李繼超，陳瀟杰，劉長軍，白鶴，崔萬照

1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

2. 中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710100

微放電是微波器件在空間應(yīng)用時出現(xiàn)的一種二次電子諧振倍增現(xiàn)象[1-2]。在空間應(yīng)用中，會造成信號惡化和系統(tǒng)噪聲增加，反射系數(shù)增加并引起功率損耗，嚴(yán)重時破壞器件表面[3-10]。通過對微放電產(chǎn)生機(jī)理的研究，逐漸提出了一些抑制微放電的方法，如提高工藝、避免表面凸起等[6]。設(shè)計中應(yīng)盡量增加間距，減小電場強度。另一種有效的辦法是在敏感區(qū)域選擇低二次電子發(fā)射率(secondary electron yield，SEY)特性的材料[5-7]，或使用低SEY 材料對器件表面處理，例如TiN 薄膜。文獻(xiàn)[8]中通過磁控濺射沉積涂層技術(shù)制備了不同鈦氮原子比和不同厚度的TiN薄膜，降低材料SEY。因此，可通過分析微波器件內(nèi)微放電敏感區(qū)域，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)或者材料處理來提高微放電閾值。

波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換是微波系統(tǒng)的一個重要轉(zhuǎn)接器，底饋結(jié)構(gòu)通常比側(cè)饋結(jié)構(gòu)功率容量更高。本文針對空間微波系統(tǒng)提高微放電功率容量的迫切需求，設(shè)計了一款改進(jìn)型后饋式C 波段的波同轉(zhuǎn)換器。基于微放電敏感區(qū)域分析，改進(jìn)了同軸內(nèi)導(dǎo)體與波導(dǎo)過渡的方式，提高了其微放電功率容量。實驗測量微放電閾值突破7 kW。

1 微放電現(xiàn)象和分析方法

微放電現(xiàn)象本質(zhì)為電子在微波場中的諧振運動，二次電子在電場的加速下撞擊到材料表面，產(chǎn)生多個二次電子再次被電場加速，出現(xiàn)倍增過程[1,11-12]。文獻(xiàn)[11]用平板模型描述該現(xiàn)象，并探索抑制微放電的關(guān)鍵因素，如圖1 所示，平板間距為d。

圖1 平板模型微放電過程

設(shè)微波電場為

式中：f為頻率；φ 為相角；ex為x方向的單位矢量。

設(shè)電子的質(zhì)量為m，電荷為e，則電子運動方程為

式中：n為半周期個數(shù)；k為金屬表面比例系數(shù)，與二次電子發(fā)射系數(shù)δ有關(guān)[13]。

從式(1)～(3)可以看出，當(dāng)工作頻率確定后，影響微放電閾值的主要因素是器件結(jié)構(gòu)和材料屬性。間距越大，材料SEY 越低，則微放電閾值越高。在微波器件設(shè)計中，器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的微放電分析。從結(jié)構(gòu)表面間距著手，用全波電磁仿真比較不同表面間距處的峰值電場強度，確定表面間距小且電場強度大的區(qū)域為敏感區(qū)域，對該區(qū)域分析微放電現(xiàn)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或者材料處理，提高器件的微放電功率閾值并保持良好的傳輸性能。

2 波同轉(zhuǎn)換器設(shè)計

工程上常用的波同轉(zhuǎn)換器有后饋式與側(cè)饋式[13]。側(cè)饋式為探針結(jié)構(gòu)，后饋式為過渡結(jié)構(gòu)，后饋式功率容量通常較高。本文進(jìn)行后饋式波同轉(zhuǎn)換設(shè)計，考慮到空間應(yīng)用器件重量的限制，材料采用鋁。文獻(xiàn)[14]給出了后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器中的階梯阻抗變換的三端口等效電路模型，如圖2所示。

圖2 階梯結(jié)構(gòu)等效電路模型

圖中X1、X2、XTE分別為輸入、輸出、TE11端口的等效電抗，B為階梯結(jié)構(gòu)引入的電納，N為阻抗變換系數(shù)。

本文基于BJ40 波導(dǎo)采用三級階梯做阻抗變換，波導(dǎo)的寬邊和窄邊分別為58.2 和29.1 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。通過電磁場全波仿真分析，以功率容量和帶寬為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。發(fā)現(xiàn)圖3 中區(qū)域1、2 和3 間距小、電場強度高，為微放電敏感區(qū)域。

圖3 波同轉(zhuǎn)換器剖面

1)針對區(qū)域1，選用50 Ω 的L29 同軸接頭，增加內(nèi)外導(dǎo)體間距。內(nèi)外導(dǎo)體半徑Rin和Rout分別為3.5 和8.0 mm。

2)針對區(qū)域2 和3，提出將同軸內(nèi)導(dǎo)體與階梯塊的連接結(jié)構(gòu)換成矩形塊，實現(xiàn)良好阻抗匹配，并提高功率容量。

通過仿真計算進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定階梯的寬度為12.0 mm，L1=17.0 mm，H1=5.0 mm，L2=14.0 mm，H2=7.0 mm，L3=7.0 mm，H3=9.0 mm。階梯距離波導(dǎo)底部Lt=4.5 mm，整體位于寬邊中心。同軸圓心距波導(dǎo)窄邊的距離為D1=29.1 mm，距波導(dǎo)寬邊的距離D2=14.55 mm，過渡段橫截面為正方形，邊長Wt=7.5 mm。

中心頻率為4 GHz 波同轉(zhuǎn)換器仿真性能對比如圖4 所示。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在頻率為2.8～5.0 GHz 時，回波損耗均大于15 dB，相對帶寬達(dá)到55%，插入損耗小于0.1 dB。將過渡段橫截面換成本文提出的矩形結(jié)構(gòu)后，得到回波損耗高于15 dB 的阻抗帶寬可達(dá)到77.5%，在頻率為3～5.4 GHz 時，回波損耗均大于20 dB。敏感區(qū)域中結(jié)構(gòu)間距也得到了增加。

圖4 波同轉(zhuǎn)換器散射參數(shù)仿真結(jié)果

3 波同轉(zhuǎn)換器微放電分析

本文采用全波仿真軟件和歐空局微放電仿真軟件Multipactor Calculator(MC)進(jìn)行微放電閾值分析。由仿真物理模型可知，按從小到大的原則標(biāo)注出該波同轉(zhuǎn)換器表面間距較小的3 塊區(qū)域如圖3 所示，分別在此3 處內(nèi)導(dǎo)體表面設(shè)置電場探針，比較特定輸入功率時的峰值電場強度。仿真結(jié)果如表1 所示，位置1 處(L29 同軸)表面間距最小且電場場強最高，是微放電發(fā)生最敏感區(qū)域；位置3 處的表面間距與L29 同軸處相同，但由于處于短路面處，有效場強最小不易發(fā)生微放電。

表1 有效功率為1 W 時電場分布

在仿真設(shè)置中，金屬鋁的二次電子發(fā)射模型為Vaughan 模型，其δmax設(shè)置為2.41，且對應(yīng)的能量Emax=310 eV。微波為4.0 GHz 正弦信號，網(wǎng)格剖分精度為每波長至少離散20 網(wǎng)格。微放電分析的重點在L29 部分，結(jié)果通過粒子數(shù)與時間的關(guān)系呈現(xiàn)。

歐空局微放電仿真軟件MC 能夠快速分析典型微波部件如波導(dǎo)、同軸結(jié)構(gòu)以及平板縫隙的微放電敏感曲線和微放電閾值功率或者電壓，支持金、銀、鋁等5 種表面材料分析。在該軟件中設(shè)置自定義同軸L29，計算其微放電敏感曲線和微放電功率閾值。如圖5 所示，MC 預(yù)測波同轉(zhuǎn)換器的微放電閾值為5 184 W。

圖5 L29 同軸微放電敏感曲線

采用全波仿真軟件模型，計算不同微波功率下粒子數(shù)與時間關(guān)系曲線，如圖6 所示。當(dāng)輸入功率超過8 400 W，100 ns 后粒子數(shù)已呈現(xiàn)增長趨勢，預(yù)測該波同轉(zhuǎn)換器的微放電閾值功率約為8 400 W。

圖6 微放電閾值仿真結(jié)果

4 實驗測試

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量波同轉(zhuǎn)換器的散射參數(shù)。加工實物圖及測量系統(tǒng)如圖7(a)所示。將2 個波同轉(zhuǎn)換器以“背靠背”方式(波導(dǎo)端法蘭螺紋連接為一體)連接進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7(b)所示，與仿真曲線吻合。由于測試端口引入2 個轉(zhuǎn)接頭，插入損耗增大。在4.0 GHz 頻率點反射系數(shù)為-18.7 dB，插入損耗為0.3 dB。

圖7 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器測量

微放電測試系統(tǒng)如圖8 所示，波同轉(zhuǎn)換器是在一個高真空室中完成的，前端為信號源，頻率為4 GHz，信號脈寬100 μs。波同轉(zhuǎn)換器后端接濾波器，并用頻譜儀檢測輸出信號。

圖8 微放電測試平臺

第1 次測得波同轉(zhuǎn)換器微放電閾值為7 kW，再次抽真空測量后僅為2 kW。更換L29 同軸內(nèi)導(dǎo)體后，第3 次測量結(jié)果恢復(fù)為7 kW。說明微放電位置確實在L29 同軸處，且該波同轉(zhuǎn)換的微放電功率閾值達(dá)到了7 kW，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較如表2 所示。實驗結(jié)果表明，對于該波同轉(zhuǎn)換器的微放電發(fā)生區(qū)域分析方法正確，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)提高了微放電功率容量。

表2 波同轉(zhuǎn)換器微放電功率閾值測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對高功率微波系統(tǒng)設(shè)計了一種后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)行微放電分析和測試。

1)在階梯阻抗變換設(shè)計的基礎(chǔ)上，改進(jìn)同軸內(nèi)導(dǎo)體與階梯塊的過渡區(qū)域，增加了其功率容量。“背靠背”測量結(jié)果并與仿真結(jié)果吻合，傳輸性能良好。

2)提出了以器件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從表面間距以及峰值電場強度分析復(fù)雜微波器件微放電敏感區(qū)域的方法，有助于定位微放電位置，并抑制微放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3)測量得到波同轉(zhuǎn)換器的微放電閾值功率突破7 kW，驗證了方法的可行性，為其空間應(yīng)用打下基礎(chǔ)。