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(shí)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?；谖⒎烹姲l(fā)生會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而且微放電產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，至今還沒有完全掌握；同時(shí)，實(shí)際中制作工藝與工藝缺陷，以及存放過程中可能會(huì)污染等方面原因，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的微放電閾值比設(shè)計(jì)的低；因此，必須對(duì)制造好的器件以及待使用的器件進(jìn)行微放電測(cè)試。

 

 

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(huì)產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，這種效應(yīng)是諧振性的，因?yàn)殡娮佣稍綍r(shí)間必定是射頻場(chǎng)周期一半的奇數(shù)倍。這種諧振效應(yīng)又依賴于射頻場(chǎng)、器件結(jié)構(gòu)縫隙和表面次級(jí)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(shí)間為射頻場(chǎng)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(qiáng)微放電場(chǎng)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(shí)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(qiáng)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(shí)器件滿足微放電設(shè)計(jì)容限的要求，但對(duì)新加工出的正樣產(chǎn)品仍需要進(jìn)行微放電效應(yīng)測(cè)試。由于產(chǎn)品加工過程中未預(yù)計(jì)到的污染、表面材料狀況、粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑的存在；銳利邊緣場(chǎng)強(qiáng)的增加等因素都會(huì)使產(chǎn)品微放電效應(yīng)閾值下降，因而必須對(duì)飛行器件本身或飛行樣品進(jìn)行測(cè)試，并留有功率余量（一般設(shè)計(jì)為3~6 dB）。

 

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。

 

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究出了多種檢測(cè)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(cè)方法都在檢測(cè)靈敏度和判斷放電可靠性兩方面需要討論，如檢測(cè)中可能會(huì)發(fā)生了放電，但因?yàn)闄z測(cè)方法的設(shè)備系統(tǒng)有一定延遲不能及時(shí)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(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)。微放電檢測(cè)系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：功率加載系統(tǒng)，真空罐，大功率吸收系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)。功率加載系統(tǒng)產(chǎn)生所需的測(cè)試信號(hào)，這個(gè)信號(hào)輸入放在真空系統(tǒng)的被測(cè)件，輸出的功率一部分被負(fù)載吸收。在真空罐兩端耦合連接檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)真空系統(tǒng)中的被測(cè)件兩端測(cè)試信號(hào)相位、幅度及底噪的相關(guān)變化，由此判斷被測(cè)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(cè)是否發(fā)生了放電。微放電檢測(cè)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(xì)的檢測(cè)方法下面將做介紹。

（圖中*是深入被測(cè)件的電子探針或光纖）圖2 微放電檢測(cè)系統(tǒng)基本原理框圖

 

微放電的檢測(cè)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(cè)和電子探針檢測(cè)；全局檢測(cè)法有二次諧波檢測(cè)、殘余物質(zhì)檢測(cè)、前后向功率調(diào)零檢測(cè)、近載波噪聲檢測(cè)和調(diào)幅法等。微放電局部檢測(cè)法是利用放電會(huì)增大電子濃度或者激發(fā)氣體放電；全局檢測(cè)方法是利用了微放電過程中信號(hào)的變化特性，通過觀測(cè)信號(hào)的前后變化來檢測(cè)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(jì)和測(cè)試方面的標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，微放電試驗(yàn)中必須包含兩種檢測(cè)方法，其中有一種方法必須是全局檢測(cè)法。因此對(duì)微放電的檢測(cè)方法的研究不容忽視。

 

 

 

光電倍增檢測(cè)法檢測(cè)微放電是一種非常有效的檢測(cè)方法。它是利用電子二次倍增器件曝光的照片來檢測(cè)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(gè)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(gè)電子二次倍增事件檢測(cè)器。

 

這種檢測(cè)方法對(duì)于微放電檢測(cè)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(duì)于試驗(yàn)件還可以測(cè)量，但是會(huì)影響器件的其他性能，因此不是一種實(shí)驗(yàn)室常用的檢測(cè)微放電的方法。

 

 

電子探針檢測(cè)法是利用安裝在被測(cè)件內(nèi)的探頭檢測(cè)電子濃度的變化來檢測(cè)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(jì)微放電發(fā)生的區(qū)域插入一個(gè)帶正電的探頭來進(jìn)行測(cè)量，帶負(fù)電的電子探針被探頭吸附，從而在探頭中產(chǎn)生一個(gè)微小但是可以檢測(cè)的電流，電流的數(shù)值可以被用來表示電子濃度。

 

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

 

 

殘余物質(zhì)檢測(cè)法是采用一個(gè)質(zhì)譜儀，檢測(cè)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(shí)，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?xì)浠衔餁怏w。經(jīng)過真空罐的接入端把質(zhì)譜儀作為真空系統(tǒng)一個(gè)部分裝入，用一個(gè)真空閥門來隔離明暗的質(zhì)樸頭，這樣阻止在正常操作時(shí)和用特別不干凈元件時(shí)所產(chǎn)生的不必要的污染。

 

這種檢測(cè)方法檢測(cè)速度較慢，不能檢測(cè)快速微放電瞬間，微放電發(fā)生和設(shè)備的檢測(cè)有一定的時(shí)延。

 

 

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

 

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)試頻段內(nèi)產(chǎn)生諧波。這種方法的另一個(gè)問題就是，其他導(dǎo)致噪聲的現(xiàn)象會(huì)被誤認(rèn)為微放電現(xiàn)象的發(fā)生，如測(cè)試系統(tǒng)中接頭松動(dòng)等也會(huì)導(dǎo)致類似微放電的噪聲。

 

 

諧波檢測(cè)法是所用的最可靠的檢測(cè)方法之一。它是利用微放電會(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，也需要在輸出端很好地耦合微放電非線性作用，即信號(hào)產(chǎn)生的諧波分量。

 

這種檢測(cè)方法有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)系統(tǒng)易于搭建，檢測(cè)放電非常快而且可靠，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。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著使用的頻率提高，對(duì)于檢測(cè)設(shè)備提出了更苛刻的要求，對(duì)于使用帶來了條件的限制。

 

前后向功率檢測(cè)法是通過用功率計(jì)觀測(cè)被測(cè)件的反射功率和輸入功率來檢測(cè)放電現(xiàn)象。在不同的微波部件連接中失配會(huì)導(dǎo)致反射功率，在一個(gè)良好設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，對(duì)每一個(gè)不同部件間的匹配連接進(jìn)行了良好設(shè)計(jì)時(shí)反射功率很小，而高Q 器件只是在一個(gè)特定頻率（或幾個(gè)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(huì)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(jìn)而作為放電判斷的依據(jù)。

 

這種檢測(cè)方法在一般情況下檢測(cè)非常靈敏可靠，因?yàn)閹缀鯖]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?yàn)椴恍枰^測(cè)信號(hào)的頻譜。但是，對(duì)于匹配較差的器件和低Q器件，這種檢測(cè)方法檢測(cè)就不夠靈敏。

 

 

前后向功率調(diào)零檢測(cè)法，利用了微放電過程中放電對(duì)信號(hào)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(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器件的一部分信號(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。只要前向和反向功率發(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。

 

這種檢測(cè)方法非常靈敏，因?yàn)橹灰跋蚝头聪蚬β拾l(fā)生一點(diǎn)改變，調(diào)零電平就會(huì)發(fā)生變化，從而判斷微放電；并且調(diào)零檢測(cè)法可以在脈沖模式下很好的工作。但是，這種檢測(cè)方法在一些特定的情況下也會(huì)發(fā)生誤判，如測(cè)試系統(tǒng)中接頭松動(dòng)，被測(cè)件有雜質(zhì)，或者測(cè)試中波導(dǎo)系統(tǒng)晃動(dòng)等都會(huì)造成反射功率發(fā)生一點(diǎn)變化，從而可能被誤判為放電。

 

 

調(diào)幅法是在輸入前端將一個(gè)小調(diào)制的低頻信號(hào)幅度調(diào)制到射頻信號(hào)送入測(cè)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(hào)和邊頻信號(hào)，其余分量幾乎淹沒在噪聲中。微放電時(shí)，信號(hào)能量由載波和調(diào)幅邊頻信號(hào)向近載波噪聲遷移，由于微放電的非線性作用，會(huì)引起邊頻信號(hào)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(hào)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(cè)到邊頻信號(hào)以及它的諧波變化，依據(jù)這種前后劇烈變化檢測(cè)微放電效應(yīng)。

 

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

 

 

目前工程中微放電檢測(cè)有多種方法，但是在使用中沒有一種檢測(cè)方法可以同時(shí)靈敏且可靠地檢測(cè)出微放電現(xiàn)象，從整體上看，局部檢測(cè)法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)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(shí)局部檢測(cè)法還需要在被測(cè)件上打孔，這對(duì)于飛行器件的測(cè)試是不可行的；全局檢測(cè)法可以檢測(cè)出被測(cè)件是否發(fā)生了放電，這對(duì)于一般試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)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(diǎn)，在進(jìn)行微放電檢測(cè)時(shí)，需要考慮被測(cè)件特性，檢測(cè)設(shè)備等情況，綜合選擇檢測(cè)方法。最后，由對(duì)各種檢測(cè)方法的分析可以看出沒有一種檢測(cè)方法是絕對(duì)可靠的，因此，在進(jìn)行微放電試驗(yàn)時(shí)需要采用至少兩種檢測(cè)方法，并且在選擇檢測(cè)方法時(shí)需要根據(jù)各個(gè)檢測(cè)方法的原理綜合選擇可以互補(bǔ)的檢測(cè)方法來進(jìn)行微放電試驗(yàn)，如工程中常將前后向功率檢測(cè)法和諧波檢測(cè)法或者前后向功率調(diào)零檢測(cè)一起使用來判斷放電現(xiàn)象。

 

鑒于上面的分析，對(duì)于微放電檢測(cè)方法的研究還有待于探索。結(jié)合對(duì)微放電理論的研究，需要再對(duì)微放電檢測(cè)方法進(jìn)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(cè)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(cè)方法有限，因此，對(duì)于脈沖模式下微放電檢測(cè)方法的研究就更加緊迫。