國(guó)外微放電設(shè)計(jì)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

魏 煥，張雨婷，楊兆倫，2，王新波，孫勤奮，崔萬(wàn)照

(1.中國(guó)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(wèn)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(cè)試技術(shù)需進(jìn)一步提升。微放電效應(yīng)是電子在電磁場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中暴露環(huán)境等可能帶來(lái)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(guó)內(nèi)外微放電檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)微波部件開展微放電測(cè)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(cè)試也變得更為細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，國(guó)外航天組織建立或更新了微放電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)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(guó)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(cè)方法》第2部分QJ20325.2-2014介紹了微放電檢測(cè)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(guó)和歐洲微放電設(shè)計(jì)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展，以期為國(guó)內(nèi)微放電檢分析與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 美國(guó)微放電標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

為減少航天器部件內(nèi)射頻擊穿，美國(guó)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(cè)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(guó)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(guó)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(chǎng)分析來(lái)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(zhǎng)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(jiàn)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(wèn)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(guò)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(wú)法通過(guò)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(chǎng)確定、數(shù)值場(chǎng)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(jiǎn)化微放電分析過(guò)程，并減少分析和測(cè)試時(shí)預(yù)定余量過(guò)于保守。

表2 分析和測(cè)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(guò)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(cè)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(lái)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(méi)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(cè)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(cè)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(cè)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(guó)檢測(cè)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(cè)試方法。將二次電子發(fā)射測(cè)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(guò)程中不可避免地存在污染，并會(huì)使用黏結(jié)劑和潤(rùn)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(cè)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(cè)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(chǎng)分析，3)存在已有設(shè)計(jì)，其分析閾值和測(cè)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(guò)。

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(cè)試閾值如果大于6dB余量，則微放電考核通過(guò)；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(guò)；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(guò)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(cè)試試驗(yàn)，通常要求鑒定級(jí)的微放電測(cè)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(cè)試方法

多載波微放電測(cè)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(cè)試。通過(guò)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(cè)試類比研究多載波放電問(wèn)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)?？梢源_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(guó)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(cè)量余量要求，最后介紹了多載波微放電等效單載波測(cè)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(guó)外微放電標(biāo)準(zhǔn)研究可為我國(guó)微放電研究及測(cè)試提供指導(dǎo)。