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(lái)，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，微波部件工作的功率越來(lái)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(mǎn)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(méi)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(guò)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(lài)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(guò)程示意圖

 

微放電的產(chǎn)生強(qiáng)烈地依賴(lài)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(mǎn)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(guò)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(lái)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(lái)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?xún)煞矫嫘枰懻?，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(lèi)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(guò)程中信號(hào)的變化特性，通過(guò)觀測(cè)信號(hào)的前后變化來(lái)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(lái)檢測(cè)放電，這種電子二次倍增可以使來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)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(guò)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(shù)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(guò)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(mén)來(lái)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(wèn)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(lèi)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)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?？於铱煽浚绕湓诙噍d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(lèi)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(lái)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(lái)了條件的限制。

 

前后向功率檢測(cè)法是通過(guò)用功率計(jì)觀測(cè)被測(cè)件的反射功率和輸入功率來(lái)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](méi)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(guò)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(lái)自被測(cè)件的反射功率和通過(guò)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(méi)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(xiàn)性作用，會(huì)引起邊頻信號(hào)的諧波，由于載波能量向周?chē)肼曔w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(lái)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(guò)近載波的邊頻分量變化來(lái)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(lái)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(méi)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(mǎn)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(méi)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(lái)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(lái)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。