微放电效应的研究进展及发展趋势

微放电效应的研究进展及发展趋势

李小雷 周新超

中航富士达科技股份有限公司， 陕西 西安 710077

摘要：微放电效应是空间大功率微波部件的特殊效应之一，文章简要介绍了微放电效应的概念，重点阐述了微放电效应敏感区域的建立、数值模拟、多载波微放电和抑制方法四个方面的研究进展，最后指出了微放电未来发展的趋势。

关键词：微放电效应；研究进展；发展趋势

引言：航天器载荷中大功率微波部件如输出多工器、滤波器、开关矩阵、天线馈源等极易产生微放电效应--旦发生将造成严重后果:噪声电平抬高输出功率下降;微波传输系统驻波比增大反射功率增加信道阻塞;微波部件表面损坏载荷寿命缩短;航天器载荷永久性失效。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国外对微放电的研究也日趋活跃。

一、微放电效应的概念

微放电效应是发生在两个金属表面之间或者是单个介质表面上的一种真空谐振放电现象。微放电通常是由部件中传输的射频电场所激发，在射频电场中被加速而获得能量的电子，撞击表面产生二次电子而形成。发生的条件根据微放电类型而有所不同。对金属表面之间的微放电，其发生条件是:电子平均自由程必须大于两个金属表面之间的间隙距离，并两个表面之间的电子平均渡越时间必然是射频电场半周期的奇数倍。而对于在介质单表面上发生的微放电，其表面电荷产生的直流电场必须能够使电子加速返回到介质表面，从而能够产生二次电子。

影响微放电效应发生的因素很多，但主要由以下几个方面造成，分别是介质、表面情况、通风情况以及表面材料^[1]。

二、微放电效应的危害

其一，使谐振类设备失谐，导致所传输的微波信号失调。

其二，导致金属内部气体的逸出，产生更严重的气体放电。

其三，产生靠近载波频率的窄带噪声。

其四，部件表面会被微放电效应产生的电子侵蚀，造成部件性能下降或系统的总体功能失效。

其五，微放电效应是高功率部件中重要的非线性因素，是引起部件无源互调现象的原因之一。

三、微放电效应研究进展

（一）微放电敏感区域的建立

Hatch和Williams创立的经典微放电理论与早期的微放电实验结果相吻合，是研究微放电的基础。但随着实验技术的进步，Rent的实验中出现了经典微放电理论无法预测的微放电敏感区域。针对经典微放电理论的局限性，Kyrie提出微放电的混合模式会使经典微放电敏感区域出现新的区域，特别是第一敏感区域的加宽，同样在混合模式下，小的初始速率分布也会导致微放电敏感区域结构的显著改变Sazotov等的研究表明微放电敏感区域的结构强烈依赖于二次电子发射系数的峰值蠕和初始电子速率的分布，当变化较大时，微放电区域会出现交叠，而且随着速率分布的增加，区域会进一步扩大和交叠当变化较小时，速率分布的增加反而会导致微放电敏感区域的压缩。R.Sevilla等提出散射电子可以进入初始电子和二次电子无法到达的相空间，并通过假定弹性散射、非弹性散射和真正二次电子的比例，证明了电子的散射效应会增大微放电的敏感区域。Somenov提出了低能量的电子被反射时，会使微放电第一敏感区域的左边界逐渐消失^[2]。

（二）微放电的数值模拟

典型的微放电数值模拟方法主要有三种轨迹追踪PIC和统计方法。轨迹追
踪是微放电最常用的模拟方法，如美国开发的ANALYST，西班牙马德里大学开发的Multp及莫斯科工程物理学院开发的MEST等。PIC是对大量粒子组成的宏粒子进行实时、动态追踪的模拟方法，能够最直观的模拟物理现象。它是目前唯一可研究任意复杂结构、多载波及微放电的非线性效应的模拟方法，ESA已经开发出了基于FTCD和PIC的仿真模块的仿真软件FEST3D。俄罗斯科学院应用物理研究所还提出了基于统计理论的快速模拟方法，它通过对二次电子到达时间的概率密度的精确解析，得到二次电子发射相位的稳态分布和微放电阂值增长的通解，该方法计算速度较快，但只适用于计算平板结构的微波部件^[3]。

（三）微放电的抑制方法

微放电效应所造成的危害十分严重，如何使有效载荷系统避免微放电就显得很重要。目前提出的微放电抑制技术有增大部件间隙尺寸、改变部件表面状况、填充介质、外加磁场或直流偏置等。改变部件表面状况是最有效、最容易工程实现的抑制技术，目前已经成为国际上研究抑制微放电的热点。在近期的MULCOPIM国际会议上，多位专家的研究结果均指出一定粗糙度的膜层有助于降低微放电阑值，如ESA提出的多孔镀膜.可以使微放电阂值增加9DB以上，同时还具有二次电子发射系数曲线稳定性好，低损耗影响和成本低等优点.UAM的Galan等人提出的在AI部件上先电镀Au，再电镀Bu，然后进行化学刻蚀，最后溅射沉积Au，实验结果发现该工艺处理下的膜层二次电子发射系数有明显的降低。

四、发展趋势

微放电效应是空间微波技术不可回避的问题，随着微波功率的提高、部件小型化、集成化的发展，微放电需要不断拓展研究层面和解决新问题。为准确建立微放电的敏感区域，空间电荷效应、二次电子发射速率和相位、材料的二次电子发射系数对微放电闻值的影响都会被考虑，所获得的微放电闭值将更加精准。

在微放电的软件预测上开发同时支持金属和介质材料任意维结构微波部件的微放电仿真软件是未来的发展趋势。ESA开发的FEST3D软件在兼容MEST和CEST软件后，微放电仿真预测功能将会更强大。

ESA有望在近年更新多载波微放电标准，提出更符合物理意义的多载波微放电判据。微放电的抑制方法今后仍将着重研究二次电子发射系数对微放电阂值的影响，通过不同的镀膜工艺、镀膜材料获得二次电子发射系数更小、更稳定的膜层。

目前各种测试手段均会导致数据衰减，ESA正在研究数字式检测的方法，该方法可能检测出电荷的数量，检测方法也可能缩减为一个。而新的检测设备和仪器的研究也会受到广泛关注。同时微放电高阶模式，介质微放电，边缘场问题也将被进一步研究^[4]。

五、结束语

综上所述，微放电效应是空间微波技术的特殊效应，随着高功率载荷的应用，微放电已经成为影响微波部件性能的重要方面。广泛开展微放电机理、抑制技术
的研究，仿真软件的开发，测试设备和检测方法的探索，对大功率微波部件的设计、仿真、测试至关重要。我国关于空间大功率微放电技术研究的基础理论体系和标准尚未形成，与国际研究水平差距甚大，该领域的研究需要得到足够的重视和更多的技术支持。

参考文献：

[1]张娜,崔万照,胡天存,等.微放电效应的研究进展及发展趋势[C]//2011年全国微波毫米波会议，2019（13）：00023-00024.

[2]胡龙飞，马特,乔卡拉等.微放电效应研究进展[J].空间电子技术,2018,008(001):38-43.

[3]贺卿,张全,代梅.星用大功率微波铁氧体器件微放电效应及抑制[J].磁性材料及器件,2019(4)：56-57.

[4]宋强强,崔万照,杨晶,等.中国空间大功率微波部件微放电抑制表面处理技术最新进展[J].中国空间科学技术,2019,V39(003):43-54.