杨兆伦，魏 焕，张雨婷，崔万照
(1.南京航空航天大学 航天学院，南京 211106；
2.中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710000)
为满足航天器日趋发展的任务需求，近年来航天器制造工艺、技术水平都得到大幅提升，相应的验证测试也变得更为细致严谨，其中大功率微波部件的微放电问题导致航天器的可靠性面临严峻挑战，各国航天组织均对航天器相关试验标准进行了修订。美国空军空间和导弹系统中心(SMC)在2014年的SMC-S-016《Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicle》标准中更新了微放电报告部分TOR-2014-02198[1]；
2020年欧洲空间标准化组织(ECSS)的系列标准《Space engineering》修订了微放电手册ECSS-E-HB-20-01A[2]；
中国航天标准体系在2014年发布的《航天器射频部件与设备检测方法》QJ20325.2-2014中也对微放电检测规范标准[3]。
其中，ECSS标准体系旨在制定和维护共同空间标准，主要有欧空局(ESA)、法国国家太空研究中心(CNES)、德国航空太空中心(DLR)及欧洲工业协会共同协调合作制定。ECSS在2003年的系列标准中首次添加了微放电部分，在此之后，ESA联合多家机构建立相关实验室，开展国际会议进行微放电研究，并由此逐渐完善微放电手册内容，包括分析检测方法、影响因素、操作流程及注意事项。因此，本文就最新版手册ECSS-E-HB-20-01A介绍其在微放电检测方面的进展。
微放电也称二次电子倍增效应，就微放电的启动和维持机制而言，需满足两个条件：1)高真空条件下电子运动的平均自由程大于部件尺寸，且材料的平均二次电子产额大于1。2)系统的几何形状和场激励使电子在适当的射频相位上撞击边界产生二次电子，二次电子的渡越时间是微波信号半周期的奇数倍,如图1所示。通过表面处理技术可以改变材料的二次电子发射系数，尺寸结构会改变内部的场分布，继而影响电子运动轨迹[4]。
图1 双边微放电效应发生过程示意图Fig.1 Schematic diagram of multipactor
最早的微放电现象是由Farnsworth[5]于1934年发现的，微放电是一种发生在高真空条件下的射频击穿机制，微波部件在1×10-3Pa或更低压强条件下，传输大功率微波信号时发生的谐振放电现象[6]。依据微放电发生时电子运动轨迹与结构几何边界的关系，划分为双边微放电和单边微放电[7]。微放电会导致信号噪声电平抬高、功率反射以及完全短路引起的局部电离现象，在最坏的情况下，可能会使整个系统完全失效。除了二次电子导致的微放电，其他不同类型的故障也可能同时发生，例如局部释气和电子倍增所导致的电晕放电[8-10]。
虽然对微放电效应的研究已经超过半个世纪，但由于其物理本质的复杂性，该问题一直没有得到很好解决。不论是有关其形成过程、饱和机理的理论描述，还是有关大功率微波无源器件的微放电阈值预测，均还在发展中。早期，计算机尚未像今天这样普及，依据电子运动方程和谐振条件对平行板结构的微放电阈值进行解析推导，是当时有关微放电理论分析的主要研究内容。经典的微放电理论分析是基于两个无限延伸的平行板结构[11-13]，然而大多数真实的射频器件几何结构所涉及的是不均匀的射频电场和弯曲的场线。在这种情况下，基于平行平板结构击穿阈值的往往过于保守，并会导致一些非优化设计。
1.1 理论分析
有关微放电的研究可以追溯到上世纪40年代，Gill和Van Engel通过试验性研究获得微放电敏感曲线[14]，后来Hatch和Williams[12]等假设电子与材料的碰撞速度和电子出射初速度比值为常数k，并对微放电敏感区域进行了合理的解释，创立了早期的微放电理论。在此基础上Woode等[15]通过大量数据拟合的微放电敏感曲线图，改进常数k理论，讨论不同的f×d及d/l比值，确定微放电击穿水平。早期的分析一般基于无限平行板/同轴几何结构，以解析的方式建立数值一维模型进行讨论，尽管该方法与物理实际有所偏差，但微放电敏感曲线图与试验数据一致性较好，虽然这个过程对从模型角度理解微放电没有帮助，但在工程实际中被广泛推广使用。
随着计算机科学技术的发展，三维数值电磁计算逐渐成为可靠的微放电评估方式，数值模拟可以较为直观的模拟实际物理情况，获得实时电子运动状态，如电子碰撞位置、能量、时间等信息。具有代表性的数值模拟方法包括：PIC(Particle-in-Cell)、单电子追踪、统计理论等，数值方法除了考虑部件结构内的场变化，还可以模拟粒子在电磁场中的运动轨迹，并自动纳入了边缘场效应，这是一种合理准确的方法，可以预测不同情况下的微放电，但所需的计算时间与内存成本较高。2006年ESA联合西班牙瓦伦西亚大学开发了基于PIC和FDTD研制仿真软件FEST3D，考虑了复杂空间电荷、边缘长以及噪声分析[16]。达索公司开发的电磁模拟软件CST粒子工作室模块包含多个专用求解器，可用于微放电仿真分析[17]。中国空间技术研究院西安分院联合东南大学等单位开发出国内首套具有自主知识产权的微放电仿真软件MSAT，可实现复杂微波部件的微放电精确分析[18]。
在ECSS微放电手册中，一般将无限平行板/同轴几何结构，以解析的方式建立数值一维模型划分为等级一(L1)分析，理论方面基于直接分析或参考微放电敏感图表或通过解析的方式计算所得。而等级二(L2)分析选择数值软件，尤其适用于膜片和其他复杂几何结构的预测，数值方法可以通过实时跟踪大量微观带电粒子在微波场及其自洽场作用下的运动情况，并分析微放电过程的整体运动规律与宏观物理特性。
1.2 多载波分析
单载波微放电具有较为完善的理论和测试程序，而在许多情况下，单载波余量在峰值相同的多载波信号并不适用。ECSS在2013版的微放电手册中只提供了对多载波操作的临时性建议，而在2020版中增添了多载波微放电分析部分。
Marrison[19]提出20次间隙电子渡越准则，认为在单个包络周期内, 当多载波合成信号包络在单载波放电阈值以上的持续时间能够使得电子在微波部件腔内渡越超过20次, 即可认为具有激发微放电的可能。Anza等[20]考虑了脉冲式"长周期微放电"模型，将多载波信号近似为单载波信号，其频率等于载波的平均频率，并将脉冲包络视为“开”和“关”两个间隔,如图2所示，通过引入电子生成、吸收因子并结合单载波理论进行分析。
图2 多载波信号与相应脉冲的近似Fig.2 Example of multicarrier signal and corresponding pulse approximation
原则上，找到最坏情况下相位组合的唯一方法是在整个相位组合域内搜索击穿功率的极值。该问题的复杂性随着载波数的增加而增加。解析法如非稳态理论、准稳态理论[21]在计算资源方面成本较低，并允许在整个相位范围内对一些简单情况进行全局优化。而针对复杂微波部件内部电子变化分析，较为可靠的方法是通过数值模拟进行行[22-23]。包络扫描法考虑的是完整的多载波信号，多载波信号的包络是由载波的频率和相对相位决定的，通过研究“开启间隔”或包络信号高于阈值水平的区间来定义包络形状。然后，对一定数量的点进行扫描，并对相位进行优化，使用解析或数值方法，最终可得出其击穿功率及阈值。
ESA以Ku波段带通滤波器为例，对比不同的分析方法，并将其与测试结果进行了比较，如表1所列。
表1 预测及测试微放电水平对比Tab.1 Predicted and tests multipactor breakdown levels
这些结果表明，用非稳态理论进行包络扫描得到的结果几乎与用非稳态理论进行全局优化结果相等；
包络扫频得到的结果非常接近极端情况，与测试结果近3dB的差值来自于平行板方法的局限性，这种误差同时在单载波测试中也存在；
包络扫描与数值软件相结合获得了最好的结果，软件能够准确模拟设备内部电子轨迹及三维场变化；
20次间隙渡越准则获得了最为保守的结果，有5dB的余量。
微放电的基本测试设备包括：真空系统、微波功率加载系统、微放电检测系统以及功率吸收系统。真空系统作为待测件的测试平台，内部配置电子源、温度控制设备以及相关数据监测模块，测试时仓内压强应优于1×10-4Pa。功率加载系统生成信号源，通过功率放大器将微波信号放大到需要的功率后输入待测件，输出功率的一部分被负载吸收。真空仓两端耦合连接检测系统，判断待测件是否发生微放电，如图3所示。
图3 微放电检测示意图Fig.3 Schematic diagram of multipactor detection
2.1 检测方法
微放电的发生会对待测件的输入输出信号产生一定影响，如输入信号相位、幅度、谐波发生变化、以及反射功率增大等，微放电同时也会伴随着器件表面的吸附气体或者离子放电激发现象。微放电检测就是基于这两方面特点来判断待测件是否发生了微放电。微放电的检测方法分为全局和局部检测法[24]，全局检测法有谐波检测、正反向功率调零检测、近载波噪声检测，通过观测信号的前后变化判断微放电的发生。全局方法已被证明在单载波连续/脉冲测试中是有效的。然而，在不同单载波和多载波的宽带信号和调制信号测试场景中，需要对检测方法提出一些适用性的变化。局部检测法包括电子探针和光学检测法等，利用放电会增大电子浓度或者激发气体放电进行检测，但由于局部法有诸多限制条件，一般作为辅助手段使用。根据ECSS微放电手册规定，检测过程至少同时使用两种检测手段，且至少包含一种全局检测方法。
2.2 检测流程
在微放电测试期间，监测观察中的任何环境异常变化，如压力曲线的突然尖峰或意外的温度变化，都有可能会对测试结果造成影响，因此必须对测试平台进行验证，规范测试流程，排除无关因素，确定异常问题来源，如图4所示。本节介绍ECSS的大功率负载测试流程及注意事项：
(1)功率测试前后散射参数的测量。负载的散射参数在测试前后都会被验证，以确保射频性能不会因为高射频功率测试而降低；
(2)在烘箱中对设备进行初步烘烤(环境压力)。当负载在非控制条件中长期存放时，建议在进入真空仓之前先在环境压力下进行烘烤。将负载放置在烤箱内从80℃温度加热60分钟以上，除去大量水吸附；
(3)冷却液过压测试。需给冷却室内填充比正常运行时更高压的气体(空气、氮气或氦气)，观察冷却室是否会发生变形；
(4)对液体连接处进行检漏测试。完成冷却部分的连接后，需进行系统检漏。较方便的方法是使用氦气检漏仪，在管道中注入氦气，检查是否漏气；
(5)安全系统的核查(传感器、冷却系统监控等)；
(6)温度测量设备的安装(热电偶、温度传感器等)。在射频测试流程中，记录负载部分点的温度数据。这些测量点涵盖了负载中比较关键的间隙区域，例如输入输出连接端的冷却剂温度，以及压力窗口处温度；
(7)最大的射频功率环境压强测试。在启动真空系统之前，负载须在真空室内正确连接。为了验证所有的参数，要进行最大射频功率的环境测试，以确保其热稳定性；
(8)高真空下的射频功率测试。高真空中的测试顺序根据规格需求而有所不同，通常都要从较低的功率开始，逐步提升到最大射频功率，主动缓慢释气阶段持续的时间越长越好，以避免因释气和负载上的温度过高而导致压力过大；
(9)敲击测试。在波导高射频功率负载上，需进行最后的敲击测试，以确保吸收剂没有退化。一旦负载从真空室中取出，用聚酰亚胺胶带覆盖整个波导空隙。然后将负载倒置并进行数次敲击。如果材料在测试过程中被烧毁，掉落的部分将被胶带捆住。该测试可以使用内窥镜等设备进行检查。微放电测试流程概述如图4所示。
图4 微放电测试流程概述Fig.4 Multipactor test procedure overview
相较于先前版本的手册，最新版对整个测试流程考虑更加全面、完备，提升了待测器件的可靠性。
相较于2013年版微放电手册，二次电子影响作为附录部分有所提及。在最新的ECSS手册中将二次电子问题列为单独章节进行说明。
二次电子发射在微放电中起着至关重要的作用，当具有一定能量的电子或离子入射到固体表面时，会引起电子从被轰击表面发射出来，这种现象称为二次电子发射，自1899年Campbell发现该现象后，人们开始对各种物质二次电子发射特性、机理、测试和应用展开了深入的研究。
空间微波器件中的电子雪崩是由射频元件表面的二次电子循环发射刺激产生的，二次电子是电子倍增的主要触发和维持机制，因此通常二次电子希望被抑制甚至消除。二次电子发射一般发生在内表面5～10nm深度范围，其中表面的顶部原子层的影响较重要。因此它主要取决于材料的类型，表面处理方式、表面污染物和表面形貌。
二次电子的抑制存在两种思路，一种是在材料表面覆盖低二次电子发射系数(SEY)膜层改变表面构成，Pimpec等[25]开展了TiN和TiZrV溅射沉积薄膜的SEY测量，并获得较好的抑制效果，杨晶等[26]采用电泳沉积制备纳米碳涂层可以使最大SEY由2.03降至1.76。另一种是对表面形貌进行处理，通过改变二次电子运动轨迹使出射的二次电子重新返回出射表面。Ohya等[27]发现粗糙表面SEY可能增强也可能被抑制，粗糙表面发射的二次电子的能谱相比于平滑表面将朝低能端移动。美国加速器实验室(SLAG)研究了不同形状的规则沟槽结构对SEY的影响，研究了规则形貌、粗糙表面的二次电子发射特性[28]。近年来，人们采用激光处理、化学刻蚀、溅射、沉积、热氧化等多种工艺方法实现了微纳米量级的表面结构改进，以实现二次电子的抑制[29-30]。除此之外，暴露在大气中会促使材料表面氧化物的形成(化学吸附)，含氧碳分子和自由基的物理吸附材料表面覆盖的污染物和氧化物，或处在一些特定环境下积累的电荷层，都会对SEY产生影响。Barglin等[31]发现不同剂量的电子入射对SEY和表面吸附都有不同影响。张海波等[32]研究了温度对SEY的抑制效果，发现烘烤时间、温度基本上成线性反比关系。这种抑制的主要机理是高温烘烤使样片表面沾污发生解吸附。
针对二次电子发射特性测量的问题，国内外相关机构研制了具备高精度和多样性的仪器设备，推动了相关二次电子理论研究与应用发展，国外具有代表性的装置包括犹他州立大学所建立的测试设备，采用半球级收集级完全覆盖整个样品空间，可保证测量的高精确性和全面性。法国宇航材料研究局的设备可使用卡尔文探针法实现多种金属和介质材料的准确测量。国内方面，多家研究所与高校都建立了研究测试设备，中国科学技术大学的装置可用于金属及介质的测量，但测量周期较长，且不具备能谱分析[33]。中国空间技术研究院西安分院针对金属和介质材料研制了两套设备以实现SEY及能谱的测量，除此之外，配备残余气体分析仪， XPS探测器实现对测试变化过程的监测。
由于材料的二次电子发射系数受环境影响较大，因此准确检测其实时变化特性，对微波部件的性能检测至关重要。在欧洲太空研究和技术中心项目测试期间，设计了一个SEY样品检测策略，将所获得 SEY数据用于微放电阈值预测。由于关键结构在射频装置内部无法直接测量，因此在制造装置的同时，同批次制造了代表“制造件”和“测试件”的SEY样品(金属板)，并全程采用与相应的射频部件相同的材料工艺，即同批次基础材料，相同的涂层和表面处理流程。每个射频设备将使用了6个样品验证，其中3个(制造件)送到检测机构确定其3个SEY特性。另外3个(测试件)在进行微放电测试之前，将一直跟随着相应的设备[34]。有了这个策略，就有可能在设备的全生命周期内对部件的SEY特性进行监测。
随着空间科学技术的发展，空间微波部件遇到了由微放电效应导致的可靠性问题的严峻挑战，面对未来高频段、大功率、长寿命的发展趋势，微放电问题还需深入研究。ECSS近乎每十年更新一版微放电手册，汇总长期的研究成果，并纳入检测规范。就国内而言，还需进一步整合相关科研机构及高校资源，开展关键技术研究，积极筹办学术研讨，促进交叉学科的发展，完善微放电技术研究的体系化构建，这也是检测体系迈向国际化的必经之路。
本文以ECSS-E-HB-20-01A微放电手册为例，介绍了常用的微放电分析方法，以及多载波的分析策略；
同时介绍了欧空局的微放电规范化检测流程及其注意事项；
除此之外对部件材料二次电子影响因素、检测方案给予说明，可为相关微放电检测提供参考借鉴。尽管微放电检测方法已经形成了不同层次的标准，但是随着技术需求的升级，提升空间微波部件的可靠性，微放电地面试验技术还需要进一步研究。