航天器大功率微波部件微放電測(cè)試研究進(jìn)展 ①

魏 煥，王新波，胡天存，李硯平，王保新，崔萬照*

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710000；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

微放電效應(yīng)是指微波部件處于1×10-3Pa 或更低壓強(qiáng)的真空狀態(tài)時(shí)，在射頻大功率信號(hào)激勵(lì)條件下，微波部件在電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)碰撞部件產(chǎn)生二次電子倍增引起，從而引發(fā)二次電子雪崩的現(xiàn)象。微放電效應(yīng)發(fā)生時(shí)將引起噪聲電平抬高、部件表面損壞、微波傳輸系統(tǒng)駐波比增大、甚至導(dǎo)致微波部件永久性失效，成為星載大功率微波部件研制的瓶頸問題之一[1,2]。因此，大功率微波部件在隨衛(wèi)星發(fā)射之前需要進(jìn)行嚴(yán)格的微放電試驗(yàn)驗(yàn)證。

目前微放電有多種檢測(cè)方法，可以分為全局法與局部法。全局檢測(cè)法能夠判斷系統(tǒng)中有沒有發(fā)生微放電，但是不能指出微放電發(fā)生的位置。對(duì)空間微波部件，設(shè)計(jì)需要避免微放電，因此可以參考全局法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在其他情況下，尤其是在部件研發(fā)階段要求能夠找出微放電發(fā)生的位置，以便指導(dǎo)設(shè)計(jì)的薄弱點(diǎn)，此時(shí)局部法則可以更好的監(jiān)測(cè)部件或者系統(tǒng)內(nèi)部一個(gè)特定區(qū)域來檢測(cè)放電，而不需要考慮部件其它部分或整個(gè)系統(tǒng)的其它部件。局部檢測(cè)方法有兩種：光學(xué)檢測(cè)法和電子探針檢測(cè)法。常用的全局檢測(cè)方法有：近載波噪聲檢測(cè)法、相位噪聲檢測(cè)法、諧波檢測(cè)法、正反向功率檢測(cè)法和調(diào)零檢測(cè)法。各種檢測(cè)方法都有一定的適應(yīng)場(chǎng)景，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度各有不同，工程驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)一般選取兩種適合的檢測(cè)方法。

結(jié)合技術(shù)的發(fā)展與實(shí)際的需求，目前自動(dòng)調(diào)零的微放電檢測(cè)方法作為靈敏度高且實(shí)現(xiàn)效果好，在工程中逐漸應(yīng)用；同時(shí)測(cè)試方法向自動(dòng)化、數(shù)字化和安全性方向發(fā)展，自動(dòng)調(diào)零檢測(cè)法成為新的發(fā)展目標(biāo)。

1 微放電效應(yīng)及其測(cè)試

1.1 微放電效應(yīng)

微放電也稱為二次電子倍增效應(yīng)，是指部件處于1×10-3Pa或更低壓強(qiáng)時(shí)，在承受大功率的情況下發(fā)生的諧振放電現(xiàn)象。根據(jù)表面幾何形狀和材料成分的不同，微放效應(yīng)有多種形式。典型的微放電現(xiàn)象有：(1)金屬諧振結(jié)構(gòu)中的雙表面微放電；(2)介質(zhì)微放電[3-5]。

航天器載荷系統(tǒng)中微放電主要發(fā)生在雙表面的金屬諧振結(jié)構(gòu)中，其產(chǎn)生過程(如圖1所示)為：初始電子在外加射頻場(chǎng)的加速下轟擊上金屬表面，如果材料的二次電子發(fā)射系δ >1，則釋放出比初始電子更多的二次電子；此時(shí)電場(chǎng)反向，二次電子在反向電場(chǎng)的加速下轟擊下表面金屬，如此循環(huán)，以致最終產(chǎn)生微放電效應(yīng)[6]。

圖1 雙金屬表面微放電發(fā)生過程示意圖

介質(zhì)材料由于介電常數(shù)高、損耗和溫度穩(wěn)定性優(yōu)等特性開始應(yīng)用于通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域，介質(zhì)大功率微波部件由于體積小，重量輕等優(yōu)勢(shì)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[7-10]。包含介質(zhì)材料的大功率微波部件在高真空、強(qiáng)輻照的太空環(huán)境中更容易發(fā)生二次電子發(fā)射，導(dǎo)致介質(zhì)材料性能退化，影響衛(wèi)星載荷的壽命和可靠性。隨著空間載荷功率增高，大量包含介質(zhì)結(jié)構(gòu)的微波部件開始被廣泛應(yīng)用，其內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布變得極為復(fù)雜，并且介質(zhì)表面會(huì)因?yàn)槎坞娮颖对龆鴰щ?，使得介質(zhì)表面產(chǎn)生準(zhǔn)靜電場(chǎng)，時(shí)變電磁場(chǎng)與準(zhǔn)靜電場(chǎng)共同作用下二次電子不斷倍增，最終產(chǎn)生微放電效應(yīng)。典型的微波部件中主要存在介質(zhì)-金屬、介質(zhì)-介質(zhì)以及單個(gè)介質(zhì)單表面三種類型，如圖2所示[11,12]。

由此可見，二次電子倍增產(chǎn)生的微放電效應(yīng)十分復(fù)雜(尤其是介質(zhì)加載微波部件的微放電效應(yīng))，國內(nèi)外針對(duì)微放電仿真分析開展了大量研究工作，但是二次電子發(fā)射系數(shù)又與真空壓力、加工工藝、表面處理、材料成分、污染等因素有關(guān)[13]，這些給微放電仿真分析設(shè)計(jì)引入不確定性，為了確保飛行件安全需要開展地面大功率微放電試驗(yàn)。

1.2 微放電檢測(cè)方法

根據(jù)微放電發(fā)生會(huì)對(duì)被測(cè)件的輸入輸出信號(hào)產(chǎn)生一定影響，如產(chǎn)生輸入信號(hào)相位和幅度發(fā)生變化，產(chǎn)生輸入信號(hào)的諧波變化，或者被測(cè)件反射功率增大等。同時(shí)，發(fā)生微放電也會(huì)產(chǎn)生來自被測(cè)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(cè)就是基于這兩方面特點(diǎn)來判斷被測(cè)件是否發(fā)生了微放電。

圖2 介質(zhì)表面微放電

根據(jù)歐空局ECSS-E-20-01A微放電測(cè)試和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，微放電檢測(cè)至少采用兩種檢測(cè)方法，且至少有一種是全局檢測(cè)法。由于發(fā)生微放電一般都會(huì)在微波部件表面留下清晰可見的痕跡，因此對(duì)微放電的研究通常關(guān)注微波部件是否會(huì)發(fā)生微放電效應(yīng)，在不用破壞部件條件下使用微放電全局檢測(cè)方法較為實(shí)用。常用的微放電檢測(cè)方法有：諧波檢測(cè)法、前后向功率檢測(cè)法和調(diào)零檢測(cè)法。本節(jié)主要介紹三種工程常用的全局檢測(cè)法，并對(duì)其進(jìn)行比較分析。

(1)近載波噪聲檢測(cè)法

微放電是一種諧振現(xiàn)象，會(huì)增加載波附近頻率的噪聲，如果能采取方法濾除載波，則在載波附近頻率范圍內(nèi)抬高的噪聲電平聯(lián)合一個(gè)低噪聲放大器放大后可以用頻譜儀檢測(cè)到。如ESA微放電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中給出的例子：工作在11GHz的微波部件采用近載波噪聲檢測(cè)法時(shí)，測(cè)試的噪聲電平設(shè)置在距離載波頻率100MHz、帶寬50MHz范圍內(nèi)的噪聲信號(hào)，頻譜分析儀可以檢測(cè)到靈敏度達(dá)-100dBm噪聲變化，但是低噪聲放大器動(dòng)態(tài)范圍最大40dB，即可以檢測(cè)的微放電信號(hào)受限制。

這種方法可以用于單載波或多載波信號(hào)，但不適用于脈沖模式下工作，因?yàn)槊}沖會(huì)產(chǎn)生諧波，如果脈沖長(zhǎng)度和形式選擇不當(dāng)，則脈沖會(huì)在測(cè)試頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生諧波。

(2)諧波檢測(cè)法

三次諧波檢測(cè)法是利用微放電會(huì)產(chǎn)生輸入信號(hào)的諧波分量來檢測(cè)放電現(xiàn)象。使用諧波檢測(cè)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(hào)源自身非線性所產(chǎn)生的諧波分量，也需要在輸出端用高通濾波器耦合微放電非線性產(chǎn)生的諧波分量，并用低噪聲放大器放大后用頻譜儀來監(jiān)測(cè)。

這種檢測(cè)方法系統(tǒng)易于搭建，檢測(cè)放電非常快，尤其在多載波微放電發(fā)生時(shí)間非常短的條件下使用諧波檢測(cè)法就非常有用。但是，這種檢測(cè)方法與近載波噪聲檢測(cè)類似，可能會(huì)出現(xiàn)非微放電產(chǎn)生的諧波分量被誤認(rèn)為放電現(xiàn)象，因此，在使用中要與其他檢測(cè)方法(不包括近載波噪聲檢測(cè)法)一起來判斷放電。

(3)正反向功率調(diào)零檢測(cè)法[14]

圖3 前向/后向功率調(diào)零檢測(cè)微放電系統(tǒng)框圖

正反向功率調(diào)零檢測(cè)法，是利用微放電過程中，微放電對(duì)信號(hào)的幅度和相位發(fā)生變化的機(jī)理而建立的，是目前應(yīng)用最靈敏的微放電檢測(cè)方法。圖3給出了正反向功率調(diào)零檢測(cè)法測(cè)試微放電系統(tǒng)框圖。正反向功率調(diào)零檢測(cè)法利用微放電對(duì)信號(hào)幅度和相位的改變來檢測(cè)，是目前應(yīng)用中最靈敏的微放電檢測(cè)方法。它是用一個(gè)電橋耦合器把來自被測(cè)件的反射功率和通過部件的一部分信號(hào)進(jìn)行衰減調(diào)幅調(diào)相以達(dá)到等幅反向狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)零電平。只要正向或反向功率發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致調(diào)零狀態(tài)變化，從而認(rèn)為是發(fā)生了放電。

這種方法的核心是用一個(gè)電橋耦合器把來自被測(cè)件的反射功率和通過部件的一部分信號(hào)進(jìn)行調(diào)零，以改善檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，一般調(diào)零深度可達(dá)到-70dBm，可以靈敏地檢測(cè)到正向或反向信號(hào)的微弱變化。當(dāng)達(dá)到一個(gè)好的零點(diǎn)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)具有較高的靈敏度，傳統(tǒng)依靠工程師操作要實(shí)現(xiàn)調(diào)到和保持一個(gè)好的零點(diǎn)很困難。

近年來，隨著對(duì)微放電檢測(cè)方法提出自動(dòng)化、數(shù)字化要求的不斷強(qiáng)化，自動(dòng)調(diào)零檢測(cè)系統(tǒng)開始展開研究，目前國內(nèi)已經(jīng)有單位采用自動(dòng)調(diào)零檢測(cè)技術(shù)開展微放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字自動(dòng)調(diào)零功能，對(duì)正反向信號(hào)的調(diào)零與時(shí)頻域檢測(cè)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及后處理分析微放電中信號(hào)變化過程。

2 微放電測(cè)試種子電子源

航天器在太空中工作，來自太陽宇宙射線粒子、太陽風(fēng)、高能粒子等照射使得衛(wèi)星艙內(nèi)艙外微波部件中積累自由電子，在高功率工作狀態(tài)下的微波部件由于二次電子倍增產(chǎn)生微放電效應(yīng)。

在地面進(jìn)行微放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要提供自由電子，自由電子加載方式的不同對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大的影響。另外，一般航天器正樣在投入實(shí)際應(yīng)用之前都需要進(jìn)行微放電檢測(cè)，以確保在軌運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生放電[15]。這些都要求微放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)具有很好的精度和效率。

ESA的有關(guān)研究表明微放電測(cè)試中種子電子源加載需要不斷研究[16]。在進(jìn)行空間大功率微波部件放電敏感性檢測(cè)中，自由電子源的主要作用是：(1)改善測(cè)量精度；(2)使測(cè)量閾值變化較小；(3)縮短測(cè)試時(shí)間。特別對(duì)于某些窄間隙部件，如果沒有自由電子，將會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生很大的彌散。目前，我國在大功率星載微波部件介質(zhì)放電檢測(cè)中自由電子源主要使用的是放射源，對(duì)測(cè)試人員的身體健康有害，參考ESA標(biāo)準(zhǔn)，也開始對(duì)UV激光源在微放電檢測(cè)進(jìn)行研究，后續(xù)將開展電子槍在微放電檢測(cè)中的研究。

2.1 微放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)常用種子電子源

(1)放射源

放射源一般采用銫-137(Cs137)或鍶-90(Sr90)，通過輻射的β射線穿透被測(cè)件外壁并在內(nèi)部形成自由電子，因此放射源適用于幾乎所有的微波無源部件的介質(zhì)放電試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)只需將其靠近部件外壁即可，如圖4所示。圖5所示的是鍶-90的衰變放射出的電子能譜圖，可以看出電子能量很高，但是數(shù)量少，其在穿透部件外壁時(shí)，在內(nèi)側(cè)激發(fā)出的二次電子數(shù)目也少。因此放射源在部件內(nèi)部產(chǎn)生自由電子的數(shù)目少，效率也較低。放射源成本高，維護(hù)復(fù)雜，具有輻射性，對(duì)人體有害，因此ESA標(biāo)準(zhǔn)推薦在不能采用其他電子源的條件下才使用輻射源作為微放電實(shí)驗(yàn)的種子電子源[17]。

圖4 鍶-90放射源示意圖

圖5 鍶-90放射能譜

(2)電子槍

電子槍利用熱發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射產(chǎn)生自由電子，金屬探針上滿足電子逸出的條件而生成大量高能自由電子，這些電子運(yùn)動(dòng)到行腔內(nèi)部與被測(cè)部件內(nèi)壁產(chǎn)生碰撞形成更多低能電子從而作為微放電起始電子源參與微放電效應(yīng)。電子槍對(duì)于測(cè)試開放結(jié)構(gòu)的部件的介質(zhì)放電非常適合，典型的例子是對(duì)喇叭天線的饋源進(jìn)行介質(zhì)放電測(cè)試，可以使用電子槍生成的自由電子進(jìn)入喇叭內(nèi)壁并且產(chǎn)生更多低能電子。由于采用金屬探針生成電子，針對(duì)有排氣孔的封閉被測(cè)部件，金屬探針不能放置于被測(cè)部件靠近的位置如排氣孔內(nèi)部，因?yàn)檫@種極易發(fā)生金屬探針與被測(cè)部件之間的放電打火現(xiàn)象。這時(shí)需將電子槍岀射的電子束對(duì)準(zhǔn)排氣孔，且電子束直徑應(yīng)小于排氣孔的尺寸。

(3)紫外光源

紫外光源可通過光電效應(yīng)產(chǎn)生自由電子，對(duì)于開放結(jié)構(gòu)被測(cè)設(shè)備，可以通過將紫外激光照射到部件金屬內(nèi)壁產(chǎn)生自由電子源直接參與介質(zhì)放電，見圖6所示。紫外激光產(chǎn)生的自由電子從數(shù)量和能量的角度更加適合誘導(dǎo)介質(zhì)放電效應(yīng)。對(duì)于部分封閉式部件，可以通過小至0.6mm直徑的光纖將紫外光通過放氣孔導(dǎo)入到被測(cè)部件內(nèi)部，這樣在紫外光的作用下產(chǎn)生足夠的自由電子在被測(cè)部件行腔內(nèi)部運(yùn)

動(dòng)，形成介質(zhì)放電所需的自由電子源。因此紫外光源方案不僅適合開放結(jié)構(gòu)被測(cè)部件，同樣適合部分封閉結(jié)構(gòu)被測(cè)部件。對(duì)于具備排氣孔的封閉結(jié)構(gòu)部件，在一個(gè)排氣孔中插入紫外光纖不會(huì)對(duì)內(nèi)部真空排氣形成影響，因?yàn)樵跍y(cè)試系統(tǒng)中其他連接單元都可以充當(dāng)排氣通道，另外光纖直徑小于排氣孔直徑，沒有形成完全封堵。

圖6 紫外光源產(chǎn)生自由電子示意圖

2.2 常用自由電子源的分析對(duì)比

放射源、電子槍和紫外光源產(chǎn)生的自由電子濃度及能量有較大差異，因此它們?cè)谖⒎烹姍z測(cè)效率方面有很大的差異。表1從部件適用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)三種自由電子源做了對(duì)比。

表1 放射源、電子槍和紫外光源對(duì)比

4 結(jié)束語

微放電效應(yīng)是航天器大功率微波部件的瓶頸問題之一，本文總結(jié)了常用的微放電檢測(cè)方法，包括近載波噪聲檢測(cè)法、諧波檢測(cè)法的特點(diǎn)和適用條件，為工程中微放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)提供參考，重點(diǎn)介紹了正反向功率調(diào)零檢測(cè)法的原理和自動(dòng)化調(diào)零檢測(cè)法的最新進(jìn)展。工作在空間環(huán)境航天器，艙內(nèi)外微波部件內(nèi)自由電子在大功率工作時(shí)產(chǎn)生的二次電子倍增產(chǎn)生微放電效應(yīng)，在地面進(jìn)行微放電測(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)，不同種子電子源和加載方式對(duì)微放電測(cè)試的影響在文中進(jìn)行了分析比較。盡管微放電檢測(cè)方法已經(jīng)形成了不同層次的標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，還需要對(duì)其不斷地深入研究，尤其是不同種子電子源在微放電地面驗(yàn)證試驗(yàn)的影響還需要進(jìn)一步研究。