西安电子科技大学 学位论文独创性(或创新性)声明

秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。

西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明

本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 (保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 一年解密后适用本授权书。

本人签名：塑基 日期型：Z 导师签名： 日期丝塑￡!

第一章绪论

第一章绪论

1．1微放电的历史和现状

早在1924年，Guttons在做真空实验时，就观察到了微放电效应，但他未能对 此作出明确和合理的解释【l】。在十多年以后，Farnsworth在他自己发明的放大器中 捕捉到了微放电效应的存在。为了更好研究这个现象，Famsworth设计并制造了电 子管，利用该设备他再次发现了微放电效应，并将它与一般的放电现象区分开来， 称之为“电子二次倍增效应(multipactor)"又称为“微放电效应"。

最早对微放电效应进行系统研究的是上世纪四十年代，牛津大学的Gill和Van Engel。他们利用实验的方法描绘出了微放电效应灵敏度区域。五十年以后，Hatch 和Williams对Gill和Van Engel的理论做出了重新阐述，这就是著名的“常数k’’ 理论。Hatch和Williams用这个理论对他们自己的实验结果进行了解释，得到了合 理的结梨21。由于“常数k”理论在建立微放电效应灵敏度曲线上的有效性，几十 年来，它成为微放电效应分析、设计中的经典理论。

Vaughan在Henneburg等人研究成果的基础上，提出了改进的“可变常数k” 理论。该理论用具有更多实际意义的单一非零初速假设代替了无明确物理理论基 础的“常数k”假定。目前，Vaughan理论已被Riyopoulos等人推广到了正交磁场 中f3】o

1970年10月，R．Woo撰写的美国航空和航天管理局(NASA)研究报告“射 频电压在同轴线中崩溃的结论报告"(Final Report on RF Voltage Breakdown in Coaxial Transmission Lines)是第一篇关于微放电效应的详细研究报告，并给出了 著名的平行板间微放电效应敏感性曲线(Woo曲线)。其后，欧空局(ESA)的欧 空局技术中心(ESTEC)以及不少大的宇航公司都对微放电效应进行了大量的研 究工作。并且，ESTEC建立计算机仿真模型进行计算，得出了平行板间微放电效 应敏感性曲线。该阈值曲线是进行空间波导部件设计时的重要参考标准。并且， ESTEC将微放电效应阈值设计余量定为6dB，成为目前实际工程应用中微放电效 应设计的通用标准14】。

对微放电效应的研究，初期主要集中在一些平板类电极和传输线上，如电子 开关的分析应用、矩形波导微放电阈值分析【踊】等。近些年随着空间技术的发展， 使得空间微波部件放电的可能性大大增加，空间系统上的一些重要射频部件如谐 振腔、射频窗和空间耦合器、放大器等的微放电现象成为研究的热点【7‘91。随着计 算机技术的发展，目前对微放电的研究可以利用计算机来对放电过程进行模拟，

空间微波部件微放电效应的研究

2

使得人们对微放电的认识更加直观【协12】。为了找到合适的措施，有效地抑制微放 电现象，国际上对微放电的研究日趋活跃，且研究的内容主要集中在以下四个方 面t(1)两金属导体表面间的微放电；(2)介质表面上的微放电；(3)对不同结 构、不同材料的微放电特性分析；(4)真空条件的要求以及计算机模拟计算。在 空间真空高功率环境下，微放电的危害主要表现为以下几个方面：(1)导致谐振 类设备失谐，使微波信号失调；(2)导致金属内部气体的逸出，产生更严重的气 体放电；(3)对设备表面产生慢性电蚀，导致设备失效；(4)产生很高的附加噪 声。

最近，经研究发现，微放电虽然具有很大的危害性，但是同时它的放电特性 也可以用在特定的电子技术中，如电子枪技术、等离子显示技术和电子开关技术 竺【13】。口 d

1．2选题的意义

尽管对微放电效应的研究早在上世纪初已经开始，并出现了一定的成果。但 由于受当时空间技术发展的限制，空间微波功率还不是很高，人们对微放电效应 危害性的认识还不是很深刻。随着航空航天技术的飞速发展，大功率微波通信的 投入使用，空间设备内部的微放电效应已经成为制约空间通信技术发展的重要因 素。必须要对微放电效应进行全面、系统的研究；在空间设备中，尽量采用具有 比较高的微放电效应阈值电平的射频部件。

在空间技术发展的初期，矩形波导是作为主要的信号传输设备。矩形波导具 有结构简单、易耦合、体积小等优点，并且对波导的微放电特性研究也比较成熟。 然而，矩形波导的内部传输的TE波或TM波，微放电阈值电平相对比较低，不能满 足目前高功率通信的要求，制约了它的发展。

我国应用卫星的发展已经进入了一个新阶段，目前正在研制的通信、导航卫 星的信道功率在S波段已达到了120W甚至以上。在这样高的射频信道功率情况 下，微放电效应的影响已经成为无可回避的重要课题，而且，随着载波数目的增 加，微放电效应的影响可能会更加严重，它已经关系到一颗通信卫星研制的成败。 因此，研究微放电效应产生的机理、微放电效应的阈值电平以及如何有效的减小 微放电效应的影响已经成为当前迫切的任务。采用合适的结构和表面措施，提高 部件微放电效应阈值电平，可以有效地提高我国卫星通信载荷水平，推动我国卫 星通信的应用和空间大功率设备的发展。

本文从微放电的成因出发，首先了解微放电的机制及其产生条件，进一步提 出微放电的设计和防护，并简单介绍了微放电的测试方法；此外，分析并计算了 矩形波导和方同轴线这两类传输线的阈值功率，并对它们的阈值特性做了比较。

第一章绪论

1．3内容编排

本论文分六个章节阐述所做的工作： 第一章概述了微放电的历史和现状、研究动机及内容安排； 第二章解释了微放电的成因、现象、危害、应用及测试方法，并介绍了几种 典型微波器件的微放电效应；

第三章根据影响微放电效应发生的因素，总结了进行微放电效应部件设计的 要求，并简单以一圆柱形腔体设计的实例来具体说明微放电部件设计的过程： 第四章介绍了FDTD的基本原理及入射波的加入的原理；

第五章分别采用了数值计算的方法来研究矩形波导的微放电效应，时域有限 差分法(FDTD)对方同轴线的阈值特性进行数值求解。计算了矩形波导和方同轴 线几种表面、不同尺寸的传输线微放电特性，将其结果进行对比； 第六章为结论。

第二章微放电概述

5

第二章微放电概述

2．1微放电的基本原理和产生条件

2．1．1微放电基本原理

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。它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。在两个平板之间的微放电效 应，必须满足的前提条件是：进入两极板之间的电子在射频场的正半周中向一个 极板加速，若在电场通过零点的时候，电子正好击中极板，产生了二次电子，并 且在负半周内加速回到另一极板。如此不断持续下去，每次撞击时电子二次发射 都释放出更多的自由电子，直到出现稳态平衡为止，从而发生了微放电效应。 具体过程如图2．1所示。

射频周期——
射频周期公 射频周期町
、～＼＼、＼＼、＼＼ 、＼＼、＼、、＼、、 ＼＼＼、＼＼、＼＼
抖 ●
t● 个 l上
＼＼＼＼＼＼＼＼、 ＼＼＼、＼、＼、＼ 、-＼＼、2"---＼＼＼＼
射频周期—— 射频周期——
射频周期公
、＼＼、＼＼、＼＼ 、＼＼、＼＼、＼、、 ＼＼、、＼＼＼＼＼、、
IJ 千f} ?Tf 1tT必
、．＼＼＼＼＼、、＼ ＼＼＼、．＼＼＼＼＼ ＼、＼＼＼＼＼＼、

图2．1平板问微放电发生过程

当电子撞击表面后，如果次级电子发射系数J>1伽图2．2所示)，也就是说， 撞击能量位于图2．2中层l和鸵之间，此时次级电子才能够返回到另一极板，微放 电现象才会增长。占是撞击能量和初级电子相位的函数。图2．2说明了撞击能量是 独立的，仅取决于表面材料。E1和晓分别称为初级渡越点和次级渡越点。

6

空间微波部件微放电效应的研究

且厶弧 历

图2．2次级电子发射系数图

从电子运动方程着手，Hatch和Williams给出了计算微放电的基本公式。两平 板间电子运动方程为：

对上式进行两次积分，即可求得两平板间的击穿电压

式中，厂为射频电场工作频率(GHz)，d为两极板之间的间距(n珊)，朋为 电子的质量，e是电子的电量。万表示第2行．1个半周期渡越时间，当刀=1时，表 示l／2周电子渡越时间，当刀=2时，表示3／2周电子渡越时间等等。

缈是初级电子相角：k为金属表面比例系数，它与金属表面最大二次电子放射 系数‰。有关。对不同的金属，k值不同。常用的铝表面，k=1．89。

2．1．2微放电的产生条件

微放电的产生主要取决于下列四个方面的约束条件：真空条件、与RF器件工 作结构相关的几何结构、所加的RF电压及表面条件n钔。

(1)对真空环境的依赖性

产生微放电条件之一是电子的平均自由程必须足够长，以使发射表面之间的 加速电子与周围的原子和分子的碰撞几率很小。已经证实，压强为10-3托或更低时， 被典型气体(如氮气、氧气及氦气等)包围的电子的平均自由程在数十厘米范围 内。对RF器件，典型的缝隙宽度在毫米范围内。因此，假设二次电子倍增放电在 压强小于或等于10。3托是安全的。

(2)对所加电压的依赖性

电子由RF电压所产生的电场加速。最佳情况下，电子运动必须与电场同位相。

第二章微放电概述

7

然而，击穿并不需要在最佳条件下产生，在相当宽的电场和频率范围内都可以观 察到这种现象。产生微放电的一个条件是，墙壁的入射电子必须产生二次电子，使 二次发射电子与入射电子的比值(ep--次发射系数)大于l。如果不满足这个条件， 那么电子的产生将很快停止，倍增放电就不会持续下去。小能量入射情况下，原 电子不能释放许多二次电子，因此不能产生倍增放电。在入射能量很大时，原电 子对表面的穿透深度大，以致于产生的二次电子陷入物体内部而不能到达表面， 同样不能引起倍增放电。因此，原电子的能量必须界于最大值和最小值之间，以 保持二次电子倍增击穿的持续进行。同时该能量与电子和所加I强电场之间的位相 角有关。因此，存在一个位相窗口，在这个窗内，入射电子能引发二次电子，从 而产生电子倍增放电。能量和位相的上界和下界使微放电能在很宽的频率范围内 发生。

(3)对频率与缝宽乘积的依赖性

微放电的产生条件之一是，缝隙宽度等于所加RF电压半周期的整数倍，以满 足电子共振条件。确定击穿与频率缝宽乘积的函数关系的最简单的几何结构是平 行板结构。对缝隙宽度的奇数倍来说，存在一个二次电子倍增曲线，因为它对应 于RP电压的半周期。原模式对应于多种组合，其它模式指的是高阶二次电子倍增 模式。每个二次电子倍增模式具有最大能量和最小能量值或峰值电压以引发和保 持二次电子倍增现象。另外，每个二次电子倍增曲线都有对应到达角的宽度，在 此宽度之内，二次电子发射系数大于l，以确保二次电子倍增过程的持续进行，对 许多纯净材料都可以得到这样的曲线。

大功率I疆器件的几何结构很少对应于简单的平行导体。不连续性和复杂的几 何结构一般需要满足电性能要求。在不连续区域和尖锐边缘附近，电场可以比简 单的平行几何结构中的电场大得多。结果，与简单的平行几何结构中的电场相比， 大功率I心器件的二次电子倍增放电可以在表面上看来RF电压较低的情况下发生。

(4)对材料表面条件的依赖性

二次发射系数对材料的相对纯度很敏感。由于表面不纯净在低能级会使它有 较大变化。多数情况下，污染物的存在使二次发射系数增大，因此增大了二次电 子倍增放电发生的可能性。因而，在空间应用中应尽量避免大功率器件的污染。

2．2微放电的测试方法

2．2．1微放电的测试容限

微放电的产生强烈地依赖于器件表面电子二次发射特性，尽管在产品鉴定时 器件满足微放电设计容限要求，但对新加工出的正样产品仍需进行微放电效应测

空间微波部件微放电效应的研究

试。由于产品加工过程中未预计到的污染，表面材料状况，粘结剂和润滑剂的存 在，锐利边缘场强的增加等因素会使产品微放电效应阈值下降，因而必须对硬件 本身进行测试，并留有功率余量。对单载波而言，测试容限应达6dB，以适应于产 品操作和存放过程中的长期污染，发射后污染转移和驻波比变坏等因素导致器件 阈值下降。在多载波情况下，器件峰值电压是所有载波各自峰值电压的矢量和， 最坏情况是每个载波同相，在载波数目很大时，所有载波同相的概率较小。当载 波数以≥4时，在产品鉴定测试时，测试容限值要比刀2^X Pi计算出来的功率高3dB， Pi是单个载波的功率，在产品验收测试时，测试容限值为珂2×Pi。

2．2．2微放电测试方法

有多种微放电检测方法，分整体或局部的检测方法，采用局部法可以接近实 际放电点，即检测点可选择靠近测试中的滤波器，但在测量完整组件时此法不宜 采用，因不可能在被测件上增加一些孔，对于完整组件测试，采用全局性测试方 法可以知道微放电出现在组件系统的某个部位。

微放电的检测方法有光学检测(局部)，电子探针检测(局部)，残余物质检 测(全局)，二次谐波或三次谐波检测(全局)，前向／后向功率调零检测(全局)， 近载波低噪声检测(全局)，近载波相位噪声检测(全局)等方法，由于脉冲信号 频谱会干扰载波近端频谱，近载波低噪声检测和近载波相位噪声检测不宜工作在 脉冲调制方式，又根据其它不同检测方法的灵敏度和实用性，本文提出了用二次 谐波检测和前向／后向功率调零检测两种测试方法进行微放电实验研究。

1．二次谐波检测法

如图2．3所示，由脉冲产生器产生的脉冲信号调制在频综信号源的输出载频 上，经行波管放大器TwTA放大后送至低通滤波器，分别在定向耦合器l、定向 耦合器2的正向耦合臂接峰值功率计，检测被测件的输人、输出信号功率值，信 号经被测件后至谐波耦合器，谐波耦合器的付臂耦合二次谐波分量，对主臂基波 分量至少有100dB以上的抑制。二次谐波分量经高通滤波、低噪声放大至频谱分 析仪。由于二次谐波电平很低，若被测件有微放电现象产生，二次谐波幅度将发 生变化，从频谱分析仪上可检测到。为确保能够检测到由于被测件微放电现象产 生的二次谐波变化，要求低通滤波器对信号源、TWTA产生的二次谐波分量抑制 在很低的电平(低于被测件微放电现象产生的二次谐波电平)，且低通滤波器本身 微放电功率阈值足够高，超过系统所加测试功率。

第二章微放电概述

9

2．3通过二次谐波检测微放电现象的系统框图 前向／后向功率调零检测法

图2．4前向后向功率调零检测微放电系统框图

空间微波部件微放电效应的研究

lO

前向／后向功率调零检测微放电系统框图见图2．4，测试系统工作在被测件的 额定工作电平下，通过加l％占空比的脉冲调制信号测量部件的微放电阈值，这种 测试方法对检测微放电非常灵敏，通常这种检测法的调零深度可达：．60dB。信号由㈣放大后经定向耦合器l送至被测件，被测件输出到定向耦合器 2。被测件的输人信号功率值可经定向耦合器1、3dB桥1，在峰值功率计l上检测； 被被测件反射的信号可经定向耦合器l、3dB桥2、在峰值功率计2上检测。微放 电测试有两种连接方式：

(a)正向传输信号的一部分经定向耦合器l、3dB桥1到3dB桥3，作为调零 比较的参考信号；由被测件反射的信号经定向耦合器1、3dB桥2至3dB桥3，调 整可变衰减器和移相器使这两路信号等幅反相，同时在频谱分析仪上观察这一调 零过程，若被测件发生微放电现象，调零状态破坏，可从频谱分析仪上检测到。(b) 通过被测件的信号经定向耦合器2到3dB桥3；由被测件反射的信号经定向耦合器 1，3dB桥2至3dB桥3，同样调整可变衰减器和移相器使这两路信号等幅反相， 若被测件发生微放电现象，反射功率增大，调零状态破坏，可从频谱分析仪上检 测到。

2．3微放电效应的危害

当空间设备中发生微放电效应时，通常会损害系统设备，造成系统不能J下常 工作。具体的危害通常表现在以下几个方面。

(1)使谐振类设备失谐，导致所传输的微波信号失调。

由于微放电效应的发生，其所引起的加感效应实际上是一种高度非线性的， 且随机时变的短期感应阻抗。这种效应会引起谐振腔的Q值、耦合参数、波导损 耗和相位常数等的波动，不可避免的使系统失调，导致系统性能下降。

(2)导致金属内部气体的逸出，产生更严重的气体放电。

发生微放电效应以后，便会使设备排气。如果这种气体不用适当的方法排除， 便会产生气体放电。气体放电会发射出比微放电效应更多的能量，导致部件损坏 或毁坏整个系统。

• (3)产生靠近载波频率的窄带噪声。

• (4)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。

(5)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。