多载波微放电类型-空间微波部件多载

在给定宽带微波部件和多载波频率、幅度参数的情况下，其多载波合成波形由初始相位决定，多载波微放电阈值严重依赖于每路载波的初始相位［1－5］。因此不同于单载波的情况，频率、幅度相同但初始相位不同的多载波其微放电阈值显著不同，为了确保微波部件能够安全工作，必须确保微波部件的工作功率低于所有阈值中最低值。而多载波初始相位的组合数目巨大，传统的单载波微放电阈值分析方法无法适用，多载波微放电理论和实验研究均面临困难。

多载波微放电阈值分析的关键是确定能够以最小的单路载波功率激发微放电的相位组合，即“最坏状态”［3］，其对应的单路载波功率为多载波微放电全局阈值。鉴于多载波微放电“最坏状态”分析难度极大，传统的处理方法是采用等效单载波功率的思路来进行微波部件设计［6］。对于载波数为N，单路载波功率相等且为P的多载波信号，其最大可能峰值功率为N2 P。工程中被迫采用最大可能峰值功率的等效单载波信号进行宽带微波部件设计。例如，对于12路输出多工器，每路的工作功率为连续波100 W，则最大峰值功率为14 400 W，依据该准则，需要依据14 400 W的单载波连续波信号进行微波部件设计，导致空间大功率微波部件体积和重量巨大。过度保守的设计造成星上多载波大功率微波部件功率容量浪费，同时还需为如此大功率的验证配置超高功率的实验设施，严重制约了多载波大功率微波部件的研制和航天器整体性能的提升。

放宽多载波微放电设计约束的第一次尝试是Marrison等［7］于1997年提出的“电子渡越时间T20规则”（Time for 20 gap－crossings rule）的假设，简称“T20规则”。该假设认为多载波合成波形如果在一个包络周期内无法使电子在平行平板之间渡越超过20次，就可认定该多载波是安全的，不会激发多载波微放电。T20规则的本质是将多载波等效为一定幅度的单载波连续波，并借用单载波的微放电设计方法进行微波部件设计。由于对多载波微放电的研究不够深入，在ESA的微放电设计和测试标准中仅将T20规则作为建议推荐给各宇航机构使用［6］，并且在2013年更新的标准中仍保留了这一规则［8］。

电子渡越时间T20规则是基于对多载波信号和微放电试验结果进行分析的基础上提出的，缺乏坚实的物理基础。Anza等［9］提出质疑：为什么是20个电子渡越时间而不是其他数值？为什么对于各种不同配置多载波信号和微波部件均是20？针对上述问题，近年来，Anza等［10］提出了多个包络周期微放电（Long－term Multipactor Discharge，LMD）的概念，即通过多个多载波合成波形包络周期间的剩余电子累积激发微放电；与之相对应的是单个包络周期微放电（Single－event Multipactor Discharge，SMD），即在多载波合成波形包络的一个周期内激发大量二次电子，从而引发微放电。

图2－4为单个和多个包络周期多载波微放电过程中的二次电子数目累积示意图［2，11］，其中Te为多载波合成波形包络周期。由图可见，对于相同的初始电子，单个和多个包络周期微放电的二次电子累积特性存在显著区别。在单个包络周期微放电情形中，二次电子可以在单个包络周期内累积到很大的、足以导致微放电的数量，但在这个多载波包络周期结束时会在低功率包络时段被完全吸收，并且每个包络周期都如此重复。与之不同的是，在多个包络周期微放电情形中，二次电子在单个包络周期内的累积数量可能不够大，不足以引起能够被检测的微放电，但每个包络周期结束时会有相比于周期开始时更多的残余二次电子留存，因此总是可以通过连续多载波包络周期间的累积达到微放电状态。

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图2－4　单个和多个包络周期多载波微放电过程中的二次电子数目累积示意图［2，11］

根据图2－4，对于多个包络周期微放电，其阈值可以通过功率扫描，寻找包络周期间二次电子累积趋势接近平坦状态的临界功率，该功率即可视为多个包络周期微放电的阈值。如多载波信号功率超过此临界功率，无论二次电子累积的上升趋势如何缓慢，足够长时间后仍然会导致微放电的发生。随着对多载波条件下微放电过程计算及模拟能力的增强，通过电子的累积趋势来判断微放电阈值逐渐变得可行［12］。如前所述，多载波微放电阈值预测的本质是在所有可能的相位组合中挑选出“最坏状态”，即能够以单路最小功率激发多载波微放电的相位组合。这将带来如下技术难题：由于每路载波相位能够从0°到360°变化，因此相位组合的数目极其庞大。例如，按相位的变化精度为1°计算，12路载波信号的初始相位组合数约为4×1030量级，在如此多的相位组合中挑选出“最坏状态”是极具挑战性的，因此需要提出能够针对复杂结构微波部件快速计算多载波微放电过程中电子数目随时间变化的有效方法。

而对于单个包络周期微放电，难以通过这种变化趋势的判断得到相应的阈值。国际上的主流方法是采用T20规则进行周期内微放电阈值的判断，但近年来的研究认为该规则缺乏必要的物理意义，并且得到的阈值过于保守［3］。此外，T20规则仅考虑了多载波信号的功率特性，而与部件结构、表面二次电子发射系数、二次电子波动等因素完全无关。因此，利用该规则得到的周期内阈值并不能与基于二次电子累积特征得到的长周期放电阈值进行比较。而Anza通过将多载波信号的包络简化为方波脉冲信号，给出了即使满足T20规则不发生单个包络周期微放电的被认为“安全”的波形也能够激发多个包络周期微放电的结论［10］，引发业内广泛担忧，进一步增加了对电子渡越时间T20规则的质疑。

因此，为了预测多载波微放电“最坏状态”及全局阈值，需要基于相同的微放电判断依据，对整个相位空间进行遍历或优化，分别获得LMD和SMD的“最坏状态”，并取两者中阈值更低者。

虽然存在诸多质疑，但电子渡越时间T20规则仍是国际上各宇航公司所广泛接受的多载波微放电设计及验证的依据，基于T20方法已经设计了大量的多载波微波部件。下面将基于T20方法对微波部件多载波微放电设计过程进行详细介绍。