魏 煥，張雨婷，楊兆倫，2，王新波，孫勤奮，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.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京，211106)

0 引言

微放電是航天器大功率微波部件不可避免的問題[1-3]，隨著航天器有效載荷向大功率、小型化、高集成方向發(fā)展[4-8]，大功率微波部件微放電設(shè)計(jì)與測試技術(shù)需進(jìn)一步提升。微放電效應(yīng)是電子在電磁場作用下撞擊部件表面產(chǎn)生二次電子倍增放電，受微波部件內(nèi)電磁場與微波部件材料表面特性綜合影響，使得其分析研究十分復(fù)雜。發(fā)生微放電會(huì)對(duì)微波部件產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而微放電產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，尤其是包含介質(zhì)的微波部件微放電影響因素更為復(fù)雜。實(shí)際中存在加工與工藝缺陷，以及存放過程中暴露環(huán)境等可能帶來的污染等方面原因，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的微放電閾值比設(shè)計(jì)的低，在太空中，微波部件也會(huì)受到射線、離子等因素的影響，使得微波部件微放電設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。因此，國內(nèi)外微放電檢測標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)微波部件開展微放電測試，以確保在軌工作安全可靠。

為滿足航天器有效載荷快速發(fā)展需求，適應(yīng)微放電仿真分析技術(shù)進(jìn)步，相應(yīng)的驗(yàn)證測試也變得更為細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，國外航天組織建立或更新了微放電測試標(biāo)準(zhǔn)。美國空軍空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心(SMC)在2014年的SMC-S-016《Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicle》標(biāo)準(zhǔn)中更新了微放電報(bào)告TOR-2014-02198[9]；2020年歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化組織(ECSS)的系列標(biāo)準(zhǔn)《Space engineering》修訂了微放電手冊(cè)ECSS-E-HB-20-01A和ECSS-E-ST-20-01C[10-12]；中國航天標(biāo)準(zhǔn)體系在2014年發(fā)布的航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《航天器射頻部件與設(shè)備檢測方法》第2部分QJ20325.2-2014介紹了微放電檢測標(biāo)準(zhǔn)，航天科技第五研究院2015年發(fā)布了五院院標(biāo)Q/W 1435-2015[13-14]。文章介紹了美國和歐洲微放電設(shè)計(jì)與測試標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展，以期為國內(nèi)微放電檢分析與檢測標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 美國微放電標(biāo)準(zhǔn)簡介

為減少航天器部件內(nèi)射頻擊穿，美國空軍空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心組織多位在政府和航空航天工業(yè)的從業(yè)人員編寫《Standard / handbook for radio frequency (RF) breakdown prevention in spacecraft components》(Aerospace report No. TOR-2014-02198 )微放電檢測標(biāo)準(zhǔn)，于2014年發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)面向組件設(shè)計(jì)人員、衛(wèi)星系統(tǒng)工程師以及客戶群體，包括了7個(gè)方面的內(nèi)容，本文主要介紹與中國標(biāo)準(zhǔn)不同的兩個(gè)方面內(nèi)容：最低微放電準(zhǔn)則、微波部件分類及分析方法，其他部分內(nèi)容可參考微放電報(bào)告TOR-2014-02198標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 最低微放電準(zhǔn)則

美國的微放電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最低微放電準(zhǔn)則明確定義的適用范圍為：最低頻率為5MHz且微波部件內(nèi)部射頻電壓峰值大于5V的部組件(這里稱為5MHz/5V規(guī)則)。由于電壓是微放電擊穿定義的參數(shù)，因此不適用于部件工作的最小功率水平，必須使用局部場分析來確定實(shí)際微波部件幾何結(jié)構(gòu)中的特定電壓。對(duì)于低于5MHz/5V的微波部件，不需要考慮微放電。

1.1.1 微放電敏感頻率的選擇

對(duì)于射頻系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)敏感間隙，應(yīng)評(píng)估在不同頻率下的微放電擊穿情況。

對(duì)于射頻帶寬內(nèi)最低的單載波信號(hào)：

1)如果任意幾何結(jié)構(gòu)的f×d在帶寬內(nèi)最低的單載波信號(hào)下均小于0.5GHz·mm，則在射頻帶寬內(nèi)最高的單載波信號(hào)處進(jìn)行評(píng)估；

2)對(duì)于大帶寬系統(tǒng)，如果可能的頻率范圍大于0.5GHz·mm，且與最大的可能間隙dmax之商較大，則應(yīng)在頻率步長處評(píng)估每個(gè)間隙，如式(1)所示：

(1)

如果在最低和最高的單載波信號(hào)之間可能存在更敏感的f×d和電壓組合，則應(yīng)考慮在可用帶寬內(nèi)評(píng)估其他頻率。

1.1.2 微放電間隙

滿足5MHz/5V規(guī)則的所有元件和傳輸線結(jié)構(gòu)的每一處間隙都應(yīng)獨(dú)立評(píng)估微放電發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。易產(chǎn)生微放電的間隙一般是滿足5MHz/5V規(guī)則的金屬-金屬、金屬-介質(zhì)、介質(zhì)-介質(zhì)，其表面之間是開放的未填充的間隙，同時(shí)在兩個(gè)表面之間可能有微放電電子運(yùn)動(dòng)軌跡涉及的范圍內(nèi)。目前雙表面微放電是常見的微放電，在特殊情況下，如磁性器件或直流偏置系統(tǒng)內(nèi)可出現(xiàn)單表面微放電，典型的航天器系統(tǒng)中也有可能出現(xiàn)單表面微放電。

在設(shè)計(jì)和分析中，需要檢查所有可能的間隙，包括那些因公差變化產(chǎn)生的間隙。由于幾何公差的微小變化，可以引起微放電閾值的顯著變化。

1.1.3 最小頻率間隙乘積準(zhǔn)則

對(duì)于較低的頻率間隙乘積(f×d)，在物理上有一個(gè)截止點(diǎn)，即它有可能不滿足電子倍增微放電的標(biāo)準(zhǔn)，這種物理截止點(diǎn)稱為最小頻率間隙乘積(f×dmin)，而這主要依賴于二次電子發(fā)射系數(shù)(secondary electron yield, SEY)。f×dmin正比于E11/2，即SEY曲線的第一交叉點(diǎn)能量值的平方根，典型的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。具體參考準(zhǔn)則為：

圖1 f×dmin實(shí)際值由SEY曲線的第一交叉點(diǎn)能量決定Fig. 1 Actual values of f×dmin will depend on the first-cross-over energy of the SEY

1)f×d<0.5GHz·mm，可不考慮微放電擊穿；

2)f×d>0.5GHz·mm，且滿足5MHz/5V規(guī)則，需要考慮微放電擊穿問題。

1.2 微波部件分類及分析方法

1.2.1 微波部件分類

根據(jù)微波部件分析復(fù)雜程度將微波部件分為3種類型，如表 1所列，具體部件分類在下文中介紹。

表1 微波部件分類介紹Tab. 1 Classification introduction of microwave components

1)1類部件

電子軌跡應(yīng)在敏感電壓區(qū)域的金屬電極之間確定。電介質(zhì)應(yīng)在微放電區(qū)域的范圍(直線電子軌跡)之外。一般認(rèn)為金屬氧化物是金屬表面，除非氧化物層超過10倍的趨膚深度，所有間隙都應(yīng)有明確定義的通風(fēng)路徑。

2)2類部件

電子軌跡應(yīng)該在金屬和介質(zhì)表面之間和(/或)兩個(gè)或兩個(gè)以上的、在擊穿區(qū)域的軌跡范圍內(nèi)的電介質(zhì)表面之間。有機(jī)介質(zhì)(含碳)和非有機(jī)介質(zhì)(如陶瓷)應(yīng)被認(rèn)為是2類部件的一部分。所有間隙都應(yīng)有明確定義的通風(fēng)路徑，且需特別考慮與微放電電子軌跡平行或在同一平面內(nèi)的介質(zhì)與介質(zhì)界面。

3)3類部件

這種類型包括不確定或不可控間隙的部件，包括單元到單元的變換、工藝及幾何調(diào)諧等。在這些情況下，在部件的壽命期限內(nèi)包括地面試驗(yàn)和在軌運(yùn)行期間，不能明確確定所有單元的微放電間隙或可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)的變化。有意地進(jìn)行填充或在微放電間隙充氣增加氣壓可以阻礙共振電子的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于灌封部件和密封裝置都適用。由于工藝的可變性，無法通過分析證明微放電減緩，因此需要特別考慮。同時(shí)，任何不符合1類或2類設(shè)備描述的部件應(yīng)被認(rèn)為是3類部件。

1.2.2 微波部件分析方法

為了便于對(duì)微波部件開展分析，按照復(fù)雜度將其分為3類。微波部件分析方法是針對(duì)3類微波部件定制不同分析技術(shù)的方法。分析技術(shù)包括解析場確定、數(shù)值場確定和粒子跟蹤模擬，典型的部件分類與分析方法與余量如表 2所列。采用不同的方法分析微波部件微放電閾值是為了簡化微放電分析過程，并減少分析和測試時(shí)預(yù)定余量過于保守。

表2 分析和測試的微放電余量要求Tab. 2 Multipactor margin requirements for the analysis and test

在設(shè)備類型方面，由于部件故障的風(fēng)險(xiǎn)更高以及介電效應(yīng)對(duì)微放電閾值的不確定性 (SEY和/或表面充電)，因此需要更高的分析余量。對(duì)于具有單元到單元可變性的3類部件的微放電余量要求不能僅通過分析進(jìn)行驗(yàn)證；因此，需要對(duì)這些部件類型進(jìn)行驗(yàn)收測試。對(duì)于更復(fù)雜的設(shè)備，如分析I級(jí)和分析Ⅲ級(jí)，電壓確定通常需要一個(gè)多維模型來準(zhǔn)確地確定局部間隙電壓。對(duì)于分析Ⅱ級(jí)的設(shè)備，需要在更簡單的分析I級(jí)設(shè)備上增加3dB余量的分析，這是因?yàn)樵陔姶帕Ｗ臃治鲋?，部件?nèi)部可能有多個(gè)可能的電子軌跡疊加使得整體部件更復(fù)雜。分析 Ⅲ 級(jí)需要使用最先進(jìn)的粒子模擬工具進(jìn)行改進(jìn)的微放電建模，從而消除選擇敏感軌跡的主觀性質(zhì)，也可以更準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的電子運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于測試，在所有設(shè)備類型和分析級(jí)別的余量都是相同的。只要被測設(shè)備與預(yù)期的飛行部件相同，這些余量是合適的。假設(shè)設(shè)備充分代表實(shí)際組件的材料、結(jié)構(gòu)和配置，在有和沒有介質(zhì)的情況下，余量是相同的。

2 歐洲微放電標(biāo)準(zhǔn)

歐洲的微放電檢測標(biāo)準(zhǔn)由ESA的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)ECSS主導(dǎo)編寫，已經(jīng)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)主要有2003年發(fā)布的ECSS-E-20-01A，2013年的修訂版ECSS-E-20-01A Rev.1及2020年的ECSS-E-HB-20-01A與ECSS-E-ST-20-01C的系列標(biāo)準(zhǔn)。最新的微放電標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)描述了射頻器件和設(shè)備的設(shè)計(jì)測試指南及建議，以實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行不發(fā)生微放電，不僅包括之前版本的內(nèi)容，還增加了二次電子發(fā)射測量研究成果。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了所有類別的衛(wèi)星射頻器件和設(shè)備在所有頻段上發(fā)生的微放電特性。本文主要介紹與中國檢測標(biāo)準(zhǔn)不同的部分：微波部件分類與微放電考核方法、多載波微放電測試方法。將二次電子發(fā)射測量方法表明材料表面狀態(tài)對(duì)微放電性能的影響力，具體二次電子發(fā)射部分這里不做介紹，詳細(xì)參考ECSS-E-ST-20-01C標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 微波部件分類方法與微放電考核方法

2.1.1 微波部件分類方法

微波部件表面材料的二次電子發(fā)射特性對(duì)微放電產(chǎn)生有重要影響。由于微波部件在加工、存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中不可避免地存在污染，并會(huì)使用黏結(jié)劑和潤滑劑等，使得微波部件微放電閾值降低，因此微波部件必須保證足夠的微放電值余量。

根據(jù)微波部件材料二次電子發(fā)射特性，ESA微放電設(shè)計(jì)與測試標(biāo)準(zhǔn)中將微波部件分為3類：第1類(P1)是微波路徑全為金屬，或者是為增加微放電閾值而開展的非有機(jī)表面微處理的金屬，并且金屬的二次電子發(fā)射特性已知，微波部件透氣孔設(shè)計(jì)合理；第2類(P2)為微波路徑包含微放電特性明確的介質(zhì)或其他材料，微波部件透氣孔設(shè)計(jì)合理；第3類(P3)為除了前兩類以外的其他類型微波部件。

2.1.2 微放電考核方法

微放電設(shè)計(jì)余量是指微波部件的微放電閾值功率理論計(jì)算結(jié)果與額定工作功率之間的差額。在透氣孔合理設(shè)計(jì)的條件下，ESA微放電設(shè)計(jì)與測試標(biāo)準(zhǔn)按照不同的微波部件類型規(guī)定了分析、鑒定級(jí)試驗(yàn)、抽檢試驗(yàn)、單件產(chǎn)品試驗(yàn)4個(gè)階段的微放電閾值考核余量。

對(duì)P1微波部件，在微放電閾值分析余量大于8dB時(shí)，如果還滿足：1)所分析微波部件是繼承于與其類似的已經(jīng)被驗(yàn)證的合格設(shè)計(jì)，2)所分析微波部件的結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的電磁場分析，3)存在已有設(shè)計(jì)，其分析閾值和測試閾值建立了準(zhǔn)確聯(lián)系，所分析微波部件的微放電關(guān)鍵區(qū)域與該已有設(shè)計(jì)一致，則可以不進(jìn)行微放電試驗(yàn)，認(rèn)為微放電考核通過。

在微放電閾值分析余量不大于 8dB時(shí)，需要進(jìn)行鑒定級(jí)微放電試驗(yàn)：測試閾值如果大于6dB余量，則微放電考核通過；如果鑒定級(jí)微放電試驗(yàn)不滿足6dB余量，則需要針對(duì)飛行件進(jìn)行微放電試驗(yàn)。如果是多件飛行件產(chǎn)品同批次投產(chǎn)，只進(jìn)行微放電抽檢：如果所抽樣品的微放電閾值余量大于4dB，則該批次飛行件微放電考核通過；如果抽檢余量不滿足4dB或者為單件飛行件，則必須對(duì)每件飛行件進(jìn)行微放電試驗(yàn)，要求微放電閾值余量大于3dB方可通過微放電考核。

對(duì)于P1、P2、P3這3類微波部件的不同階段，單載波微放電閾值考核余量要求如表 3所列。

表3 微波部件不同階段單載波微放電閾值考核余量Tab. 3 Classific assessment allowance of different stages of microwave components

表 3 中微放電考核余量是建立在材料二次電子發(fā)射特性穩(wěn)定的成熟工藝基礎(chǔ)上。對(duì)于工藝穩(wěn)定性缺乏嚴(yán)格控制，即使在產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)時(shí)微波部件滿足了微放電閾值余量要求，但是對(duì)于新加工的正樣產(chǎn)品仍然需要開展微放電測試試驗(yàn)，通常要求鑒定級(jí)的微放電測試余量不小于6dB，同時(shí)飛行試驗(yàn)件微放電閾值余量不小于3dB，并且對(duì)于鑒定件和飛行件都要進(jìn)行微放電試驗(yàn)。針對(duì)3類微波部件單載波微放電考核流程如圖2所示。

圖2 微波部件微放電考核流程圖[6]Fig. 2 Flow chart of multipactor assessment of microwave components

2.2 多載波微放電測試方法

多載波微放電測試隨著載波數(shù)量增加復(fù)雜度增大，通常情況下采用等效功率下的單載波進(jìn)行多頻測試。通過定義合理的等效單載波(又稱連續(xù)波，continuous wave, CW)，就可使用CW測試類比研究多載波放電問題。多載波信號(hào)在時(shí)域上可以近似為時(shí)間為ton和振幅為Von的脈沖信號(hào)。可以確定最差情況下產(chǎn)生最低微放電閾值電壓Vmc(Von,ton)，如圖 3所示。

圖3 脈沖模型和CW的余量定義Fig. 3 Margin definition with respect pulsed model and CW operation

圖3的參數(shù)分別代表：ton為最差情況下的脈沖持續(xù)時(shí)間，Von為多載波信號(hào)在ton時(shí)間內(nèi)的微放電閾值，V0為多載波工作電壓，Veq為等效單載波電壓，Vsc為單載波電壓閾值，M為工作電壓和多載波閾值之間的余量。

等效單載波電壓是指在單載波中的應(yīng)用電壓Veq，它相對(duì)于單載波閾值Vsc產(chǎn)生相同的余量M。

(2)

(3)

功率形式表達(dá)為：

(4)

其中Peq,sc為等效的CW功率，Pth,sc為單載波閾值，P0為多載波平均運(yùn)行功率(所有載波功率值之和)，Pth,mc為多載波平均閾值(所有載波功率值之和)。

為了計(jì)算等效的CW功率，需要同時(shí)進(jìn)行單載波和多載波分析。理論上，多載波功率閾值由以下因素制約，有：

(5)

這對(duì)等效CW功率提出約束條件，有：

P0≤Peq,sc≤NP0

(6)

根據(jù)式(6)，等效定義的替代式，有：

(7)

Pth,mc

(8)

推導(dǎo)得：

若Pth,sc

(9)

若Pth,sc>NPth,mc,Peq,sc=NP0

(10)

若Pth,mc

(11)

3 結(jié)論

文章介紹了美國和歐洲微放電標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容，其中提出了最低微放電準(zhǔn)則，對(duì)微波部件等進(jìn)行了分類，不同類別均有不同的微放電分析與測量余量要求，最后介紹了多載波微放電等效單載波測試方法。隨著制造技術(shù)與工藝控制水平的提高，制定或更新微放電標(biāo)準(zhǔn)可更準(zhǔn)確分析微波部件微放電閾值，盡可能降低微放電設(shè)計(jì)余量，確保在軌不發(fā)生微放電。參考國外微放電標(biāo)準(zhǔn)研究可為我國微放電研究及測試提供指導(dǎo)。