微放電檢測方法的總結(jié)與分析詳細教程

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(shù)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(dāng)功率、射頻和器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸滿足一定關(guān)系時發(fā)生微放電效應(yīng)，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(yán)重后果，導(dǎo)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。基于微放電發(fā)生會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而且微放電產(chǎn)生機理復(fù)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(dǎo)致實際的微放電閾值比設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(guān)。

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(shè)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(yīng)測試。由于產(chǎn)品加工過程中未預(yù)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(yīng)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(shè)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(fù)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(shè)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(guān)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(shè)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。

（圖中*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(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)組織指定的關(guān)于微放電設(shè)計和測試方面的標(biāo)準(zhǔn)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。

2.1 局部檢測法

2.1.1 光電倍增檢測法

光電倍增檢測法檢測微放電是一種非常有效的檢測方法。它是利用電子二次倍增器件曝光的照片來檢測放電，這種電子二次倍增可以使來自電子二次倍增材料表面或是在真空系統(tǒng)中存在的參與氣體分子電離。把光纖通過一個小孔放在射頻部件的內(nèi)部，并盡可能地接近放電區(qū)域，把光纖的另一端接到放在真空罐外的光電倍增器上，光電倍增器上的任何輸出都有可能在示波器上顯示，并且去觸發(fā)一個電子二次倍增事件檢測器。

這種檢測方法對于微放電檢測可以準(zhǔn)確判斷放電，但是需要預(yù)先準(zhǔn)確地判斷放電位置，并且還需要在器件上打孔，這僅對于試驗件還可以測量，但是會影響器件的其他性能，因此不是一種實驗室常用的檢測微放電的方法。

2.1.2 電子探針檢測法

電子探針檢測法是利用安裝在被測件內(nèi)的探頭檢測電子濃度的變化來檢測微放電現(xiàn)象。微放電現(xiàn)象的發(fā)生總是伴隨著大量自由電子的產(chǎn)生，微波設(shè)備中的電子濃度可以通過在預(yù)計微放電發(fā)生的區(qū)域插入一個帶正電的探頭來進行測量，帶負電的電子探針被探頭吸附，從而在探頭中產(chǎn)生一個微小但是可以檢測的電流，電流的數(shù)值可以被用來表示電子濃度。

這種檢測方法非常易于實現(xiàn)，因此在許多測試中作為一個普遍的選擇。但是，這種檢測方法也有一些缺點，如需要一個電路來放大微弱電流，從而檢測速度較慢，在使用中主要是作為輔助檢測；同時，對于包括表面放電機理在內(nèi)的放電來說這不總是一個合適的檢測方法；最后，與光電倍增檢測法一樣需要在被測件上預(yù)先設(shè)計好孔，從而造成微放電測試的局限性。

2.2 全局檢測法

2.2.1 殘余物質(zhì)檢測

殘余物質(zhì)檢測法是采用一個質(zhì)譜儀，檢測在電子二次倍增放電器件釋放的污染物和出現(xiàn)的水分。由于用鋁或帶有涂層加工成的元件，在加工過程中，材料表面能吸收水分，在電子二次倍增放電期間此水分被釋放，當(dāng)電子二次倍增放電放生時，包含有膠、環(huán)氧樹脂和其他非金屬化合物的那些合成元件將放出碳氫化合物氣體。經(jīng)過真空罐的接入端把質(zhì)譜儀作為真空系統(tǒng)一個部分裝入，用一個真空閥門來隔離明暗的質(zhì)樸頭，這樣阻止在正常操作時和用特別不干凈元件時所產(chǎn)生的不必要的污染。

這種檢測方法檢測速度較慢，不能檢測快速微放電瞬間，微放電發(fā)生和設(shè)備的檢測有一定的時延。

2.2.2 近載波噪聲檢測法

微放電是一種諧振現(xiàn)象，并且會增加載波附近頻率的噪聲，如果能采取方法濾除載波，則在載波附近頻段內(nèi)噪聲電平的提高可以被頻譜儀檢測到。如果這種檢測設(shè)備和一個低噪聲放大器聯(lián)合使用，就是一種靈敏度非常高的檢測方法。

這種方法可以用于單載波或多載波信號，但不適用于脈沖模式下工作，因為脈沖會產(chǎn)生諧波，如果脈沖長度和形式選擇不當(dāng)，則脈沖會在測試頻段內(nèi)產(chǎn)生諧波。這種方法的另一個問題就是，其他導(dǎo)致噪聲的現(xiàn)象會被誤認為微放電現(xiàn)象的發(fā)生，如測試系統(tǒng)中接頭松動等也會導(dǎo)致類似微放電的噪聲。

2.2.3 諧波檢測法

諧波檢測法是所用的最可靠的檢測方法之一。它是利用微放電會產(chǎn)生輸入信號的諧波分量來檢測放電現(xiàn)象。使用諧波檢測法，為了優(yōu)化操作，在輸入前端需要濾去高功率放大器和信號源自身非線性所產(chǎn)生的諧波分量，也需要在輸出端很好地耦合微放電非線性作用，即信號產(chǎn)生的諧波分量。

這種檢測方法有多個優(yōu)點：檢測系統(tǒng)易于搭建，檢測放電非常快而且可靠，尤其在多載波微放電發(fā)生時間非常短的條件下使用諧波檢測法就非常有用。但是，這種檢測方法與近載波噪聲檢測類似，可能會出現(xiàn)非微放電產(chǎn)生的諧波分量被誤認為放電現(xiàn)象，因此，在使用中要與其他檢測方法（不包括近載波噪聲檢測法）一起來判斷放電。在實際應(yīng)用中，隨著使用的頻率提高，對于檢測設(shè)備提出了更苛刻的要求，對于使用帶來了條件的限制。

2.2.4 前后向功率檢測法

前后向功率檢測法是通過用功率計觀測被測件的反射功率和輸入功率來檢測放電現(xiàn)象。在不同的微波部件連接中失配會導(dǎo)致反射功率，在一個良好設(shè)計的系統(tǒng)中，對每一個不同部件間的匹配連接進行了良好設(shè)計時反射功率很小，而高Q 器件只是在一個特定頻率（或幾個特定頻率）上良好匹配，如果發(fā)生放電電子諧振現(xiàn)象，則會導(dǎo)致器件的失諧和匹配能力下降，從而導(dǎo)致反射功率的增加，進而作為放電判斷的依據(jù)。

這種檢測方法在一般情況下檢測非常靈敏可靠，因為幾乎沒有其他情況造成失配，從而被誤判為放電；而且在脈沖模式下可以很好的工作，因為不需要觀測信號的頻譜。但是，對于匹配較差的器件和低Q器件，這種檢測方法檢測就不夠靈敏。

2.2.5 前后向功率調(diào)零檢測法

前后向功率調(diào)零檢測法，利用了微放電過程中放電對信號幅度和相位的改變建立的，是目前應(yīng)用中最靈敏的微放電檢測方法。它是用一個電橋耦合器把來自被測件的反射功率和通過器件的一部分信號進行衰減調(diào)幅調(diào)相以達到等幅反向狀態(tài)，從而實現(xiàn)調(diào)零電平。只要前向和反向功率發(fā)生變化，就會導(dǎo)致調(diào)零狀態(tài)變化，從而認為是發(fā)生了放電。

這種檢測方法非常靈敏，因為只要前向和反向功率發(fā)生一點改變，調(diào)零電平就會發(fā)生變化，從而判斷微放電；并且調(diào)零檢測法可以在脈沖模式下很好的工作。但是，這種檢測方法在一些特定的情況下也會發(fā)生誤判，如測試系統(tǒng)中接頭松動，被測件有雜質(zhì)，或者測試中波導(dǎo)系統(tǒng)晃動等都會造成反射功率發(fā)生一點變化，從而可能被誤判為放電。

2.2.6 調(diào)幅法

調(diào)幅法是在輸入前端將一個小調(diào)制的低頻信號幅度調(diào)制到射頻信號送入測試鏈路，由于調(diào)幅深度低，在微放電發(fā)生之前，頻譜只有載波信號和邊頻信號，其余分量幾乎淹沒在噪聲中。微放電時，信號能量由載波和調(diào)幅邊頻信號向近載波噪聲遷移，由于微放電的非線性作用，會引起邊頻信號的諧波，由于載波能量向周圍噪聲遷移的變化，調(diào)制在其上的邊頻信號的諧波以更高的幅度增大，從變化后的頻譜中，可以清晰地觀測到邊頻信號以及它的諧波變化，依據(jù)這種前后劇烈變化檢測微放電效應(yīng)。

這種檢測方法設(shè)備簡單，而且檢測相對靈敏，尤其是對于臨近微放電閾值時更為敏感，因此，它適合來檢測微弱的放電現(xiàn)象。但是，這種檢測方法檢測是通過近載波的邊頻分量變化來檢測放電，所以在多載波和脈沖模式下不適合用此方法來檢測放電。同時，這種方法目前只是進行了理論研究，進行的工程試驗相對較少，因此，還需要進一步研究。

3 微放電檢測方法總結(jié)分析

目前工程中微放電檢測有多種方法，但是在使用中沒有一種檢測方法可以同時靈敏且可靠地檢測出微放電現(xiàn)象，從整體上看，局部檢測法可以準(zhǔn)確地檢測出放電位置，但這是基于預(yù)先確定好易于發(fā)生放電的位置，同時局部檢測法還需要在被測件上打孔，這對于飛行器件的測試是不可行的；全局檢測法可以檢測出被測件是否發(fā)生了放電，這對于一般試驗中進行測試就可以滿足要求。再者，正如上面所述各種方法都有優(yōu)缺點，在進行微放電檢測時，需要考慮被測件特性，檢測設(shè)備等情況，綜合選擇檢測方法。最后，由對各種檢測方法的分析可以看出沒有一種檢測方法是絕對可靠的，因此，在進行微放電試驗時需要采用至少兩種檢測方法，并且在選擇檢測方法時需要根據(jù)各個檢測方法的原理綜合選擇可以互補的檢測方法來進行微放電試驗，如工程中常將前后向功率檢測法和諧波檢測法或者前后向功率調(diào)零檢測一起使用來判斷放電現(xiàn)象。

鑒于上面的分析，對于微放電檢測方法的研究還有待于探索。結(jié)合對微放電理論的研究，需要再對微放電檢測方法進行研究。尤其是隨著航天技術(shù)的發(fā)展，大功率器件使用頻率不斷增多，微放電測試就需要使用脈沖模式，而目前可用于脈沖模式下的微放電檢測方法有限，因此，對于脈沖模式下微放電檢測方法的研究就更加緊迫。