《空间电子技术》：低气压放电效应研究进展（中国空间技术研究院）

空间电子技术 2015年第1期 PACE ELECTRONIC TECHNOLOGY 低气压放电效应研究进展 王瑞,张娜,李韵,胡天存,王新波,崔万照 (中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室,西安710000 摘要:低气压放电效应是空间大功率微波部件的特殊效应之一,文章简要介绍了低气压放电效应的概念 点阐述了低气压放电效应在理论分析及数值模拟、抑制方法和实验测试四个方面的研究进展,最后指出了低气压放 电未来发展的趋势。 关键词:低气压放电;大功率微波部件;研究进展 DOi:10.3969/j.isn.l674-7135.2015.01.001 Advances in Research on Low Pressure Discharge WANG Rui. ZhaNg Na li Yun hu Tian-cun WaNg Xin-bo cuI Wan-zhao China Academy of Space Technology( Xian), National Key Laboratory of Science and Technology on Space Microwave, Xian 710000, China)) Abstract: Low pressure discharge often occurs in high power RF applications, particularly in space applications. The paper first briefly introduces the concept of low pressure discharge, and then the development of low pressure discharge on theory and simulation. Test and suppression methods are discussed. Finally, some future directions are pointed out Key words: Low pressure discharge: High power microwave devices; Research development 0引言 的元件集成度和更大的功率容量,这必然导致微波 低气压放电效应是影响航天器微波部件稳定性部件内存在更高的电场密度和更小的间隙尺寸,这 能的重要因素,对微波部件造成的损害通常比较严也加大了低气压放电的风险 重,一旦发生,将导致反射功率被微波部件吸收,对 部件造成永久性损害。空间微波部件中低气压放电1低气压放电效应概念 效应发生在两个阶段:一是航天器有效载荷中微波 低气压放电是指在较低气压环境中(10-3- 部件从发射后到进入轨道工作期间,都存在发生低10Pa),气体中带电粒子在外加射频场的作用下,碰 气压放电的风险;二是在轨运行时,微波部件在大功撞中性粒子或在金属表面激发二次电子发射,造成 率条件下,因长时间工作,部件内部积累气体,也有空间中电子数雪崩式增长,形成气体击穿的效应。 可能引起低气压放电。另外,随着我国载人航天与在此气压环境中带电粒子的平均自由程小于或约相 深空探测计划的步步推进,航天器在重返大气层和当于气体空间的特征尺寸,气体中带电粒子在电场 登陆外星体的过程中也有可能受到低气压放电的危的作用下获得足够的能量,碰撞中性粒子,使其激发 害。易发生低气压放电的典型部件包括滤波器,多或电离出电子和正离子,新产生的带电粒子被电场 路耦合器,微波开关和多工器等口。如今,航天器有加速,又发生新的激发或电离,于是空间中电子数产 效载荷中所应用的微波部件要求更宽的带宽,更高生雪崩式增长,如图1所示,使原本绝缘的气体变为 ①收稿日期:201409-25;修回日期:20150205。 基金项目:国家重点实验室基金(编号:9140C530101130C53013) 作者简介:王瑞(1985-),硕士,工程师。主要研究方向为空间微波技术

书 ２０１５年第１期 空间电子技术 ＳＰＡＣＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 低气压放电效应研究进展① 王瑞，张娜，李韵，胡天存，王新波，崔万照 （中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室，西安７１００００） 摘要：低气压放电效应是空间大功率微波部件的特殊效应之一，文章简要介绍了低气压放电效应的概念，重 点阐述了低气压放电效应在理论分析及数值模拟、抑制方法和实验测试四个方面的研究进展，最后指出了低气压放 电未来发展的趋势。 关键词：低气压放电；大功率微波部件；研究进展 Ｄ Ｏ Ｉ：１０． ３９６９ ／ ｊ． ｉｓｓｎ． １６７４７１３５． ２０１５． ０１． ００１ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ＷＡＮＧ Ｒｕｉ，ＺＨＡＮＧ Ｎａ，ＬＩ Ｙｕｎ，ＨＵ Ｔｉａｎｃｕｎ，ＷＡＮＧ Ｘｉｎｂｏ，ＣＵＩ Ｗａｎｚｈａｏ （Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｘｉ＇ａｎ），Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｓｐａｃｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００００，Ｃｈｉｎａ）） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｆｔｅｎ ｏｃｃｕｒｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ＲＦ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｎ ｓｐａｃｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｉｒｓｔ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｅｓｔ ａｎｄ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ；Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ０ 引言 低气压放电效应是影响航天器微波部件稳定性 能的重要因素，对微波部件造成的损害通常比较严 重，一旦发生，将导致反射功率被微波部件吸收，对 部件造成永久性损害。空间微波部件中低气压放电 效应发生在两个阶段：一是航天器有效载荷中微波 部件从发射后到进入轨道工作期间，都存在发生低 气压放电的风险；二是在轨运行时，微波部件在大功 率条件下，因长时间工作，部件内部积累气体，也有 可能引起低气压放电。另外，随着我国载人航天与 深空探测计划的步步推进，航天器在重返大气层和 登陆外星体的过程中也有可能受到低气压放电的危 害。易发生低气压放电的典型部件包括滤波器，多 路耦合器，微波开关和多工器等［１］ 。如今，航天器有 效载荷中所应用的微波部件要求更宽的带宽，更高 的元件集成度和更大的功率容量，这必然导致微波 部件内存在更高的电场密度和更小的间隙尺寸，这 也加大了低气压放电的风险。 １ 低气压放电效应概念 低气压放电是指在较低气压环境中（１０ － ３ － １０５ Ｐａ），气体中带电粒子在外加射频场的作用下，碰 撞中性粒子或在金属表面激发二次电子发射，造成 空间中电子数雪崩式增长，形成气体击穿的效应。 在此气压环境中带电粒子的平均自由程小于或约相 当于气体空间的特征尺寸，气体中带电粒子在电场 的作用下获得足够的能量，碰撞中性粒子，使其激发 或电离出电子和正离子，新产生的带电粒子被电场 加速，又发生新的激发或电离，于是空间中电子数产 生雪崩式增长，如图１所示，使原本绝缘的气体变为 １ ① 收稿日期：２０１４０９２５；修回日期：２０１５０２０５。 基金项目：国家重点实验室基金（编号：９１４０Ｃ５３０１０１１３０Ｃ５３０１３）。 作者简介：王瑞（１９８５—），硕士，工程师。主要研究方向为空间微波技术

空间电子技术 015年第1期 传导等离子体,即发生了低气压放电。 应有一定的参考价值。它表征了在气体种类、表面 O中性气体原子 材料等条件不变时,击穿电压U是气压与极间距离 乘积Pd的函数Ub6=f(pd)。函数Ub=f(pd)的曲线 称为帕邢曲线,如图2所示。 从: U (V 图1低气压放电电子雪崩示意图 般而言,降低气压导致额定功率容量下降,直 Pd(Pagn 到一个最小值点,通常称为临界气压,之后额定功率 图2帕邢曲线 容量又开始增加。低气压放电也被称为电离放电 Corona等,国际上一些学者(R.Woo, Ming yu等)将 低气压放电与微放电效应都属于空间状态下微 其定义为在临界气压范围内发生的气体放电。气 波部件发生的特殊效应,图3给出了它们之间的联 体放电理论中常用的帕邢定律对研究低气压放电效系与区别的比较图。其中,九,为电子平均自由 程,d为间隙尺寸,U。表示电子迁移率,∫表示电场频 微放电 等离子体 10--10mbar 10--10mbar 10-2-103mbar 电子。中性气体原子 中性气体原子 图3微放电效应与低气压放电效应联系与区别比较图 低气压放电与微放电效应间的联系与区别具体生低气压放电,发生放电的条件与器壁材质关系较 如下 小;气压较低时,粒子平均自由程相当于气体空间物 (1)低气压放电的气压范围是10-3-103Pa;微理尺寸,此时既可能发生微放电,也有可能发生低气 放电效应多发生在极低气压的状态下,通常认为小压放电,放电效应的形成与器壁材质和气体性质都 于10-Pa 有关系;气压更低时,粒子平均自由程大于气体空间 (2)低气压放电效应是在射频频率下发生的气物理尺寸,此时只可能发生的微放电效应与器壁材 体击穿现象,主要由电子与中性粒子碰撞或撞击金质类型,表面态等因素有密切联系。 属表面,发生气体电离和激发或二次电子倍增,电子 密度以雪崩方式增加;微放电效应是由两个表面间2低气压放电效应研究进展 的射频场引起的真空放电效应,在电磁场的作用下 针对航天器有效载荷研制的需求,以欧洲和美 电子可以自由运动,加速后轰击金属或介质表面,产国为首的多个国家在早期气体放电研究的基础上, 生二次电子,它将会导致噪声,谐波,出气,也可能引投入大量研究经费,持续开展了低气压放电形成机 发低气压放电。 理、分析方法和抑制技术等方面的研究,对低气压放 (3)在气压较高的状态下,气体空间中的粒子电效应进行了较充分的实验观察,建立了相对完备 平均自由程小于气体空间物理尺寸,此时基本只发的理论,并应用数值分析方法对低气压放电效应进

传导等离子体，即发生了低气压放电。 图１ 低气压放电电子雪崩示意图 一般而言，降低气压导致额定功率容量下降，直 到一个最小值点，通常称为临界气压，之后额定功率 容量又开始增加。低气压放电也被称为电离放电， Ｃｏｒｏｎａ等，国际上一些学者（Ｒ． Ｗｏｏ，Ｍｉｎｇ Ｙｕ等）将 其定义为在临界气压范围内发生的气体放电［２］ 。气 体放电理论中常用的帕邢定律对研究低气压放电效 应有一定的参考价值。它表征了在气体种类、表面 材料等条件不变时，击穿电压Ｕｂ 是气压与极间距离 乘积Ｐｄ的函数Ｕｂ ＝ ｆ（ｐｄ）。函数Ｕｂ ＝ ｆ（ｐｄ）的曲线 称为帕邢曲线，如图２所示。 图２ 帕邢曲线 低气压放电与微放电效应都属于空间状态下微 波部件发生的特殊效应，图３ 给出了它们之间的联 系与区别的比较图［３］ 。其中，λｅ 为电子平均自由 程，ｄ为间隙尺寸，υｅ表示电子迁移率，ｆ表示电场频 率。 图３ 微放电效应与低气压放电效应联系与区别比较图 低气压放电与微放电效应间的联系与区别具体 如下： （１）低气压放电的气压范围是１０ － ３ － １０５ Ｐａ；微 放电效应多发生在极低气压的状态下，通常认为小 于１０ － ３ Ｐａ。 （２）低气压放电效应是在射频频率下发生的气 体击穿现象，主要由电子与中性粒子碰撞或撞击金 属表面，发生气体电离和激发或二次电子倍增，电子 密度以雪崩方式增加；微放电效应是由两个表面间 的射频场引起的真空放电效应，在电磁场的作用下， 电子可以自由运动，加速后轰击金属或介质表面，产 生二次电子，它将会导致噪声，谐波，出气，也可能引 发低气压放电。 （３）在气压较高的状态下，气体空间中的粒子 平均自由程小于气体空间物理尺寸，此时基本只发 生低气压放电，发生放电的条件与器壁材质关系较 小；气压较低时，粒子平均自由程相当于气体空间物 理尺寸，此时既可能发生微放电，也有可能发生低气 压放电，放电效应的形成与器壁材质和气体性质都 有关系；气压更低时，粒子平均自由程大于气体空间 物理尺寸，此时只可能发生的微放电效应与器壁材 质类型，表面态等因素有密切联系。 ２ 低气压放电效应研究进展 针对航天器有效载荷研制的需求，以欧洲和美 国为首的多个国家在早期气体放电研究的基础上， 投入大量研究经费，持续开展了低气压放电形成机 理、分析方法和抑制技术等方面的研究，对低气压放 电效应进行了较充分的实验观察，建立了相对完备 的理论，并应用数值分析方法对低气压放电效应进 ２ 空间电子技术 ２０１５年第１期

2015年第1期 王瑞,等:低气压放电效应研究进展 行数值分析。ESA与 Test、CNES、查尔姆斯工业大且随着气体温度的增加,低气压放电阈值降低。A 学和UAM等多家研究机构和大学进行了低气压放 fonseca和 Conde等人研究了微放电与低气压放电 电方面的研究合作。NASA支持 Sperry Rand、Tech形成机理的联系与区别,并建立了低气压放电的分 X公司研究了低气压放电的机理并开发了相应的析模型。 仿真软件,俄罗斯通过国家基础研究基金支持应用2.2低气压放电数值模拟研究 物理研究所等多家研究机构开展低气压放电研究。 Jordan等人根据机理分析,结合实验结果提出 同时,在ESA的组织下,西班牙、法国、意大利俄罗了低气压放电阈值电场的等效计算公式,2,如式 斯、荷兰等国家每两年至三年就召开一次“微放电、(1)所示,但是由于这个等效公式中的等效扩散长 低气压放电和无源互调国际会议”,交流低气压放度L只有针对有限的结构才有解析解,所以存在 电等空间特殊效应的最新进展及研究动向。此外,定局限性,对于复杂结构微波部件的低气压放电分 2014年“欧洲天线与传输会议”专门开设"空间特殊析,需要进行数值模拟分析。精确分析低气压放电 效应研究”特别专题,邀请世界各国同行共同交流的方法包括粒子模拟方法、分子运动论和统计学近 和讨论在低气压放电方面的研究进展。下面从低气似等方法。 压放电的理论分析、数值模拟及测试和抑制方法三 个方面对低气压放电效应的研究进展进行综述。 E=375p(1+21 国内在型号研制的需求下,空间微波技术国防 10° 科技重点实验室与中国空间技术研究院西安分院共 p2L2+6.4×104+20 同开展了针对空间微波部件的低气压放电效应基础 粒子模拟方法( Particle In Cell,PC)是对大量 性研究3,并得到初步结论。此外,西安交通大粒子组成的宏粒子进行实时动态追踪的模拟方法, 学、中国科学技术大学、复旦大学等高校对气体放电能够最直观的模拟物理现象。美国Tech-X公司 基础理论进行了深入研究67,但均缺乏针对空间开发了“专业粒子仿真软件(Vsim),支持带电粒子 微波部件中低气压放电效应的研究,多集中在对低与背景气体之间或者带电粒子之间的碰撞过程,包 气压放电现象的观察和经典气体放电理论的应用括弹性碰撞,激发,电离,复合,通过耦合蒙特卡洛过 程模拟粒子运动过程,实现对腔体部件的低气压放 2.1低气压放电理论分析 电分析。 上世纪40年代,美国波音公司的 Medonald系 西班牙马德里自治大学、马德里工业大学、欧洲 统研究了气体中的微波放电,为低气压放电研究奠空间技术研究中心( ESTEC)在欧空局(ESA)支持 定了基础。随后, Osmokrovic研究了在非常低的下,基于电子与背景中性气体原子的随机互作用研 气压(10--10°Pa)和极间间隙(0.1-1mm)下的究,联合开发了“电晕气体放电电子计算工具” 电击穿现象。通过比较实验数据和理论分析,确( Corona Electron Simulation Tool,CEST),如图4所 定了低气压放电不同击穿机制的范围间的界限,解示,该软件能够模拟较低或中间气压范围的放电过 释和证明了之前被不正确地解释为“反常的帕邢效程,并且能够分析二次电子发射和电子碰撞电离两 应”的“边缘击穿”的存在。自2001年起,法国国家种不同放电击穿体制 空间技术研究中心(CNES)联合俄罗斯应用物理研 究院和瑞典查尔姆斯工业大学针对低气压放电开展 了深入研究,主要研究了低气压放电现象的物理 机制,力图在机理研究的基础上开发出相应的分析 工具。该项目组研究了不同气压下低气压放电存在 不同的物理机理,建立了电-热影响下低气压放电 模型,认为一个微波系统中存在低气压放电的临界 半径,在传输大功率信号时产生的热使等离子体电 (a)CEST主界面窗口 压变大,从而随着等离子体膨胀导致整体发生击穿

行数值分析。ＥＳＡ与Ｔｅｓａｔ、ＣＮＥＳ、查尔姆斯工业大 学和ＵＡＭ等多家研究机构和大学进行了低气压放 电方面的研究合作。ＮＡＳＡ 支持Ｓｐｅｒｒｙ Ｒａｎｄ、Ｔｅｃｈ － Ｘ公司研究了低气压放电的机理并开发了相应的 仿真软件，俄罗斯通过国家基础研究基金支持应用 物理研究所等多家研究机构开展低气压放电研究。 同时，在ＥＳＡ的组织下，西班牙、法国、意大利、俄罗 斯、荷兰等国家每两年至三年就召开一次“微放电、 低气压放电和无源互调国际会议”，交流低气压放 电等空间特殊效应的最新进展及研究动向。此外， ２０１４年“欧洲天线与传输会议”专门开设＂空间特殊 效应研究＂特别专题，邀请世界各国同行共同交流 和讨论在低气压放电方面的研究进展。下面从低气 压放电的理论分析、数值模拟及测试和抑制方法三 个方面对低气压放电效应的研究进展进行综述。 国内在型号研制的需求下，空间微波技术国防 科技重点实验室与中国空间技术研究院西安分院共 同开展了针对空间微波部件的低气压放电效应基础 性研究［４，５］ ，并得到初步结论。此外，西安交通大 学、中国科学技术大学、复旦大学等高校对气体放电 基础理论进行了深入研究［６，７］ ，但均缺乏针对空间 微波部件中低气压放电效应的研究，多集中在对低 气压放电现象的观察和经典气体放电理论的应用 上。 ２． １ 低气压放电理论分析 上世纪４０ 年代，美国波音公司的Ｍｃｄｏｎａｌｄ 系 统研究了气体中的微波放电，为低气压放电研究奠 定了基础［４］ 。随后，Ｏｓｍｏｋｒｏｖｉｃ 研究了在非常低的 气压（１０ － ４ ～ １０５ Ｐａ）和极间间隙（０． １ － １ｍｍ）下的 电击穿现象［５］ 。通过比较实验数据和理论分析，确 定了低气压放电不同击穿机制的范围间的界限，解 释和证明了之前被不正确地解释为“反常的帕邢效 应”的“边缘击穿”的存在。自２００１年起，法国国家 空间技术研究中心（ＣＮＥＳ）联合俄罗斯应用物理研 究院和瑞典查尔姆斯工业大学针对低气压放电开展 了深入研究［１０］ ，主要研究了低气压放电现象的物理 机制，力图在机理研究的基础上开发出相应的分析 工具。该项目组研究了不同气压下低气压放电存在 不同的物理机理，建立了电－热影响下低气压放电 模型，认为一个微波系统中存在低气压放电的临界 半径，在传输大功率信号时产生的热使等离子体电 压变大，从而随着等离子体膨胀导致整体发生击穿， 且随着气体温度的增加，低气压放电阈值降低。Ａｌ ｆｏｎｓｅｃａ和Ｃｏｎｄｅ等人研究了微放电与低气压放电 形成机理的联系与区别，并建立了低气压放电的分 析模型［３］ 。 ２． ２ 低气压放电数值模拟研究 Ｊｏｒｄａｎ等人根据机理分析，结合实验结果提出 了低气压放电阈值电场的等效计算公式［１１，１２］ ，如式 （１）所示，但是由于这个等效公式中的等效扩散长 度Ｌｅｆｆ只有针对有限的结构才有解析解，所以存在一 定局限性，对于复杂结构微波部件的低气压放电分 析，需要进行数值模拟分析。精确分析低气压放电 的方法包括粒子模拟方法、分子运动论和统计学近 似等方法。 Ｅｐ ＝ ３． ７５ｐ １ ＋ ω２ ２５ × １０ ( １８ ) １ ２ × １０６ ｐ ２ Ｌｅｆｆ ２ ＋ ６． ４ × １０４ ＋ ２０ ｐτ ( ) ｐ ３ １６ （１） 粒子模拟方法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｎ Ｃｅｌｌ，ＰＩＣ）是对大量 粒子组成的宏粒子进行实时、动态追踪的模拟方法， 能够最直观的模拟物理现象。美国Ｔｅｃｈ － Ｘ 公司 开发了“专业粒子仿真软件”（ＶＳｉｍ），支持带电粒子 与背景气体之间或者带电粒子之间的碰撞过程，包 括弹性碰撞，激发，电离，复合，通过耦合蒙特卡洛过 程模拟粒子运动过程，实现对腔体部件的低气压放 电分析。 西班牙马德里自治大学、马德里工业大学、欧洲 空间技术研究中心（ＥＳＴＥＣ）在欧空局（ＥＳＡ）支持 下，基于电子与背景中性气体原子的随机互作用研 究［１３］ ，联合开发了“电晕气体放电电子计算工具” （Ｃｏｒｏｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ，ＣＥＳＴ），如图４ 所 示，该软件能够模拟较低或中间气压范围的放电过 程，并且能够分析二次电子发射和电子碰撞电离两 种不同放电击穿体制［１４］ 。 （ａ）ＣＥＳＴ主界面窗口 ２０１５年第１期 王瑞，等：低气压放电效应研究进展 ３

空间电子技术 015年第1期 本组成有:真空容器及真空控制系统、微波功率加载 系统、低气压放电检测系统。待测件置于真空容器 中,测试时通过真空控制系统控制气压,可控范围为 1.3×10-3Pa-10Pa。为了获得较高的测试精度 测试时可以从真空向1个大气压放气,或者从1个 大气压向真空抽气,在两次循环中分别进行实验 微波功率加载系统一般由信号源、功率放大器、功率 测量系统、假负载及配套的微波器件组成。信号源 b)仿真实例 产生需要所需频率的微波信号,功率放大器将微波 图4CEST软件示例 信号放大到需要的功率,功率测量系统测量入射、反 射微波功率,假负载吸收试验系统的微波功率。放 同时,ESA组织达姆史塔特理工大学、瑞土联邦电检测系统主要用来检测是否发生了电子倍增放电 高等工业大学、 Teat宇航公司三家单位联合开展了现象,发生放电的位置、放电强度、放电频谱等。目 微波部件中微放电和低气压放电的仿真与设计”前,中国空间技术研究院西安分院具有较完善的低 项目,分析了波导结构中气体粒子电离的密度,提出气压放电测试系统,能够实现对低气压放电阈值的 了低气压放电阈值的初步计算公式,基于边界积分准确测量。 谐振模式展开法(BI-RME),开发了能够分析微 目前ESA正在研制的电子密度检测系统将可 波部件低气压放电的全波电磁仿真工具(Ful-以监测放电种类、浓度、弛豫时间和发展演化过程, wave Electromagnetic Simulation Tool,FsT),但即使击穿已经发生,仍能够监测电子的增长状 是目前该软件只能针对预设结构库中的结构进行分况。该系统主要由高灵敏度的商用电子计、三线 析 电缆、高精度探针和专用软件构成,如图6所示。 选用的 Keithley617电子计能检测到1×10-1A的 电流,放置待测件放电区域附近的高精度探针由低 噪声三线电缆连接,探针检测到的电流由 Keithley617电流计测量,同时电流计产生与检测电 流成比例的低电压,该电压由数字电压表测量,并通 过HP-B卡将信息传输到装有HP-VEE软件的 计算机上进行处理和显示。 (a) SPARK主界面窗口 通过对低气压放电影响因素及规律的分析,发 现可以通过改变气压避开临界气压范围,降低频率 保持表面清洁提高微波部件的低气压放电阈值。但 是对于实际的微波部件这些方法都有缺陷。空间微 波部件在从地面发射进入轨道运行的过程中,部件 内的气压会从一个标准大气压下降到真空状态,必 然会经过临界气压范围,而且在空间运行过程中经 过长时间工作,可能会产生局部低气压,在空间中控 制气压非常困难。由于微波部件的工作频带固定 (b)仿真实例 图5 SPARK软件示例 通过改变频率提高阈值是不现实的。目前比较有效 的方法是通过介质填充,减小了放电空间的特征扩 2.3低气压放电的测试和抑制方法 散长度,使产生的自由电子更容易扩散从而降低发 低气压放电效应的测试设备与微放电类似,基生低气压放电的风险

（ｂ）仿真实例 图４ ＣＥＳＴ软件示例 同时，ＥＳＡ组织达姆史塔特理工大学、瑞士联邦 高等工业大学、Ｔｅｓａｔ宇航公司三家单位联合开展了 “微波部件中微放电和低气压放电的仿真与设计” 项目，分析了波导结构中气体粒子电离的密度，提出 了低气压放电阈值的初步计算公式，基于边界积分 －谐振模式展开法（ＢＩ － ＲＭＥ），开发了能够分析微 波部件低气压放电的全波电磁仿真工具（Ｆｕｌｌ － ｗａｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ，ＦＥＳＴ）［１５］ ，但 是目前该软件只能针对预设结构库中的结构进行分 析。 （ａ）ＳＰＡＲＫ主界面窗口 （ｂ）仿真实例 图５ ＳＰＡＲＫ软件示例 ２． ３ 低气压放电的测试和抑制方法 低气压放电效应的测试设备与微放电类似，基 本组成有：真空容器及真空控制系统、微波功率加载 系统、低气压放电检测系统。待测件置于真空容器 中，测试时通过真空控制系统控制气压，可控范围为 １． ３ × １０ － ３ Ｐａ － １０４ Ｐａ。为了获得较高的测试精度， 测试时可以从真空向１ 个大气压放气，或者从１ 个 大气压向真空抽气，在两次循环中分别进行实验。 微波功率加载系统一般由信号源、功率放大器、功率 测量系统、假负载及配套的微波器件组成。信号源 产生需要所需频率的微波信号，功率放大器将微波 信号放大到需要的功率，功率测量系统测量入射、反 射微波功率，假负载吸收试验系统的微波功率。放 电检测系统主要用来检测是否发生了电子倍增放电 现象，发生放电的位置、放电强度、放电频谱等。目 前，中国空间技术研究院西安分院具有较完善的低 气压放电测试系统，能够实现对低气压放电阈值的 准确测量。 目前ＥＳＡ正在研制的电子密度检测系统将可 以监测放电种类、浓度、弛豫时间和发展演化过程， 即使击穿已经发生，仍能够监测电子的增长状 况［１６］ 。该系统主要由高灵敏度的商用电子计、三线 电缆、高精度探针和专用软件构成，如图６ 所示。 选用的Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６１７ 电子计能检测到１ × １０ － １７ Ａ 的 电流，放置待测件放电区域附近的高精度探针由低 噪声三线电缆连接，探针检测到的电流由 Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６１７电流计测量，同时电流计产生与检测电 流成比例的低电压，该电压由数字电压表测量，并通 过ＨＰ － ＩＢ卡将信息传输到装有ＨＰ － ＶＥＥ软件的 计算机上进行处理和显示。 通过对低气压放电影响因素及规律的分析，发 现可以通过改变气压避开临界气压范围，降低频率， 保持表面清洁提高微波部件的低气压放电阈值。但 是对于实际的微波部件这些方法都有缺陷。空间微 波部件在从地面发射进入轨道运行的过程中，部件 内的气压会从一个标准大气压下降到真空状态，必 然会经过临界气压范围，而且在空间运行过程中经 过长时间工作，可能会产生局部低气压，在空间中控 制气压非常困难。由于微波部件的工作频带固定， 通过改变频率提高阈值是不现实的。目前比较有效 的方法是通过介质填充，减小了放电空间的特征扩 散长度，使产生的自由电子更容易扩散从而降低发 生低气压放电的风险。 ４ 空间电子技术 ２０１５年第１期

2015年第1期 王瑞,等:低气压放电效应研究进展 SMA TVAC 电子 数字电压表 线电缆 待测件 HP-VEE软件 图6电子密度检测系统示意图 3结语 [9 Predrag Osmokrovic. Mechanism of Electrical Breakdown 文章从低气压放电形成机理、数值模拟方法、低 f Gases at Very Low Pressure and Interelectrode Gap 气压放电的测试和抑制方法三个方面对低气压放电 es[J]. IEEE Transactions on Plasn 近年来的研究进展进行了介绍,随着空间微波部件 21(6):645653 向大功率、小型化轻量化高可靠、长寿命方向发0hh. Anderson I,itkM, et al. Summary of earch Activities on Microwave Discharge Phenomena 展,低气压放电需要不断拓展研究层面和解决新问 involving Chalmers( Sweden ) Institute of Applied 题,未来低气压放电将重点研究放电模型、边缘场 Physics( Russia)and CNES (France)[C].Proc. 7th 多载波等,开发计算精度和效率更高、功能更强大的 Int. Workshop on Multipactor, Corona and Passive Inter- 仿真工具,研制有效的抑制方法,探索新的数字式检 nodulation in Space RF Hardware MULCOPIM 测方法和检测设备 2011), Valencia, the Spain, Sep 2011 [11 Anderson D, Jordan U, Lisak M, et al. Microwave brea 参考文献 own in resonators and filter[J]. IEEE Trans. Microwave [1 Yu Ming Power-Handling Capability for RF Filter[J] Theory Tech.,1999,47(12):2547-2556 IEEE Microwave Magazine, 2007,7: 88-97 [12 Puech J, Merecki M, Anderson D, et al. Microwave dis- [2 Woo R. Final report on RF voltage breakdown in coaxial charge research activities within the contest of the transmission lines[C]. Jet Propulsion Lab, CA, U.S.A Chalmers University Sweden )/Institute of Applied 1970:32-1500. Physics( Russia)/CNES( France)project[C].Proc [3 Alfonseca M, Conde L, de Lara J, et al. Prediction of Coro- 4th Int. Workshop on Multipactor, Corona and Passi na and Multipactor RF Breakdown Thresholds using the Intermodulation in Space RF Hardware MULCOPIM CEST( Corona Electron Simulation Tool) Software[C] 2003), ESTEC Noordwijk, the Netherlands, Sep 2003 Proc. 6th Int. Workshop on Multipactor, Corona and Pas- [13] Higham D J. An algorithmic introduction to numerical sive Intermodulation in Space RF Hardware(MULCOPIM simulation of stochastic differential equations[J].SIAM 2008), Valencia, the Spain, Sep. 2008 Review.2001,43(3):525-546 [4]Wang Rui, Zhang Na, Li Yun, Cui Wanzhao. Simulation of [14] Francisco Perez, Juan de Lara, et al. CEST and MEST ow Pressure Discharge in the Cavity Component [C] Tools for the Simulation of Radio Frequency Electric 2011 The International Conference on Electronics. Com- Discharges in Waveguides [c]. Proc. 6th Int. Workshop munications and Control( ICECC2011): 4517-4519 [5]吴须大,杨军.腔体滤波器与低气压放电[J].空间电 Space RF Hardware(MULCOPIM 2008), Valencia, the 子技术,2001(4):21-25 Spain, Sep 2008. [6]翁明,王瑞崔万照高频气体击穿与真空击穿之间的[15] icente C, Mattes m, Wolk D,eta.FEST3D· A simula 联系[J].空间电子技术,2014(1):6-10 tion tool for corona prediction[C]. Proc. 5th Internation- [7]徐学基,褚定昌.气体放电物理[M].上海:复旦大学 al Workshop on Multipactor, Corona and Passive Inter- 出版社,1996 ace RF Hardware( MULCOPIM 2005) [8 Macdonald A D Microwave Breakdown in gases[M]. New ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, Sep 2005 York: John Wiley Sons, Inc., 1966 [16 Pinheiro-Ortega T, Armendariz J, Anza S, et al. A new

图６ 电子密度检测系统示意图 ３ 结语 文章从低气压放电形成机理、数值模拟方法、低 气压放电的测试和抑制方法三个方面对低气压放电 近年来的研究进展进行了介绍，随着空间微波部件 向大功率、小型化、轻量化、高可靠、长寿命方向发 展，低气压放电需要不断拓展研究层面和解决新问 题，未来低气压放电将重点研究放电模型、边缘场、 多载波等，开发计算精度和效率更高、功能更强大的 仿真工具，研制有效的抑制方法，探索新的数字式检 测方法和检测设备。 参考文献： ［１］ Ｙｕ Ｍｉｎｇ． ＰｏｗｅｒＨａｎｄｌｉｎｇ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ＲＦ Ｆｉｌｔｅｒｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍａｇａｚｉｎｅ，２００７，７：８８９７． ［２］ Ｗｏｏ Ｒ． Ｆｉｎａｌ ｒｅｐｏｒｔ ｏｎ ＲＦ ｖｏｌｔａｇｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｎ ｃｏａｘｉａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ［Ｃ］． Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂ，ＣＡ，Ｕ． Ｓ． Ａ．， １９７０：３２１５００． ［３］ Ａｌｆｏｎｓｅｃａ Ｍ，Ｃｏｎｄｅ Ｌ，ｄｅ Ｌａｒａ Ｊ，ｅｔ ａｌ． Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｒｏ ｎａ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐａｃｔｏｒ ＲＦ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＣＥＳＴ（Ｃｏｒｏｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ）Ｓｏｆｔｗａｒｅ［Ｃ］． Ｐｒｏｃ． ６ｔｈ Ｉｎｔ． Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｐａｃｔｏｒ，Ｃｏｒｏｎａ ａｎｄ Ｐａｓ ｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｐａｃｅ ＲＦ Ｈａｒｄｗａｒｅ （ＭＵＬＣＯＰＩＭ ２００８），Ｖａｌｅｎｃｉａ，ｔｈｅ Ｓｐａｉｎ，Ｓｅｐ． ２００８． ［４］ Ｗａｎｇ Ｒｕｉ，Ｚｈａｎｇ Ｎａ，Ｌｉ Ｙｕｎ，Ｃｕｉ Ｗａｎｚｈａｏ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｃａｖｉｔｙ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ［Ｃ］． ２０１１ Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｍ ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＩＣＥＣＣ２０１１）：４５１７４５１９． ［５］ 吴须大，杨军．腔体滤波器与低气压放电［Ｊ］．空间电 子技术，２００１（４）：２１２５． ［６］ 翁明，王瑞，崔万照．高频气体击穿与真空击穿之间的 联系［Ｊ］．空间电子技术，２０１４（１）：６１０． ［７］ 徐学基，褚定昌．气体放电物理［Ｍ］．上海：复旦大学 出版社，１９９６． ［８］ Ｍａｃｄｏｎａｌｄ Ａ Ｄ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｎ ｇａｓｅｓ［Ｍ］． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，１９６６． ［９］ Ｐｒｅｄｒａｇ Ｏｓｍｏｋｒｏｖｉｃ． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｏｆ Ｇａｓｅｓ ａｔ Ｖｅｒｙ Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｐ Ｖａｌｕｅｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ． １９９３． ２１（６）：６４５６５３． ［１０］ Ｐｕｅｃｈ Ｊ，Ａｎｄｅｒｓｏｎ Ｄ，Ｌｉｓａｋ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ Ｒｅ ｓｅａｒｃｈ Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃｈａｌｍｅｒｓ （Ｓｗｅｄｅｎ ），Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ （Ｒｕｓｓｉａ）ａｎｄ ＣＮＥＳ （Ｆｒａｎｃｅ）［Ｃ］． Ｐｒｏｃ． ７ｔｈ Ｉｎｔ． Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｐａｃｔｏｒ，Ｃｏｒｏｎａ ａｎｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｐａｃｅ ＲＦ Ｈａｒｄｗａｒｅ （ＭＵＬＣＯＰＩＭ ２０１１），Ｖａｌｅｎｃｉａ，ｔｈｅ Ｓｐａｉｎ，Ｓｅｐ． ２０１１． ［１１］ Ａｎｄｅｒｓｏｎ Ｄ，Ｊｏｒｄａｎ Ｕ，Ｌｉｓａｋ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｂｒｅａｋ ｄｏｗｎ ｉｎ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．，１９９９，４７（１２）：２５４７２５５６． ［１２］ Ｐｕｅｃｈ Ｊ，Ｍｅｒｅｃｋｉ Ｍ，Ａｎｄｅｒｓｏｎ Ｄ，ｅｔ ａｌ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｉｓ ｃｈａｒｇｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈａｌｍｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｓｗｅｄｅｎ ）／ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ （Ｒｕｓｓｉａ）／ ＣＮＥＳ （Ｆｒａｎｃｅ）ｐｒｏｊｅｃｔ［Ｃ］． Ｐｒｏｃ． ４ｔｈ Ｉｎｔ． Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｐａｃｔｏｒ，Ｃｏｒｏｎａ ａｎｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｐａｃｅ ＲＦ Ｈａｒｄｗａｒｅ （ＭＵＬＣＯＰＩＭ ２００３），ＥＳＴＥＣ Ｎｏｏｒｄｗｉｊｋ，ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，Ｓｅｐ． ２００３． ［１３］ Ｈｉｇｈａｍ Ｄ Ｊ． Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｃ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． ＳＩＡＭ Ｒｅｖｉｅｗ． ２００１，４３（３）：５２５５４６． ［１４］ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ Ｐｅｒｅｚ，Ｊｕａｎ ｄｅ Ｌａｒａ，ｅｔ ａｌ． ＣＥＳＴ ａｎｄ ＭＥＳＴ： Ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ｉｎ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ［Ｃ］． Ｐｒｏｃ． ６ｔｈ Ｉｎｔ． Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｐａｃｔｏｒ，Ｃｏｒｏｎａ ａｎｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｐａｃｅ ＲＦ Ｈａｒｄｗａｒｅ （ＭＵＬＣＯＰＩＭ ２００８），Ｖａｌｅｎｃｉａ，ｔｈｅ Ｓｐａｉｎ，Ｓｅｐ． ２００８． ［１５］ Ｖｉｃｅｎｔｅ Ｃ，Ｍａｔｔｅｓ Ｍ，Ｗｏｌｋ Ｄ，ｅｔ ａｌ． ＦＥＳＴ３Ｄ  Ａ ｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｃｏｒｏｎａ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［Ｃ］． Ｐｒｏｃ． ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ ａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｐａｃｔｏｒ，Ｃｏｒｏｎａ ａｎｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｐａｃｅ ＲＦ Ｈａｒｄｗａｒｅ （ＭＵＬＣＯＰＩＭ ２００５）， ＥＳＡ／ ＥＳＴＥＣ，Ｎｏｏｒｄｗｉｊｋ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，Ｓｅｐ． ２００５． ［１６］ ＰｉｎｈｅｉｒｏＯｒｔｅｇａ Ｔ，Ａｒｍｅｎｄáｒｉｚ Ｊ，Ａｎｚａ Ｓ，ｅｔ ａｌ． Ａ ｎｅｗ ２０１５年第１期 王瑞，等：低气压放电效应研究进展 ５