微放电检测方法的总结与分析

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微放电是在真空条件下，发生在微波器件内部的射频击穿现象。近年来，随着空间技术的发展，微波部件工作的功率越来越大，使得空间发生微放电的可能性 大大增加。工作在大功率状态下的微波器件，当功率、射频和器件内部结构尺寸满足一定关系时发生微放电效应，这种现象的产生又取决于真空压力、加工工艺、表 面处理、材料、污染等因素。微放电一旦产生将造成严重后果，导致微波传输系统驻波比增大，反射功率增加，噪声电平抬高，致使系统不能正常工作。高电平微放 电可以引起击穿，射频功率全反射，部件永久性破坏，通信信道丧失工作能力。基于微放电发生会产生严重影响，而且微放电产生机理复杂，至今还没有完全掌握； 同时，实际中制作工艺与工艺缺陷，以及存放过程中可能会污染等方面原因，会导致实际的微放电阈值比设计的低；因此，必须对制造好的器件以及待使用的器件进 行微放电测试。
           
          1 微放电现象及检测原理
          微放电效应是由器件表面二次电子发射引 起的，由图1可以看到，会产生雪崩现象，这种效应是谐振性的，因为电子渡越时间必定是射频场周期一半的奇数倍。这种谐振效应又依赖于射频场、器件结构缝隙 和表面次级电子发射特性等因素。因此，在真空情况下，当电子的平均自由程大于器件结构缝隙尺寸；微波器件内缝隙尺寸和谐波频率使得电子渡越时间为射频场周 期一半的奇数倍；表面二次电子发射系数大于1；则电子在强微放电场加速下产生电子二次倍增，即微放电现象。表面二次电子发射特性又与材料、表面处理、污 染、温度、电子撞击板时的速度和缝隙电压等因素有关。
           

       

        　　图1 双金属表面微放电发生过程示意图

         

          微放电的产生强烈地依赖于器件表面电子二次发射特性，尽管在产品鉴定时器件满足微放电设计容限的要求，但对新加工出的正样产品仍需要进行微放电效应测 试。由于产品加工过程中未预计到的污染、表面材料状况、粘结剂和润滑剂的存在；锐利边缘场强的增加等因素都会使产品微放电效应阈值下降，因而必须对飞行器 件本身或飞行样品进行测试，并留有功率余量（一般设计为3~6 dB）。
           
          根据微放电发生会对被测件的输入输出信号产生一定影响，如产生 输入信号相位和幅度发生变化，产生输入信号的谐波变化，或者被测件反射功率增大等。同时，发生微放电也会产生来自被测件表面的气体或者离子等放电激发，或 者产生放电激发的电流等。微放电检测就是基于这两方面特点来判断被测件是否发生了微放电。
           
          目前国内外已经研究出了多种检测微放电的方 法，但是由于微放电现象比较复杂，各种检测方法都在检测灵敏度和判断放电可靠性两方面需要讨论，如检测中可能会发生了放电，但因为检测方法的设备系统有一 定延迟不能及时的判断放电，或者有其他现象产生类似于放电的影响，从而被误判为放电等。
           
          下面介绍一般微放电检测系统的组成及特点。微放 电检测系统主要包括四个部分：功率加载系统，真空罐，大功率吸收系统，检测系统。功率加载系统产生所需的测试信号，这个信号输入放在真空系统的被测件，输 出的功率一部分被负载吸收。在真空罐两端耦合连接检测系统，检测真空系统中的被测件两端测试信号相位、幅度及底噪的相关变化，由此判断被测器件是否发生了 放电；也可以在真空系统中装电子探针或光纤并连接到显示设备上，检测是否发生了放电。微放电检测系统基本原理图如图2所示（其中*为电子探针或光纤）。详 细的检测方法下面将做介绍。
           

       

        　　（图中*是深入被测件的电子探针或光纤）图2 微放电检测系统基本原理框图

         

          2 检测方法介绍
          微放电的检测方法分为局部法和全局法，如图1中的电子探针或光电倍增管/光 纤。局部法有光电倍增检测和电子探针检测；全局检测法有二次谐波检测、残余物质检测、前后向功率调零检测、近载波噪声检测和调幅法等。微放电局部检测法是 利用放电会增大电子浓度或者激发气体放电；全局检测方法是利用了微放电过程中信号的变化特性，通过观测信号的前后变化来检测微放电。
           
          欧洲空间标准化协调组织指定的关于微放电设计和测试方面的标准明确规定，微放电试验中必须包含两种检测方法，其中有一种方法必须是全局检测法。因此对微放电的检测方法的研究不容忽视。
         
          2.1 局部检测法
          2.1.1 光电倍增检测法
          光电倍增检测法检测微放电是一种非常有效的检测方法。它是利用电子二次倍增器件曝光的照片来检测放电，这种电子二次倍增可以使来自电子二次倍增材料表面 或是在真空系统中存在的参与气体分子电离。把光纤通过一个小孔放在射频部件的内部，并尽可能地接近放电区域，把光纤的另一端接到放在真空罐外的光电倍增器 上，光电倍增器上的任何输出都有可能在示波器上显示，并且去触发一个电子二次倍增事件检测器。
           
          这种检测方法对于微放电检测可以准确判断放电，但是需要预先准确地判断放电位置，并且还需要在器件上打孔，这仅对于试验件还可以测量，但是会影响器件的其他性能，因此不是一种实验室常用的检测微放电的方法。
           
          2.1.2 电子探针检测法
          电子探针检测法是利用安装在被测件内的探头检测电子浓度的变化来检测微放电现象。微放电现象的发生总是伴随着大量自由电子的产生，微波设备中的电子浓度 可以通过在预计微放电发生的区域插入一个带正电的探头来进行测量，带负电的电子探针被探头吸附，从而在探头中产生一个微小但是可以检测的电流，电流的数值 可以被用来表示电子浓度。
           
          这种检测方法非常易于实现，因此在许多测试中作为一个普遍的选择。但是，这种检测方法也有一些缺点，如需要一 个电路来放大微弱电流，从而检测速度较慢，在使用中主要是作为辅助检测；同时，对于包括表面放电机理在内的放电来说这不总是一个合适的检测方法；最后，与 光电倍增检测法一样需要在被测件上预先设计好孔，从而造成微放电测试的局限性。
           
          2.2 全局检测法
          2.2.1 残余物质检测
          残余物质检测法是采用一个质谱仪，检测在电子二次倍增放电器件释放的污染物和出现的水分。由于用铝或带有涂层加工成的元件，在加工过程中，材料表面能吸 收水分，在电子二次倍增放电期间此水分被释放，当电子二次倍增放电放生时，包含有胶、环氧树脂和其他非金属化合物的那些合成元件将放出碳氢化合物气体。经 过真空罐的接入端把质谱仪作为真空系统一个部分装入，用一个真空阀门来隔离明暗的质朴头，这样阻止在正常操作时和用特别不干净元件时所产生的不必要的污 染。
           
          这种检测方法检测速度较慢，不能检测快速微放电瞬间，微放电发生和设备的检测有一定的时延。
           
          2.2.2 近载波噪声检测法
          微放电是一种谐振现象，并且会增加载波附近频率的噪声，如果能采取方法滤除载波，则在载波附近频段内噪声电平的提高可以被频谱仪检测到。如果这种检测设备和一个低噪声放大器联合使用，就是一种灵敏度非常高的检测方法。
           
          这种方法可以用于单载波或多载波信号，但不适用于脉冲模式下工作，因为脉冲会产生谐波，如果脉冲长度和形式选择不当，则脉冲会在测试频段内产生谐波。这 种方法的另一个问题就是，其他导致噪声的现象会被误认为微放电现象的发生，如测试系统中接头松动等也会导致类似微放电的噪声。
           
          2.2.3 谐波检测法
          谐波检测法是所用的最可靠的检测方法之一。它是利用微放电会产生输入信号的谐波分量来检测放电现象。使用谐波检测法，为了优化操作，在输入前端需要滤去 高功率放大器和信号源自身非线性所产生的谐波分量，也需要在输出端很好地耦合微放电非线性作用，即信号产生的谐波分量
           
          这种检测方法有 多个优点：检测系统易于搭建，检测放电非常快而且可靠，尤其在多载波微放电发生时间非常短的条件下使用谐波检测法就非常有用。但是，这种检测方法与近载波 噪声检测类似，可能会出现非微放电产生的谐波分量被误认为放电现象，因此，在使用中要与其他检测方法（不包括近载波噪声检测法）一起来判断放电。在实际应 用中，随着使用的频率提高，对于检测设备提出了更苛刻的要求，对于使用带来了条件的限制。
           
          2.2.4 前后向功率检测法
          前后向功率检测法是通过用功率计观测被测件的反射功率和输入功率来检测放电现象。在不同的微波部件连接中失配会导致反射功率，在一个良好设计的系统中， 对每一个不同部件间的匹配连接进行了良好设计时反射功率很小，而高Q 器件只是在一个特定频率（或几个特定频率）上良好匹配，如果发生放电电子谐振现象，则会导致器件的失谐和匹配能力下降，从而导致反射功率的增加，进而作为 放电判断的依据。
           
          这种检测方法在一般情况下检测非常灵敏可靠，因为几乎没有其他情况造成失配，从而被误判为放电；而且在脉冲模式下可以很好的工作，因为不需要观测信号的频谱。但是，对于匹配较差的器件和低Q器件，这种检测方法检测就不够灵敏。
           
          2.2.5 前后向功率调零检测法
          前后向功率调零检测法，利用了微放电过程中放电对信号幅度和相位的改变建立的，是目前应用中最灵敏的微放电检测方法。它是用一个电桥耦合器把来自被测件 的反射功率和通过器件的一部分信号进行衰减调幅调相以达到等幅反向状态，从而实现调零电平。只要前向和反向功率发生变化，就会导致调零状态变化，从而认为 是发生了放电。
           
          这种检测方法非常灵敏，因为只要前向和反向功率发生一点改变，调零电平就会发生变化，从而判断微放电；并且调零检测法可 以在脉冲模式下很好的工作。但是，这种检测方法在一些特定的情况下也会发生误判，如测试系统中接头松动，被测件有杂质，或者测试中波导系统晃动等都会造成 反射功率发生一点变化，从而可能被误判为放电。
         
          2.2.6 调幅法
          调幅法是在输 入前端将一个小调制的低频信号幅度调制到射频信号送入测试链路，由于调幅深度低，在微放电发生之前，频谱只有载波信号和边频信号，其余分量几乎淹没在噪声 中。微放电时，信号能量由载波和调幅边频信号向近载波噪声迁移，由于微放电的非线性作用，会引起边频信号的谐波，由于载波能量向周围噪声迁移的变化，调制 在其上的边频信号的谐波以更高的幅度增大，从变化后的频谱中，可以清晰地观测到边频信号以及它的谐波变化，依据这种前后剧烈变化检测微放电效应。
           
          这种检测方法设备简单，而且检测相对灵敏，尤其是对于临近微放电阈值时更为敏感，因此，它适合来检测微弱的放电现象。但是，这种检测方法检测是通过近载 波的边频分量变化来检测放电，所以在多载波和脉冲模式下不适合用此方法来检测放电。同时，这种方法目前只是进行了理论研究，进行的工程试验相对较少，因 此，还需要进一步研究。
           
          3 微放电检测方法总结分析
          目前工程中微放电检测有多种 方法，但是在使用中没有一种检测方法可以同时灵敏且可靠地检测出微放电现象，从整体上看，局部检测法可以准确地检测出放电位置，但这是基于预先确定好易于 发生放电的位置，同时局部检测法还需要在被测件上打孔，这对于飞行器件的测试是不可行的；全局检测法可以检测出被测件是否发生了放电，这对于一般试验中进 行测试就可以满足要求。
           
          再者，正如上面所述各种方法都有优缺点，在进行微放电检测时，需要考虑被测件特性，检测设备等情况，综合选择检测方法。最后，由对 各种检测方法的分析可以看出没有一种检测方法是绝对可靠的，因此，在进行微放电试验时需要采用至少两种检测方法，并且在选择检测方法时需要根据各个检测方 法的原理综合选择可以互补的检测方法来进行微放电试验，如工程中常将前后向功率检测法和谐波检测法或者前后向功率调零检测一起使用来判断放电现象。
           
          鉴于上面的分析，对于微放电检测方法的研究还有待于探索。结合对微放电理论的研究，需要再对微放电检测方法进行研究。尤其是随着航天技术的发展，大功率器件使用频率不断增多，微放电测试就需要使用脉冲模式，而目前可用于脉冲模式下的微放电检测方法有限，因此，对于脉冲模式下微放电检测方法的研究就更加紧迫。