楊兆倫，魏 煥，張雨婷，崔萬照

(1.南京航空航天大學 航天學院，南京 211106；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，西安 710000)

0 引言

為滿足航天器日趨發(fā)展的任務(wù)需求，近年來航天器制造工藝、技術(shù)水平都得到大幅提升，相應(yīng)的驗證測試也變得更為細致嚴謹，其中大功率微波部件的微放電問題導致航天器的可靠性面臨嚴峻挑戰(zhàn)，各國航天組織均對航天器相關(guān)試驗標準進行了修訂。美國空軍空間和導彈系統(tǒng)中心(SMC)在2014年的SMC-S-016《Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicle》標準中更新了微放電報告部分TOR-2014-02198[1]；2020年歐洲空間標準化組織(ECSS)的系列標準《Space engineering》修訂了微放電手冊ECSS-E-HB-20-01A[2]；中國航天標準體系在2014年發(fā)布的《航天器射頻部件與設(shè)備檢測方法》QJ20325.2-2014中也對微放電檢測規(guī)范標準[3]。

其中，ECSS標準體系旨在制定和維護共同空間標準，主要有歐空局(ESA)、法國國家太空研究中心(CNES)、德國航空太空中心(DLR)及歐洲工業(yè)協(xié)會共同協(xié)調(diào)合作制定。ECSS在2003年的系列標準中首次添加了微放電部分，在此之后，ESA聯(lián)合多家機構(gòu)建立相關(guān)實驗室，開展國際會議進行微放電研究，并由此逐漸完善微放電手冊內(nèi)容，包括分析檢測方法、影響因素、操作流程及注意事項。因此，本文就最新版手冊ECSS-E-HB-20-01A介紹其在微放電檢測方面的進展。

微放電也稱二次電子倍增效應(yīng)，就微放電的啟動和維持機制而言，需滿足兩個條件：1)高真空條件下電子運動的平均自由程大于部件尺寸，且材料的平均二次電子產(chǎn)額大于1。2)系統(tǒng)的幾何形狀和場激勵使電子在適當?shù)纳漕l相位上撞擊邊界產(chǎn)生二次電子，二次電子的渡越時間是微波信號半周期的奇數(shù)倍,如圖1所示。通過表面處理技術(shù)可以改變材料的二次電子發(fā)射系數(shù)，尺寸結(jié)構(gòu)會改變內(nèi)部的場分布，繼而影響電子運動軌跡[4]。

圖1 雙邊微放電效應(yīng)發(fā)生過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of multipactor

最早的微放電現(xiàn)象是由Farnsworth[5]于1934年發(fā)現(xiàn)的，微放電是一種發(fā)生在高真空條件下的射頻擊穿機制，微波部件在1×10-3Pa或更低壓強條件下，傳輸大功率微波信號時發(fā)生的諧振放電現(xiàn)象[6]。依據(jù)微放電發(fā)生時電子運動軌跡與結(jié)構(gòu)幾何邊界的關(guān)系，劃分為雙邊微放電和單邊微放電[7]。微放電會導致信號噪聲電平抬高、功率反射以及完全短路引起的局部電離現(xiàn)象，在最壞的情況下，可能會使整個系統(tǒng)完全失效。除了二次電子導致的微放電，其他不同類型的故障也可能同時發(fā)生，例如局部釋氣和電子倍增所導致的電暈放電[8-10]。

1 設(shè)計分析方法

雖然對微放電效應(yīng)的研究已經(jīng)超過半個世紀，但由于其物理本質(zhì)的復雜性，該問題一直沒有得到很好解決。不論是有關(guān)其形成過程、飽和機理的理論描述，還是有關(guān)大功率微波無源器件的微放電閾值預(yù)測，均還在發(fā)展中。早期，計算機尚未像今天這樣普及，依據(jù)電子運動方程和諧振條件對平行板結(jié)構(gòu)的微放電閾值進行解析推導，是當時有關(guān)微放電理論分析的主要研究內(nèi)容。經(jīng)典的微放電理論分析是基于兩個無限延伸的平行板結(jié)構(gòu)[11-13]，然而大多數(shù)真實的射頻器件幾何結(jié)構(gòu)所涉及的是不均勻的射頻電場和彎曲的場線。在這種情況下，基于平行平板結(jié)構(gòu)擊穿閾值的往往過于保守，并會導致一些非優(yōu)化設(shè)計。

1.1 理論分析

有關(guān)微放電的研究可以追溯到上世紀40年代，Gill和Van Engel通過試驗性研究獲得微放電敏感曲線[14]，后來Hatch和Williams[12]等假設(shè)電子與材料的碰撞速度和電子出射初速度比值為常數(shù)k，并對微放電敏感區(qū)域進行了合理的解釋，創(chuàng)立了早期的微放電理論。在此基礎(chǔ)上Woode等[15]通過大量數(shù)據(jù)擬合的微放電敏感曲線圖，改進常數(shù)k理論，討論不同的f×d及d/l比值，確定微放電擊穿水平。早期的分析一般基于無限平行板/同軸幾何結(jié)構(gòu)，以解析的方式建立數(shù)值一維模型進行討論，盡管該方法與物理實際有所偏差，但微放電敏感曲線圖與試驗數(shù)據(jù)一致性較好，雖然這個過程對從模型角度理解微放電沒有幫助，但在工程實際中被廣泛推廣使用。

隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)值電磁計算逐漸成為可靠的微放電評估方式，數(shù)值模擬可以較為直觀的模擬實際物理情況，獲得實時電子運動狀態(tài)，如電子碰撞位置、能量、時間等信息。具有代表性的數(shù)值模擬方法包括：PIC(Particle-in-Cell)、單電子追蹤、統(tǒng)計理論等，數(shù)值方法除了考慮部件結(jié)構(gòu)內(nèi)的場變化，還可以模擬粒子在電磁場中的運動軌跡，并自動納入了邊緣場效應(yīng)，這是一種合理準確的方法，可以預(yù)測不同情況下的微放電，但所需的計算時間與內(nèi)存成本較高。2006年ESA聯(lián)合西班牙瓦倫西亞大學開發(fā)了基于PIC和FDTD研制仿真軟件FEST3D，考慮了復雜空間電荷、邊緣長以及噪聲分析[16]。達索公司開發(fā)的電磁模擬軟件CST粒子工作室模塊包含多個專用求解器，可用于微放電仿真分析[17]。中國空間技術(shù)研究院西安分院聯(lián)合東南大學等單位開發(fā)出國內(nèi)首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微放電仿真軟件MSAT，可實現(xiàn)復雜微波部件的微放電精確分析[18]。

在ECSS微放電手冊中，一般將無限平行板/同軸幾何結(jié)構(gòu)，以解析的方式建立數(shù)值一維模型劃分為等級一(L1)分析，理論方面基于直接分析或參考微放電敏感圖表或通過解析的方式計算所得。而等級二(L2)分析選擇數(shù)值軟件，尤其適用于膜片和其他復雜幾何結(jié)構(gòu)的預(yù)測，數(shù)值方法可以通過實時跟蹤大量微觀帶電粒子在微波場及其自洽場作用下的運動情況，并分析微放電過程的整體運動規(guī)律與宏觀物理特性。

1.2 多載波分析

單載波微放電具有較為完善的理論和測試程序，而在許多情況下，單載波余量在峰值相同的多載波信號并不適用。ECSS在2013版的微放電手冊中只提供了對多載波操作的臨時性建議，而在2020版中增添了多載波微放電分析部分。

Marrison[19]提出20次間隙電子渡越準則，認為在單個包絡(luò)周期內(nèi), 當多載波合成信號包絡(luò)在單載波放電閾值以上的持續(xù)時間能夠使得電子在微波部件腔內(nèi)渡越超過20次, 即可認為具有激發(fā)微放電的可能。Anza等[20]考慮了脈沖式"長周期微放電"模型，將多載波信號近似為單載波信號，其頻率等于載波的平均頻率，并將脈沖包絡(luò)視為“開”和“關(guān)”兩個間隔,如圖2所示，通過引入電子生成、吸收因子并結(jié)合單載波理論進行分析。

圖2 多載波信號與相應(yīng)脈沖的近似Fig.2 Example of multicarrier signal and corresponding pulse approximation

原則上，找到最壞情況下相位組合的唯一方法是在整個相位組合域內(nèi)搜索擊穿功率的極值。該問題的復雜性隨著載波數(shù)的增加而增加。解析法如非穩(wěn)態(tài)理論、準穩(wěn)態(tài)理論[21]在計算資源方面成本較低，并允許在整個相位范圍內(nèi)對一些簡單情況進行全局優(yōu)化。而針對復雜微波部件內(nèi)部電子變化分析，較為可靠的方法是通過數(shù)值模擬進行行[22-23]。包絡(luò)掃描法考慮的是完整的多載波信號，多載波信號的包絡(luò)是由載波的頻率和相對相位決定的，通過研究“開啟間隔”或包絡(luò)信號高于閾值水平的區(qū)間來定義包絡(luò)形狀。然后，對一定數(shù)量的點進行掃描，并對相位進行優(yōu)化，使用解析或數(shù)值方法，最終可得出其擊穿功率及閾值。

ESA以Ku波段帶通濾波器為例，對比不同的分析方法，并將其與測試結(jié)果進行了比較，如表1所列。

表1 預(yù)測及測試微放電水平對比Tab.1 Predicted and tests multipactor breakdown levels

這些結(jié)果表明，用非穩(wěn)態(tài)理論進行包絡(luò)掃描得到的結(jié)果幾乎與用非穩(wěn)態(tài)理論進行全局優(yōu)化結(jié)果相等；包絡(luò)掃頻得到的結(jié)果非常接近極端情況，與測試結(jié)果近3dB的差值來自于平行板方法的局限性，這種誤差同時在單載波測試中也存在；包絡(luò)掃描與數(shù)值軟件相結(jié)合獲得了最好的結(jié)果，軟件能夠準確模擬設(shè)備內(nèi)部電子軌跡及三維場變化；20次間隙渡越準則獲得了最為保守的結(jié)果，有5dB的余量。

2 微放電檢測

微放電的基本測試設(shè)備包括：真空系統(tǒng)、微波功率加載系統(tǒng)、微放電檢測系統(tǒng)以及功率吸收系統(tǒng)。真空系統(tǒng)作為待測件的測試平臺，內(nèi)部配置電子源、溫度控制設(shè)備以及相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊，測試時倉內(nèi)壓強應(yīng)優(yōu)于1×10-4Pa。功率加載系統(tǒng)生成信號源，通過功率放大器將微波信號放大到需要的功率后輸入待測件，輸出功率的一部分被負載吸收。真空倉兩端耦合連接檢測系統(tǒng)，判斷待測件是否發(fā)生微放電，如圖3所示。

圖3 微放電檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of multipactor detection

2.1 檢測方法

微放電的發(fā)生會對待測件的輸入輸出信號產(chǎn)生一定影響，如輸入信號相位、幅度、諧波發(fā)生變化、以及反射功率增大等，微放電同時也會伴隨著器件表面的吸附氣體或者離子放電激發(fā)現(xiàn)象。微放電檢測就是基于這兩方面特點來判斷待測件是否發(fā)生了微放電。微放電的檢測方法分為全局和局部檢測法[24]，全局檢測法有諧波檢測、正反向功率調(diào)零檢測、近載波噪聲檢測，通過觀測信號的前后變化判斷微放電的發(fā)生。全局方法已被證明在單載波連續(xù)/脈沖測試中是有效的。然而，在不同單載波和多載波的寬帶信號和調(diào)制信號測試場景中，需要對檢測方法提出一些適用性的變化。局部檢測法包括電子探針和光學檢測法等，利用放電會增大電子濃度或者激發(fā)氣體放電進行檢測，但由于局部法有諸多限制條件，一般作為輔助手段使用。根據(jù)ECSS微放電手冊規(guī)定，檢測過程至少同時使用兩種檢測手段，且至少包含一種全局檢測方法。

2.2 檢測流程

在微放電測試期間，監(jiān)測觀察中的任何環(huán)境異常變化，如壓力曲線的突然尖峰或意外的溫度變化，都有可能會對測試結(jié)果造成影響，因此必須對測試平臺進行驗證，規(guī)范測試流程，排除無關(guān)因素，確定異常問題來源，如圖4所示。本節(jié)介紹ECSS的大功率負載測試流程及注意事項：

(1)功率測試前后散射參數(shù)的測量。負載的散射參數(shù)在測試前后都會被驗證，以確保射頻性能不會因為高射頻功率測試而降低；

(2)在烘箱中對設(shè)備進行初步烘烤(環(huán)境壓力)。當負載在非控制條件中長期存放時，建議在進入真空倉之前先在環(huán)境壓力下進行烘烤。將負載放置在烤箱內(nèi)從80℃溫度加熱60分鐘以上，除去大量水吸附；

(3)冷卻液過壓測試。需給冷卻室內(nèi)填充比正常運行時更高壓的氣體(空氣、氮氣或氦氣)，觀察冷卻室是否會發(fā)生變形；

(4)對液體連接處進行檢漏測試。完成冷卻部分的連接后，需進行系統(tǒng)檢漏。較方便的方法是使用氦氣檢漏儀，在管道中注入氦氣，檢查是否漏氣；

(5)安全系統(tǒng)的核查(傳感器、冷卻系統(tǒng)監(jiān)控等)；

(6)溫度測量設(shè)備的安裝(熱電偶、溫度傳感器等)。在射頻測試流程中，記錄負載部分點的溫度數(shù)據(jù)。這些測量點涵蓋了負載中比較關(guān)鍵的間隙區(qū)域，例如輸入輸出連接端的冷卻劑溫度，以及壓力窗口處溫度；

(7)最大的射頻功率環(huán)境壓強測試。在啟動真空系統(tǒng)之前，負載須在真空室內(nèi)正確連接。為了驗證所有的參數(shù)，要進行最大射頻功率的環(huán)境測試，以確保其熱穩(wěn)定性；

(8)高真空下的射頻功率測試。高真空中的測試順序根據(jù)規(guī)格需求而有所不同，通常都要從較低的功率開始，逐步提升到最大射頻功率，主動緩慢釋氣階段持續(xù)的時間越長越好，以避免因釋氣和負載上的溫度過高而導致壓力過大；

(9)敲擊測試。在波導高射頻功率負載上，需進行最后的敲擊測試，以確保吸收劑沒有退化。一旦負載從真空室中取出，用聚酰亞胺膠帶覆蓋整個波導空隙。然后將負載倒置并進行數(shù)次敲擊。如果材料在測試過程中被燒毀，掉落的部分將被膠帶捆住。該測試可以使用內(nèi)窺鏡等設(shè)備進行檢查。微放電測試流程概述如圖4所示。

圖4 微放電測試流程概述Fig.4 Multipactor test procedure overview

相較于先前版本的手冊，最新版對整個測試流程考慮更加全面、完備，提升了待測器件的可靠性。

3 二次電子檢測

相較于2013年版微放電手冊，二次電子影響作為附錄部分有所提及。在最新的ECSS手冊中將二次電子問題列為單獨章節(jié)進行說明。

二次電子發(fā)射在微放電中起著至關(guān)重要的作用，當具有一定能量的電子或離子入射到固體表面時，會引起電子從被轟擊表面發(fā)射出來，這種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射，自1899年Campbell發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象后，人們開始對各種物質(zhì)二次電子發(fā)射特性、機理、測試和應(yīng)用展開了深入的研究。

空間微波器件中的電子雪崩是由射頻元件表面的二次電子循環(huán)發(fā)射刺激產(chǎn)生的，二次電子是電子倍增的主要觸發(fā)和維持機制，因此通常二次電子希望被抑制甚至消除。二次電子發(fā)射一般發(fā)生在內(nèi)表面5～10nm深度范圍，其中表面的頂部原子層的影響較重要。因此它主要取決于材料的類型，表面處理方式、表面污染物和表面形貌。

二次電子的抑制存在兩種思路，一種是在材料表面覆蓋低二次電子發(fā)射系數(shù)(SEY)膜層改變表面構(gòu)成，Pimpec等[25]開展了TiN和TiZrV濺射沉積薄膜的SEY測量，并獲得較好的抑制效果，楊晶等[26]采用電泳沉積制備納米碳涂層可以使最大SEY由2.03降至1.76。另一種是對表面形貌進行處理，通過改變二次電子運動軌跡使出射的二次電子重新返回出射表面。Ohya等[27]發(fā)現(xiàn)粗糙表面SEY可能增強也可能被抑制，粗糙表面發(fā)射的二次電子的能譜相比于平滑表面將朝低能端移動。美國加速器實驗室(SLAG)研究了不同形狀的規(guī)則溝槽結(jié)構(gòu)對SEY的影響，研究了規(guī)則形貌、粗糙表面的二次電子發(fā)射特性[28]。近年來，人們采用激光處理、化學刻蝕、濺射、沉積、熱氧化等多種工藝方法實現(xiàn)了微納米量級的表面結(jié)構(gòu)改進，以實現(xiàn)二次電子的抑制[29-30]。除此之外，暴露在大氣中會促使材料表面氧化物的形成(化學吸附)，含氧碳分子和自由基的物理吸附材料表面覆蓋的污染物和氧化物，或處在一些特定環(huán)境下積累的電荷層，都會對SEY產(chǎn)生影響。Barglin等[31]發(fā)現(xiàn)不同劑量的電子入射對SEY和表面吸附都有不同影響。張海波等[32]研究了溫度對SEY的抑制效果，發(fā)現(xiàn)烘烤時間、溫度基本上成線性反比關(guān)系。這種抑制的主要機理是高溫烘烤使樣片表面沾污發(fā)生解吸附。

針對二次電子發(fā)射特性測量的問題，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)研制了具備高精度和多樣性的儀器設(shè)備，推動了相關(guān)二次電子理論研究與應(yīng)用發(fā)展，國外具有代表性的裝置包括猶他州立大學所建立的測試設(shè)備，采用半球級收集級完全覆蓋整個樣品空間，可保證測量的高精確性和全面性。法國宇航材料研究局的設(shè)備可使用卡爾文探針法實現(xiàn)多種金屬和介質(zhì)材料的準確測量。國內(nèi)方面，多家研究所與高校都建立了研究測試設(shè)備，中國科學技術(shù)大學的裝置可用于金屬及介質(zhì)的測量，但測量周期較長，且不具備能譜分析[33]。中國空間技術(shù)研究院西安分院針對金屬和介質(zhì)材料研制了兩套設(shè)備以實現(xiàn)SEY及能譜的測量，除此之外，配備殘余氣體分析儀， XPS探測器實現(xiàn)對測試變化過程的監(jiān)測。

由于材料的二次電子發(fā)射系數(shù)受環(huán)境影響較大，因此準確檢測其實時變化特性，對微波部件的性能檢測至關(guān)重要。在歐洲太空研究和技術(shù)中心項目測試期間，設(shè)計了一個SEY樣品檢測策略，將所獲得 SEY數(shù)據(jù)用于微放電閾值預(yù)測。由于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在射頻裝置內(nèi)部無法直接測量，因此在制造裝置的同時，同批次制造了代表“制造件”和“測試件”的SEY樣品(金屬板)，并全程采用與相應(yīng)的射頻部件相同的材料工藝，即同批次基礎(chǔ)材料，相同的涂層和表面處理流程。每個射頻設(shè)備將使用了6個樣品驗證，其中3個(制造件)送到檢測機構(gòu)確定其3個SEY特性。另外3個(測試件)在進行微放電測試之前，將一直跟隨著相應(yīng)的設(shè)備[34]。有了這個策略，就有可能在設(shè)備的全生命周期內(nèi)對部件的SEY特性進行監(jiān)測。

4 結(jié)論

隨著空間科學技術(shù)的發(fā)展，空間微波部件遇到了由微放電效應(yīng)導致的可靠性問題的嚴峻挑戰(zhàn)，面對未來高頻段、大功率、長壽命的發(fā)展趨勢，微放電問題還需深入研究。ECSS近乎每十年更新一版微放電手冊，匯總長期的研究成果，并納入檢測規(guī)范。就國內(nèi)而言，還需進一步整合相關(guān)科研機構(gòu)及高校資源，開展關(guān)鍵技術(shù)研究，積極籌辦學術(shù)研討，促進交叉學科的發(fā)展，完善微放電技術(shù)研究的體系化構(gòu)建，這也是檢測體系邁向國際化的必經(jīng)之路。

本文以ECSS-E-HB-20-01A微放電手冊為例，介紹了常用的微放電分析方法，以及多載波的分析策略；同時介紹了歐空局的微放電規(guī)范化檢測流程及其注意事項；除此之外對部件材料二次電子影響因素、檢測方案給予說明，可為相關(guān)微放電檢測提供參考借鑒。盡管微放電檢測方法已經(jīng)形成了不同層次的標準，但是隨著技術(shù)需求的升級，提升空間微波部件的可靠性，微放電地面試驗技術(shù)還需要進一步研究。