微放电检测新方法研究范文

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《空间电子技术杂志》2015年第一期

1微放电检测方法分析

尽管国内外对微放电的测试已经研究出了几种检测方法，常用的有近载波噪声检测、谐波检测和反射功率检测［5］，但是这些检测方法主要都是针对连续波测试，对于大功率微波器件，使用脉冲的测试的还存在一定局限性。下面将对其进行分析，对于在脉冲工作条件下的性能将重点分析。

1．1近载波噪声检测微放电会增加载波附近频率的噪声。鉴于微放电可以导致载波附近频段内噪声电平的抬高，通过尖锐窄带滤波器，滤除载波后在其附近频段内噪声电平的提高可以用频谱仪检测来判断是否发生放电。所以这种方法可以灵敏的检测到放电。这种方法可以应用于单载波或多载波信号，但是这种方法如果用于脉冲就比较困难，若脉冲长度和形式选择不当，则脉冲会在测试频段内产生谐波，这样就很难滤除脉冲频谱分量及其谐波，从而难以确定底噪的变化。由于需要尖锐的窄带滤波器滤除载波，可以看出这种检测方法对频率有很强依赖性，建立系统比较复杂。同时，测试系统中如N接头松动也会导致类似放电的噪声，还有许多不同的原因会导致噪声。因此，这种方法需要与其他检测方法一起来检测判断是否放电。

1．2谐波检测微放电会导致非线性，从而产生低电平谐波分量。在这种情况下会检测到许多不同的频率，但是三次谐波总是会存在的，因此对谐波进行检测是一个非常好的选择。这是一种非常快而且可靠的检测方法，在进行多载波微放电检测时适合选择这种检测方法，因为在多载波情况下微放电现象的发生时间非常短。但是它不适用于脉冲工作条件下，因为谐波很容易被系统与被测件的本征谐波和脉冲的谐波分量以及无源互调(PIM)信号所掩盖。在实际应用中，随着使用的频率提高，谐波检测法对检测设备提出了更苛刻的要求，对于使用带来了条件限制。

1．3反射功率检测在不同的微波部件中(例如在同轴电缆和微波设备之间)的失配会导致反射功率，在一个良好设计的系统中，对每一个不同部件间的匹配连接进行了良好的设计后，反射功率一般很小。高Q器件只是在一个特定频率(或者几个特定频率)上良好匹配，如果器件的性能变动很小，将导致器件的失谐和匹配能力的下降，从而导致反射功率的增加。微放电是一种会导致高Q器件失谐的现象，从而产生较高的反射功率，通过测量正向和反向功率可以判断是否发生了放电，或者把正向和反向功率送入调零单元，通过观测调零电平的变化也可以灵敏的判断是否放电。这种方法很可靠，因为在一个良好匹配设计的系统中，几乎没有可能造成失配。但是对于低Q器件和匹配较差的器件，这种方法灵敏性较差，甚至在被测器件表面有污染或者被测件有损耗时，这种方法会出现误判。例如，现在常用的前后向功率测试以及调零测试尽管可以检测出被测件是否发生了放电，但是当被测件有损耗或者表面有污染时，也可能会误判为放电。由以上对于3种常用微放电检测方法的分析可知，目前的检测方法都可以在一定程度上检测出被测件是否发生放电，但是都存在一定缺陷，因此对于微放电检测方法还有待进一步的研究，尤其对使用脉冲检测大功率设备微放电需要重点研究。在此基础上，本文提出一种改进的检测方法，在脉冲工作条件下可以相对灵敏可靠的检测微放电，下面将对这种方法详细介绍。

2脉冲工作条件下利用辅助载波检测微放电方法

2．1检测方法的介绍脉冲本身频谱复杂，且通过测试系统时会发生变化。例如，脉冲在测试设备连接处因为匹配不好而反射一部分能量，也会在通过系统时被设备和器件吸收一部分而转换生成热量，发生放电时也会发生与噪声能量的转移，从而导致脉冲频谱的不确定性。因此，在测试频段内很难通过观测脉冲频谱变化来检测放电。由于已有的方法对脉冲工作条件下微放电测试存在一定问题，本文提出在脉冲工作条件下加入辅助载波的检测方法。该方法提出在测试频段内距离脉冲载频一定距离处加载一个辅助载波，利用微放电非线性，通过检测脉冲频谱与辅助载波的互调分量来判断是否放电。首先，互调分量是从无到有的变化，通过观测互调分量的变化可以灵敏地检测出是否发生了放电;其次，这种通过观测放电前后互调分量的变化可以消除系统本身互调分量的干扰，这样可以可靠地检测出是否发生了放电。由上面的分析可知，新的检测方法从理论上可以灵敏可靠的检测微放电现象。图1给出了这种方法的原理图。图1中，脉冲发生器产生选定重复周期与占空比的脉冲信号调制在载波信号(调制信号源1)上，与辅助载波(信号源2)经功率合成器合成后送入行波管放大器，经放大后的合成信号送入真空罐中的被测件，输出信号再经定向耦合器送入带通滤波器，带通滤波器中心频率为2f0－f1(即调制脉冲载波与辅助载波的三阶互调频率)，带通滤波器滤出脉冲与辅助载波的通带内的互调分量，再输入功率计测量互调分量通带内的功率，即认为是互调分量功率。由于发生微放电前，通带内主要为噪声功率，放电后互调分量从无到有，互调分量具体的功率变化幅度与加入的辅助载波功率有关，因此，测量互调分量通带内功率的变化就可以判断是否发生了放电。检测方法示意图如图2所示(图中横坐标数值表示偏离脉冲调制载波的相对值，纵坐标的数值仅为表示频谱幅度的为相对量)。图2中，调制脉冲频谱加入辅助载波后，若发生放电，在辅助载波关于脉冲调制载波的对称位置会出现互调频谱，带通滤波器滤出互调频谱，测量互调频谱的功率就可以判断是否发生了放电。在这种检测方法中，辅助载波频率的选择是难点，后面将详细分析辅助载波选择的条件。

2．2辅助载波选择的条件由于被测件一般都是带宽有限的器件，所以辅助载波频率f1选择上要靠近脉冲的载波频率f0，但是其又不能太靠近载波频率，因为脉冲谱分布频段很宽，太靠近会使放电导致的互调频谱与脉冲频谱混合而难以分辨。因此，辅助载波频率选择要既能通过被测件，又能方便准确检测互调分量。下面介绍辅助载波选择的具体条件。

2．2．1脉冲谱的能量分布问题考虑一般周期信号为T的周期函数fT(t)。由于周期信号fT(t)可展开成指数形式的傅里叶级数。分析周期脉冲谱的傅立叶级数知，所有脉冲都是离散谱，包含的谱线的频率点相同，只是不同类型脉冲，相应频点上幅度不同。从能量、功率和功率谱等对其特点进行分析和对比，矩形波脉冲不但具有高功率，而且还具有陡峭的上升、下降沿，在矩形波脉冲信号功率谱中，脉冲的功率以及脉冲的频带宽度均可由信号的占空比来决定，也就是说调整矩形波脉冲的占空比，可以兼顾到功率和频率两方面的考虑。鉴于以上因素，工程中在做微放电测试时常使用矩形波脉冲。对于脉冲周期为T=1ms，脉宽为τ=0．1ms的矩形脉冲波(其中fτ=1τ=10kHz为带宽)，其双边频谱如图3所示，图3中脉冲的主要频谱分布在主瓣内，即功率主要集中在主瓣，也就是频率fτ以内。根据上述数学分析计算可得矩形脉冲功率分配如表1所示。由表1可以看出，在100fτ以内，脉冲谱能量已经占了总能量的99．9%，即可以认为100fτ以外主要为噪声，所以在100fτ之后加入辅助载波，可以有效地减少脉冲频谱对辅载波与脉冲谱互调产物测量的影响。即辅助载波频率f1应在f0+100fτ≤f1≤2f0－100fτ范围内选择，且靠近f0一侧。

2．2．2微放电建立时间T20与载波频率的分析微放电的建立需要一定的时间，ESTEC经由计算机模拟结果与实验结果修正得到了微放电过程的建立时间为“20-gap-crossing”，即20个电子的间隙渡越过程，计算公式为:T20=(20×微放电阶数)÷(2×载波频率)［6］对于一阶微放电而言，T20也就是10个射频载波周期。假设被测件的测试频率为1GHz，根据T20公式可知，建立微放电至少需要10ns时间，由于实际测试中为了确定测试功率电平下微放电足够时间建立，同时鉴于高重复周期脉冲难度大，所以实际中选择脉冲的脉宽在微秒数量级。例如，对于C频段的功放，要求输入脉冲脉宽τ＞100μs，这样由矩形脉冲频谱分析得知在100fτ处，载波频率与辅助载波间隔1MHz。鉴于上面对加入辅助载波条件的分析，具体测试可以根据使用的频段计算间隔频率(f0与f1差值的绝对值)，即辅助载波可以在f0±100fτ与2f0±100fτ之间根据使用条件灵活选择，在一定频段加入的辅助载波具有普遍适用性。

3结论

由以上的分析可知，新方法在理论上可以灵敏可靠的检测微放电，在试验中的使用效果还有待进一步验证。后面还需要研究不同测试频率，辅助载波频率及功率选择的规则，并与其它检测方法相比较，设法推广至工程实践应用。同时，加入辅助载波思想的提出，在目前仅依据载波信号的相关变化来检测微放电的基础上，为微放电检测提出了新的思路，对微放电的检测方法的研究有一定的指导意义。

作者：魏焕马伊民单位：中国空间技术研究院西安分院