星用微波組件低氣壓放電與真空微放電效應(yīng)研究

劉中華，李樹杰

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051；2.中國電子科技集團(tuán)公司電子可靠性工程技術(shù)有限公司，北京100083）

星用微波組件低氣壓放電與真空微放電效應(yīng)研究

劉中華1，2，李樹杰1，2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051；2.中國電子科技集團(tuán)公司電子可靠性工程技術(shù)有限公司，北京100083）

低氣壓放電效應(yīng)與真空微放電效應(yīng)（亦被稱為電子二次倍增效應(yīng)）是裝載在航空器或航天器上的星用微波組件在上天過程中與正常定軌后工作所要經(jīng)歷的兩個階段，經(jīng)歷發(fā)射至定軌工作的全過程（亦被稱為入軌）的星用微波組件要經(jīng)歷低氣壓放電的考驗，而對定軌后運(yùn)行的星用微波組件則要經(jīng)受真空微放電的考驗。其放電機(jī)理和環(huán)境條件各異，兩種環(huán)境試驗不具有互換性，對此進(jìn)行了研究；并對低氣壓放電與真空微放電提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

星用微波組件；低氣壓放電；真空微放電；電子二次倍增效應(yīng)

0 引言

對于在航空器或航天器中使用的微波組件，我們稱之為星用微波組件，從其發(fā)射高度（高度越高，氣壓值越小，真空度級別越高）來劃分可分為航空與航天兩種類型。低氣壓放電與真空微放電是星用微波組件在入軌與正軌運(yùn)行中要遇到的兩個重要難題。星用微波組件在設(shè)計生產(chǎn)時如未考慮到低氣壓放電效應(yīng)與真空微放電效應(yīng)，在隨整機(jī)發(fā)射的過程與運(yùn)行中可能就會發(fā)生低氣壓放電與真空微放電現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品部分功能損壞、甚至全部功能失效，從而影響整個航天器或航空器的運(yùn)行[1]。

星用微波組件從發(fā)射到入軌一般要經(jīng)歷從壓力100 kPa到1.33×10-6Pa的環(huán)境變化。其中，壓力值200 Pa～58 kPa為低氣壓閾值區(qū)域，200 Pa～1.3 kPa為低氣壓放電敏感區(qū)域，在這區(qū)間的產(chǎn)品要經(jīng)歷低氣壓放電的考驗；小于6.65 Pa的壓力環(huán)境則為真空微放電閾值區(qū)域，這段區(qū)域的產(chǎn)品經(jīng)受真空微放電的考驗，6.65×10-2～6.65 Pa為真空微放電敏感區(qū)域。而中間6.65～200 Pa之間通常被稱之為低氣壓放電效應(yīng)與真空微放電效應(yīng)的過渡區(qū)域[2]。

1 原理

低氣壓放電效應(yīng)與真空微放電效應(yīng)都屬于環(huán)境效應(yīng)，產(chǎn)生低氣壓放電現(xiàn)象與真空微放電現(xiàn)象的因素有很多:其產(chǎn)品電極復(fù)雜的幾何形狀，所處的壓力區(qū)域，不均勻分布的電磁場，輸入輸出端的表面特性，甚至產(chǎn)品的潔凈度等都會導(dǎo)致低氣壓放電或真空微放電[2]。圖1為帕邢（Fascnen）曲線，反映了低氣壓放電或真空微放電發(fā)生區(qū)域。

圖1 帕邢（Fascnen）曲線

1.1 低氣壓放電效應(yīng)

在200 Pa～58 kPa范圍的環(huán)境中，氣體中的自由電子因射頻功率激發(fā)而獲得了能量激發(fā)等離子體，繼而產(chǎn)生低氣壓放電現(xiàn)象；自由電子主要由缸體中的碰撞電子產(chǎn)生，其平均自由程小于電極間距。低氣壓放電涉及多項參數(shù):電離系數(shù)、氣體電離頻率、電子的碰撞頻率、電子碰撞電離頻率、電子擴(kuò)散系數(shù)和環(huán)境壓力，以及極間距離、自由電子密度與電子遷移率等[2]。低氣壓放電與星用微波組件所處環(huán)境的氣體密度相關(guān)。在非氣密星用微波組件的兩電極加上電平后，兩電極間的自由電子在電場作用下發(fā)生運(yùn)動，使被碰撞的電子獲得了能量，當(dāng)電子的能量超過閾值，該電子脫離原束縛，直接進(jìn)入自由空間，并且在電場的作用下又以其他氣體粒子相碰撞，使其他氣體粒子進(jìn)一步地釋放出電子[3]。在外加電壓超過閾值后氣體電離，環(huán)境中的氣體導(dǎo)電率發(fā)生驟變，兩電極間的電流劇增，這時的氣體則和通常的導(dǎo)體性能相似，導(dǎo)致氣體擊穿，使星用微波組件的功率發(fā)生突變、電暈、電弧和輝光等放電現(xiàn)象；介質(zhì)損耗和電離等有害影響[3]，使產(chǎn)品發(fā)生脫皮、裂紋等機(jī)械、物理損傷，或其他任何影響器件或組件工作的缺陷或退化。

在高度較低（環(huán)境壓力＞58 kPa）的情況下，由于環(huán)境的氣體分子的密度較大，氣體電離后的帶電粒子在電場作用下運(yùn)動的阻力也較大，不易產(chǎn)生低氣壓放電現(xiàn)象，隨著高度的增加，氣體密度減少，要使氣體擊穿所需要的閾值也隨之降低，在200 Pa～1.3 kPa之間的閾值綜合因素下則較易發(fā)生低氣壓放電現(xiàn)象；但當(dāng)高度更高（環(huán)境壓力＜200 Pa），環(huán)境中的氣體密度更少，要發(fā)生低氣壓放電，驅(qū)使氣體擊穿所需要的閾值電壓反而要求更高。并非高度越高，低氣壓放電現(xiàn)象越容易發(fā)生[3]。

1.2 真空微放電效應(yīng)

真空微放電效應(yīng)（亦被稱為電子二次倍增效應(yīng)）是在較高的真空度（≤6.65 Pa）、射頻電場超過其微放電閾值的情況下，發(fā)生的一種射頻擊穿放電現(xiàn)象[4]，發(fā)生在兩個金屬電極之間或單個介質(zhì)的表面上。真空微放電是處于真空中的兩個分開的表面之間的射頻電場所產(chǎn)生的一種真空放電現(xiàn)象:電子通過微放電的兩個表面之間、距離時間是加在兩個表面上的交流電壓半周期的奇數(shù)倍，該效應(yīng)需要一個電子沖擊一個表面來激發(fā)，并需要在每個表面上有一個或多個二次電子發(fā)射來維持。在壓力小于6.65 Pa的環(huán)境下發(fā)生，真空微放電發(fā)生初期，是一種不穩(wěn)定、突變嚴(yán)重、也可自行消亡的現(xiàn)象，在壓力小于1.33×10-2Pa下趨于穩(wěn)定[5]。微放電會造成嚴(yán)重的后果:反射功率、噪聲與駐波比增加，從而導(dǎo)致星用微波組件部件暫時或永久性破壞，影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行[6]。

2 低氣壓放電試驗與真空微放電試驗的比較

低氣壓放電試驗與真空微放電試驗作為環(huán)境模擬試驗，具有其共同性和差異性。

2.1 低氣壓放電試驗與微放電試驗的共同性

a）放電現(xiàn)象

放電現(xiàn)象都是在產(chǎn)品的兩電極間、在產(chǎn)生高電平的情況下發(fā)生。

b）試驗設(shè)備

均需能抽真空的試驗設(shè)備，設(shè)備均需滿足:試驗容器具有電磁波通透性[2]，可以進(jìn)行溫度監(jiān)測，滿足一定的潔凈度，具有真空度（壓力）指示。

c）射頻性能檢測系統(tǒng)類似

均需要直流穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、調(diào)制調(diào)零模塊、功放、功率耦合器、頻譜分析儀、示波器和功率計等[2]。

d）電磁兼容性（EMC）

測試系統(tǒng)的各種功能和性能均須滿足EMC設(shè)計[2]的要求，以免產(chǎn)生試驗誤判。

e）考核目的相似

設(shè)計初期主要考核設(shè)計的星用微波組件閾值，正樣階段則著重考核星用微波組件的產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

2.2 低氣壓放電試驗和真空微放電試驗的差異性

a）試驗壓力范圍不同

產(chǎn)生低氣壓放電的壓力約為200 Pa～58 kPa，真空微放電試驗的壓力小于6.65 Pa。

b）試驗設(shè)備的要求不同

低氣壓放電試驗設(shè)備要求真空度小于200 Pa就可以滿足要求，而真空微放電試驗設(shè)備要求真空度要達(dá)到1.33×10-3Pa，因而設(shè)備對抽真空所配置的泵的要求也不同:低氣壓放電試驗設(shè)備配置能夠抽至200 Pa的普通機(jī)械泵就可以，條件較好一點則可以加上羅茨泵；而真空微放電試驗設(shè)備則要求機(jī)械泵與羅茨泵外，還要配置能抽高真空的低溫泵或分子泵等。

c）試驗時輸入不同的信號

低氣壓放電試驗中輸入為連續(xù)波信號，真空微放電試驗中輸入連續(xù)波加脈沖信號，有時試驗需要還要輸入自由電子[2]。

d）運(yùn)行環(huán)境有區(qū)別

低氣壓放電試驗的樣品多為航空產(chǎn)品，或為前發(fā)射階段過程（高度較低）的航天產(chǎn)品，真空微放電試驗的產(chǎn)品則為后發(fā)射階段過程（高度較高）或定軌運(yùn)行的航天產(chǎn)品。

e）放電觀察效果（圖形）不同

產(chǎn)生低氣壓放電后在樣品放電區(qū)為不規(guī)則圖形，如圖2所示，低氣壓放電后留下一片糊狀；而產(chǎn)生微放電后在放電區(qū)會留下較規(guī)則的圖形，如圖3所示，真空微放電發(fā)生后留下對應(yīng)的螺孔外廓。

圖2 低氣壓放電現(xiàn)象

圖3 真空微放電現(xiàn)象

3 低氣壓放電與微放電的防護(hù)措施

3.1 低氣壓放電效應(yīng)的防止措施

a）設(shè)計合理、規(guī)范

合理地設(shè)計微波組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增加透氣孔、表面鈍化處理、填充介質(zhì)等，避免在所選用的功率與壓力環(huán)境中產(chǎn)生低氣壓放電現(xiàn)象。

b）嚴(yán)格控制工藝

在生產(chǎn)與裝配星用微波組件時，對加工工藝和工作間的要求較高。為了保證星用微波部件的實際承受功率值接近于理論計算閾值，應(yīng)該對工藝加工嚴(yán)格控制:組件的電極邊緣的突變和尖點要認(rèn)真處理，避免出現(xiàn)劃痕、毛刺、細(xì)絲；為避免因污染而造成放電功率閾值降低:裝配前要用有機(jī)溶劑清潔零部件；在滿足潔凈度要求的專用操作間內(nèi)進(jìn)行操作，調(diào)試完成后用乙醇與丙酮有機(jī)溶劑等進(jìn)行超聲清洗；存放時，用無毛的包裝將部件包裹后放入密封容器，長期存放應(yīng)充氮或抽真空[2]。

c）試驗前用軟件進(jìn)行試驗?zāi)M

對所用的功率頻率等測試參數(shù)在所使用的真空度下進(jìn)行低氣壓放電軟件仿真，滿足使用要求。

d）完整、充分的試驗驗證

對星用微波組件進(jìn)行低氣壓試驗驗證，滿足相對應(yīng)級別低氣壓放電余量的測試要求[2]。試驗時，控制氣壓下降的速率，抽速太快容易忽略觀察或跳躍現(xiàn)象的發(fā)生；有條件的情況下可以采用錄像或測試儀器自動記錄等方法，避免發(fā)生試驗誤判。

3.2 真空微放電效應(yīng)的防止措施

a）設(shè)計規(guī)范

設(shè)計要考慮到實際應(yīng)用中的具體情況，預(yù)留相應(yīng)的真空微放電的冗余量，在滿足EMC要求的情況下選擇透氣孔的直徑預(yù)留相應(yīng)數(shù)量的透氣孔，控制產(chǎn)品的間隙尺寸。選擇具有良好的溫度特性的材料如殷鋼，注意星用微波產(chǎn)品的表面散熱情況。間隔距離也是發(fā)生真空微放電的關(guān)鍵性因素。因此，盡量地擴(kuò)大內(nèi)外導(dǎo)體的間隔尺寸，使自由電子在內(nèi)外導(dǎo)體間的渡越時間大于射頻電壓的半個周期。這既能提高真空微放電閾值，也降低了插損。

b）控制工藝

生產(chǎn)裝配星用微波組件時對加工工藝和工作間的要求較高。為了保證星用微波部件的實際承受功率值接近于理論計算閾值，應(yīng)對加工工藝嚴(yán)格控制:組件的電極邊緣的突變和尖點要認(rèn)真處理；也可以考慮使用老練試驗、鍍膜、電偏壓、磁場抑制和注入射頻微噪聲等抑制真空微放電的措施[4]。鍍銀或鍍金的鍍層要求具有致密的晶粒結(jié)構(gòu)和牢固的附著力，以免清洗時使鍍層松動、起泡和脫落，不利于真空微放電閾值的提高。另外，為避免因污染而造成放電閾值降低:裝配前要用有機(jī)溶劑清潔零部件；在滿足潔凈度要求的專用操作間內(nèi)進(jìn)行操作，調(diào)試完成后用乙醇與丙酮有機(jī)溶劑等超聲清洗；存放時用無毛的包裝將部件包裹后放入充氮或抽真空的密封容器[2]。

c）試驗前用軟件進(jìn)行試驗?zāi)M

對所設(shè)計的星用微波組件各項技術(shù)參數(shù)在使用真空度下進(jìn)行真空微放電軟件仿真，滿足使用要求。

d）試驗驗證

進(jìn)行真空微放電試驗驗證，應(yīng)滿足相對應(yīng)級別真空微放電余量的測試要求。在地面用真空設(shè)備試驗時，注意抽真空時間，抽速太快易發(fā)生跳躍或忽略觀察真空微放電現(xiàn)象；有條件的情況下可以采用錄像或測試儀器自動記錄等方法，避免發(fā)生試驗誤判。

4 結(jié)論

低氣壓放電效應(yīng)與真空微放電現(xiàn)效應(yīng)都是影響星用微波組件性能及可靠性的重要因素。低氣壓放電與真空微放電的機(jī)理和環(huán)境條件各異，兩種環(huán)境試驗不具有互換性，應(yīng)根據(jù)星用微波組件的實際應(yīng)用情況來選擇合適的試驗，對航空的星用微波組件必須進(jìn)行低氣壓放電試驗，而對航天的星用微波組件必須進(jìn)行真空微放電試驗[2]。如果星用微波組件從上天過程中與正常定軌后均需工作，那么星用微波組件低氣壓放電試驗與真空微放電試驗都要進(jìn)行考核。

[1]劉中華，李樹杰，劉國強(qiáng).熱真空試驗設(shè)備中的控溫方式研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2012，30（4）:1-5.

[2]王宇平，夏玉林.星載微波設(shè)備中低氣壓放電及其防范[J].上海航天，2005（增刊）:65-68.

[3]吳須大，楊軍.腔體濾波器與低氣壓放電[J].空間電子技術(shù)，2001（4）:55-60.

[4]李硯平，馬伊民.電子二次倍增飽和現(xiàn)象和抑制措施[J].空間電子技術(shù)，2008，5（4）:36-40.

[5]GJB 1027A-2005，運(yùn)載器、上面級和航天器試驗要求[S].

[6]田波，鐘劍鋒.星載功率組件微放電技術(shù)研究[J].電子工程師，2004，30（4）:12-13，19.

Research on Low Pressure Discharge and Vacuum
Microdischarge Effects of Satellite-borne Microwave
Modules

LIU Zhong-hua1，2，LI Shu-jie1，2
（1.The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China；
2.The Electronic Reliability Engineering Technology Co.，Ltd.，CETC，Beijing 100083，China）

The de-pressure discharge phenomena and vacuum micro discharge phenomena（electronic quadratic multiplication effect）are thetwo stages that the satellite-borne microwave modules loaded on the aircraft or spacecraft must experience in the lift-off process and after the normal orbit determination.Microwave modules are subject to low pressure discharge from the launch to orbit determination，and vacuum micro discharge after the orbit determination.The mechanism and environmental conditions for these two phenomena are different，and these two kinds of environmental tests are not interchangeable.The respective protective measures against low-pressure discharge and vacuum micro discharge are presented.

satellite-borne microwave component；de-pressure discharge；vacuum micro discharge；electronic quadratic multiplication effect

TN 12；TN 61

：A

：1672-5468（2014）04-0004-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.04.002

2014-02-19

2014-05-09

劉中華（1974-），男，江蘇淮安人，中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、中國電子科技集團(tuán)公司電子可靠性工程技術(shù)有限公司工程師，主要從事航空航天環(huán)境試驗?zāi)M研究工作。