学无止境——也谈微放电仿真

     

浅谈微放电效应

     

微放电效应是一种在射频真空管、波导等器件中，在特定条件下材料表面发生二次电子发射（SEE）并与时谐电磁场的相位变化同步，引发的电子谐振倍增，乃至雪崩和放电的物理现象。

     

发生微放电的条件

     

发生微放电条件各异且根据微放电类型而有所不同

对金属表面之间的微放电，其发生条件是：

电子平均自由程必须大于两个金属表面之间的间隙距离，并两个表面之间的电子平均渡越时间必然是射频电场半周期的奇数倍。而对于在介质单表面上发生的微放电，其表面电荷产生的直流电场必须能够使电子加速返回到介质表面，从而能够产生二次电子。

对于航天器上的微放电，其发生条件需满足以下四个方面：

1. 真空度: 小于1.0×10^-3Pa；航天器大功率微波部件工作状态满足真空度条件

2. 自由电子的存在；大功率微波部件内存在初始电子

3. 材料的二次电子发射系数大于1 ；典型航天用材料如银、金等满足条件

4. 二次电子的渡越时间是微波信号半周期的奇数倍。航天器大功率微波部件满足以上条件，极易发生微放电效应

   

   
   

     

二次电子发射（SEE）

     

二次电子发射是产生微放电效应的关键因素，即初级电子打到金属表面时，会产生多个次级电子的现象。

次级电子是由空间电荷在合适的条件下撞击金属表面而产生的，初级电子的能量必须落在截止能量E1和E2之间，才能在正常入射下发射一个或多个电子。二次发射量通常随入射角的增大而增大。随着表面粗糙度的增加，发射量对入射角的依赖性变小。

     

当下挑战与如何应对

     

微放电效应可能导致器件表面损坏和器件永久性损坏，其对航天器的危害主要有以下几个方面：

1. 噪声电平抬高，输出功率下降

2. 部件表面损坏，寿命缩短

3. 微波传输系统驻波比增大，信道阻塞

4. 微波部件永久性失效

   
   

在轨航天器上，微放电效应引发的故障是瞬间突发性，常常是灾难性的硬故障，很难或不可能在轨修复和更换，因此，微放电效应的分析和预防，对航天器的微波系统非常重要。

为解决此类问题，需要采用微放电抑制技术，主要方法有：

1. 减小RF功率（NA）

2. 增加间隙（not always possible）

3. 减小电场强度

4. 增加频率（NA）

5. 材料的二次电子发射特性

显然很多参数是没办法改变的，否则就失去了器件本身设计的初衷，达不到设计指标，因此，对材料的表面进行处理，是比较常用的解决方法，其本质还是改变表面的SEE条件，使得微放电的条件不具备。

此外，常见的抑制手段还有，加入偏置条件，从而改变其电子运动轨迹，破坏微放电条件，或者采用超材料超介质，达到特定的效果。这里就不做深入的探讨。

     

相关研究历史及技术

     

早在1924年，Guttons在做真空实验时，就观察到了微放电效应，但他未能对此作出明确和合理的解释。在十多年以后，Farnsworth再次捕捉到了微放电效应的存在，并设计和制造了电子管以更好的研究这一现象，并将它和一般的放电现象区分开来，称之为“电子二次倍增效应（multipactor）”，又称“微放电效应”。

最早对微放电效应进行系统研究的是牛津大学的Gill和Van Engel，他们利用实验方法绘出了微放电效应灵敏度区域。上世纪五十年代后，Hatch和Williams提出了著名的“常数k理论”，并成为几十年来微放电效应分析、设计中的经典理论。之后，Vaughan在Henneburg等人研究成果的基础上，提出了改进的 “可变常数 k” 理论。目前，Vaughan理论已被Riyopoulos等人推广到正交磁场中。

1970年10月，R.Woo 撰写的美国航空和航天管理局(NASA)研究报告 “射频电压在同轴线中崩溃的结论报告” (Final Report on RF Voltage Breakdown in Coaxial Transmission Lines)是第一篇关于微放电效应的详细研究报告 ，并给出了著名的平行板间微放电效应敏感性曲线(Woo 曲线)。欧空局( ESA)的欧空局技术中心(ESTEC)将微放电效应阈值设计余量定为 6dB ，成为目前实际工程应用中微放电效应设计的通用标准。

对微放电效应的研究，初期主要集中在一些平板类电极和传输线上，如电子开关的分析应用、 矩形波导微放电阈值分析等。近些年随着空间技术的发展，空间系统上的一些重要射频部件如谐振腔、射频窗和空间耦合器、 放大器等的微放电现象成为研究的热点。随着计算机技术的发展，目前对微放电的研究可以利用计算机来对放电过程进行模拟，使得人们对微放电的认识更加直观。

美国、欧洲和俄罗斯等针对航天器载荷研制的需求，自上世纪中期就开始投入了大量的科研经费持续开展航天器高功率载荷微放电效应的研究。数值方法主要有粒子跟踪法（PIC），蒙特卡洛法，以及统计理论。其中粒子跟踪法最为通用，能模拟单/多载波情况，能考虑二次电子的发射相位分布，具有实时动态能力，能仿真饱和状态，以及非线性情况，缺点是计算速度慢，对资源要求高。蒙特卡洛和统计方法均具有先天的缺点，而少有广泛采用。

     

新篇章：微放电求解器

     

HFSS软件一直致力于高频电磁场方面的研发和应用，基于其全方面的底层求解器能力，得到了广泛的应用和认可。在其今年发布的2019R2版本和R3版本中，新增了微放电效应求解器（Multi-Paction solver），在HFSS精确分析器件空间电磁场分布的基础上，进一步高效的模拟微放电过程及微放电防护措施的有效性。

HFSS计算平行板波导微放电过程。为了与ECSS微放电工具进行比较，我们研究了不受磁场影响的TEM模。基于HFSS仿真，当交流偏置介于155到465V时将发生微放电效应。

     

HFSS微放电求解过程

     

HFSS求解微放电的过程有如下几步：

1. 正常的频域仿真设置流程

2. 在频域求解的驱动终端/驱动模式中，添加charge regions及SEE边界

3. 添加扫频设置

4. 确定停止标准和功率倍增器

5. (可选) 设置电场/磁场偏置条件

在ANSYS十月开启的系列网络研讨会中，HFSS微放电仿真(Multi-Paction solver)主题作为首场推出，该场研讨会以讲解结合实际操作的方式，介绍了微放电求解器、微放电的基本机理、仿真原理及流程以及仿真实例，同时分享了在微放电分析中有关问题的解决方案。完整版直播内容可通过下方链接进行访问回看。

     

HFSS一直在路上

     

技术发展总是在不断的更新换代中前进。原来没有的功能，新版本里面加入新算法和改进，又快又好的实现。这样的技术列表数不胜数，比如积分方程算法、有限大阵列、弹跳射线方法、域分解技术、ISAR成像、微放电计算等等。HFSS历经数十年的持续研发和改进，已经形成了小到芯片，大到城市环境这样的大场景级别，跨尺度的仿真模拟能力。

ANSYS 2019 R3新版本