实验结果及分析-空间微波部件多载波微放电分析

1.最小和扩展多载波微放电实验系统

图6－3所示的基本多载波微放电测试系统可以认为是最小系统。实际中，该系统可被扩展为具有更多监视器和校准单元以保证更为可信的多载波微放电测试。

图6－22给出了UHF频段多载波微放电测试系统的框图，图中灰色底纹的方框属于扩展单元。在调零环中，为了给系统级校准提供馈入待测件的大功率多载波信号的副本，加入了1分2的功分器。采用具有模拟数字转换功能的器件进行采样，然后将数字多载波信号传入计算机，在计算机中实现与图6－17所示相同的预失真校准。这样可以保证馈入待测件的多载波信号是预先设定的。在本节中，采用具有计算机接口的射频示波器作为模拟－数字转换器件。在对高功率系统进行进一步幅度校准后，数字化多载波信号也可以用于监视最终馈入待测件的测试信号的功率。因此，在引入该系统级校准环后，可以保证馈入待测件的多载波信号具有正确的波形和准确的功率。

图6－22　具有系统级大功率多载波信号相位校准回路的多载波微放电测试系统框图

注意到图6－17所示的UHF频段相干矢量信号发生器是低功率的。为了实现大功率相干矢量信号发生器，6个商业UHF频段功率放大器模块和一个大功率输出多工器用来合成到大功率测试信号。表6－3给出了所选的功率放大器模块、输出多工器及其他构成多载波微放电测试系统的器件或仪器的相关参数。

表6－3　所构建的多载波微放电测试系统中用到的关键部件和仪器

图6－23给出了多载波微放电实验系统的照片。尽管在本系统中采用了体积巨大的真空罐，但是根据待测件尺寸大小也可选择文献［5］中使用的紧凑版真空罐。在本系统中，采用两个频谱仪分别进行反射和谐波的监测，实际中也可采用射频功率计来进行调零信号的监测。只要在普通微波实验室所配置的一些射频仪器的基础上，通过购买必要的功率放大器模块、无源部件和真空罐就可以搭建多载波微放电测试系统。

图6－23　多载波微放电实验系统照片（见彩插）

2.实验研究及讨论

接下来，采用第4章的同轴传输线进行多载波微放电实验研究。为了验证所提出多载波微放电测试系统方案的有效性，在测试中首先进行单载波微放电测试，单载波微放电的阈值以5 W步长进行测量，该部件的平均单载波阈值为175 W，与第4章的模拟阈值200.4 W接近。这一步的目的是验证测试系统的功能状态，同时说明粒子模拟在预测单载波微放电阈值方面是有效的。

其次，采用具有代表性的同相相位分布（相位1）的信号进行多载波微放电测试的演示。受大功率合成多工器频带的限制，在实验中信号的配置与分析时相同，初始频率为337.5 MHz，载波频率是等间隔分布，频率间隔为1.25 MHz。待测件为第4章模拟的同轴传输线，内表面镀有7μm厚的银。

在多载波微放电测试之前，待测件放置于真空罐中，通过低损耗电缆与输入输出耦合器相连。然后基于预失真技术对同相相位多载波信号的幅度和波形进行了校准，采用铯137辐射源进行初始种子电子加载，在微放电实验开始之前保证真空罐的气压在1.9×10－5 Pa以下。

在多载波微放电测试中每路载波的初始功率调整为5 W，然后以1 W为步长增加，直到反射和谐波监视器探测到多载波微放电的发生。这里需要强调的是，在每次功率调整后都要进行相位的校准。

基于构建的UHF频段6载波微放电测试系统，对于同一批次三个同轴传输线部件，同相（相位1）多载波信号的微放电阈值分别为13 W、14 W和15 W。这与第4章基于CST粒子工作室进行数值模拟获得的多载波微放电阈值介于12～15 W的预测结果吻合良好，进一步说明了粒子模拟的有效性。而本书第4章提出的等效单载波近似快速计算方法与数值模拟结果在不同的相位组合条件下均吻合良好，这也说明了所提出等效单载波近似快速计算方法在多载波微放电阈值预测中具有和粒子模拟相同的精度。但相对于粒子模拟，所提出快速计算方法的计算时间的显著减少，使得多载波微放电“最坏状态”的全局优化得以实现。

以上模拟结果和实验数据的对比表明，频率间隔为1.25 MHz的6路UHF同相相位分布的多载波信号将优先激发单个包络周期微放电，亦即实验中所观察到的微放电应属单个包络周期微放电，而非多个包络周期微放电。

图6－24给出了微放电前后调零结果。从图中可以看出，在微放电之前调零深度低至－60 dBm，微放电之后，待测件阻抗的显著变化导致调零系统检测到的功率增加了55 dB。图6－25给出了微放电前后频率为340 MHz的载波的二次谐波。从图中可以看出，当每路载波的功率不足以激发微放电时，二次谐波的功率为－72 dBm，微放电之后，显著增加的非线性使得二次谐波增加21 d B，调零和二次谐波的显著变化充分说明已经激发了微放电。(www.xing528.com)

图6－24　微放电发生时调零检测结果

图6－25　微放电发生时谐波检测结果

除了同相相位，还对初始相位为［0，131，94，240，209，3］（相位2）和［0，112，294，22，285，110］（相位3）的多载波信号进行了多载波微放电阈值实验，其波形分别如图6－26和图6－27所示。

图6－26　多载波微放电实验中采用的相位为［0，131，94，240，209，3］的信号波形

图6－27　多载波微放电实验中采用的相位为［0，112，294，22，285，110］的信号波形

所选三种信号波形具有如下考虑：同相相位是进行多载波微放电分析和实验的最为典型的相位分布，同时同相相位与所选实验样件在1.25 MHz频率间隔分析获得的“最坏状态”波形几乎相同，因此相位1为分析结果的“最坏状态”；相位2属于多个包络周期微放电的局部极值点，与相位1的多个包络周期微放电阈值相当（相位1为29.75 W，相位2为30.00 W），但比相位1的单个包络周期微放电阈值高；相位3是单个和多个包络周期微放电阈值均较高的相位组合。为了验证所提出多载波微放电“最坏状态”分析方法的有效性，针对这三种相位开展了共7次多载波微放电实验。

表6－4的最后一列是多载波微放电阈值的测量结果，同相相位信号的平均阈值为14 W；第三列给出了N0分别为145、1 000、10 000时优化的SMD阈值，对应的Tx窗口和阈值功率分别为T128、T83、T74和17.80 W、11.57 W、9.90 W；第二列为同一信号优化后的LMD阈值结果，可以看出对于同相相位LMD阈值为29.75 W，显著高于实验结果。在未采用所提出的单个包络周期微放电阈值分析之前，如果只单纯考虑多个包络周期微放电，其理论分析阈值和实验结果相差较大。而正是采用了所提出的基于“可检测阈值”的扫描电子渡越时间与临界电子密度相结合的单个包络周期微放电阈值分析方法，理论分析结果和实验结果吻合良好，这也进一步说明了对于1.25 MHz频率间隔，所选样件在相位1的多载波信号激发下优先发生了单个包络周期微放电。

表6－4　同轴传输线预测阈值和实验阈值比较

对于相位2信号的测量阈值的平均值为18.5 W，表6－4第三列给出了N0分别为145、1 000、10 000时优化的SMD阈值，对应的Tx窗口和阈值功率分别为T87、T81、T74和24.85 W、21.71 W、18.67 W；第二列为同一信号优化后的LMD阈值结果，其阈值为30.00 W，如果单纯考虑多个包络周期微放电，其实验结果和理论分析结果相差较大。基于所提出的通过扫描电子渡越时间与临界电子密度相结合的分析方法预测的单个包络周期微放电阈值与实验结果更为接近。

对于相位3信号的测量阈值的平均值为22W，表6－4第三列给出了N0分别为145、1 000、10 000时优化的SMD阈值，对应的Tx窗口和阈值功率分别为T96、T90、T82和25.21 W、22.45 W、19.22 W；第二列为同一信号优化后的LMD阈值结果，其阈值为36.03 W，如果单纯考虑多个包络周期微放电，其实验结果和理论分析结果相差较大。基于所提出的通过扫描电子渡越时间与临界电子密度相结合的分析方法预测的单个包络周期微放电阈值与实验结果更加吻合。

从理论分析结果和实验结果的比对可以看出，基于所提出多载波微放电分析方法获得的“最坏状态”为相位1，其次为相位2，阈值最高的为相位3，功率阈值的实验结果与理论分析结果的误差小于1.5 dB，实验得到的最低功率阈值对应的相位与“最坏状态”分析结果一致，验证了所提出多载波微放电“最坏状态”分析方法的有效性。

需要说明的是，在大于临界频率间隔时，LMD具有更低的阈值，T20方法在该范围内不适用；本次实验中采用铯137辐射源进行种子电子加载，经过12 h以上的抽真空和真空保持过程，微波部件内部的电子数目很大程度上在145以上，即使对于初始种子电子数目充分加载的情况下（初始电子数目为10 000），也需要至少74个电子渡越时间，而初始种子电子数目越少，激发微放电需要的电子渡越时间越多。因此，在T20规则能够适用的小于临界频率间隔范围内，T20方法又是非常保守的。

本章所提出的分析方法同时考虑单个和多个包络周期两种形式的多载波微放电，基于“可检测阈值”实现了两者阈值的可比较，获得了与最低功率阈值对应的全局“最坏状态”，有效克服了传统T20方法的不足。