產(chǎn)品微放電效應閾值下降，因而必須對飛行器 件本身或飛行樣品進行測試，并留有功率余量（一般設計為3~6 dB）。
　　根據(jù)微放電發(fā)生會對被測件的輸入輸出信號產(chǎn)生一定影響，如產(chǎn)生 輸入信號相位和幅度發(fā)生變化，產(chǎn)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(fā)生微放電也會產(chǎn)生來自被測件表面的氣體或者離子等放電激發(fā)，或 者產(chǎn)生放電激發(fā)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(fā)生了微放電。
　　目前國內(nèi)外已經(jīng)研究出了多種檢測微放電的方 法，但是由于微放電現(xiàn)象比較復雜，各種檢測方法都在檢測靈敏度和判斷放電可靠性兩方面需要討論，如檢測中可能會發(fā)生了放電，但因為檢測方法的設備系統(tǒng)有一 定延遲不能及時的判斷放電，或者有其他現(xiàn)象產(chǎn)生類似于放電的影響，從而被誤判為放電等。
　　下面介紹一般微放電檢測系統(tǒng)的組成及特點。微放 電檢測系統(tǒng)主要包括四個部分：功率加載系統(tǒng)，真空罐，大功率吸收系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)。功率加載系統(tǒng)產(chǎn)生所需的測試信號，這個信號輸入放在真空系統(tǒng)的被測件，輸 出的功率一部分被負載吸收。在真空罐兩端耦合連接檢測系統(tǒng)，檢測真空系統(tǒng)中的被測件兩端測試信號相位、幅度及底噪的相關變化，由此判斷被測器件是否發(fā)生了 放電；也可以在真空系統(tǒng)中裝電子探針或光纖并連接到顯示設備上，檢測是否發(fā)生了放電。微放電檢測系統(tǒng)基本原理圖如圖2所示（其中*為電子探針或光纖）。詳 細的檢測方法下面將做介紹。
　　
　?。▓D中*是深入被測件的電子探針或光纖）圖2 微放電檢測系統(tǒng)基本原理框圖
　　2 檢測方法介紹
　　微放電的檢測方法分為局部法和全局法，如圖1中的電子探針或光電倍增管/光 纖。局部法有光電倍增檢測和電子探針檢測；全局檢測法有二次諧波檢測、殘余物質(zhì)檢測、前后向功率調(diào)零檢測、近載波噪聲檢測和調(diào)幅法等。微放電局部檢測法是 利用放電會增大電子濃度或者激發(fā)氣體放電；全局檢測方法是利用了微放電過程中信號的變化特性，通過觀測信號的前后變化來檢測微放電。
　　歐洲空間標準化協(xié)調(diào)組織指定的關于微放電設計和測試方面的標準明確規(guī)定，微放電試驗中必須包含兩種檢測方法，其中有一種方法必須是全局檢測法。因此對微放電的檢測方法的研究不容忽視。