微放電檢測新方法研究范文

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《空間電子技術雜志》2015年第一期

1微放電檢測方法分析

盡管國內外對微放電的測試已經(jīng)研究出了幾種檢測方法，常用的有近載波噪聲檢測、諧波檢測和反射功率檢測［5］，但是這些檢測方法主要都是針對連續(xù)波測試，對于大功率微波器件，使用脈沖的測試的還存在一定局限性。下面將對其進行分析，對于在脈沖工作條件下的性能將重點分析。

1．1近載波噪聲檢測微放電會增加載波附近頻率的噪聲。鑒于微放電可以導致載波附近頻段內噪聲電平的抬高，通過尖銳窄帶濾波器，濾除載波后在其附近頻段內噪聲電平的提高可以用頻譜儀檢測來判斷是否發(fā)生放電。所以這種方法可以靈敏的檢測到放電。這種方法可以應用于單載波或多載波信號，但是這種方法如果用于脈沖就比較困難，若脈沖長度和形式選擇不當，則脈沖會在測試頻段內產生諧波，這樣就很難濾除脈沖頻譜分量及其諧波，從而難以確定底噪的變化。由于需要尖銳的窄帶濾波器濾除載波，可以看出這種檢測方法對頻率有很強依賴性，建立系統(tǒng)比較復雜。同時，測試系統(tǒng)中如N接頭松動也會導致類似放電的噪聲，還有許多不同的原因會導致噪聲。因此，這種方法需要與其他檢測方法一起來檢測判斷是否放電。

1．2諧波檢測微放電會導致非線性，從而產生低電平諧波分量。在這種情況下會檢測到許多不同的頻率，但是三次諧波總是會存在的，因此對諧波進行檢測是一個非常好的選擇。這是一種非常快而且可靠的檢測方法，在進行多載波微放電檢測時適合選擇這種檢測方法，因為在多載波情況下微放電現(xiàn)象的發(fā)生時間非常短。但是它不適用于脈沖工作條件下，因為諧波很容易被系統(tǒng)與被測件的本征諧波和脈沖的諧波分量以及無源互調(PIM)信號所掩蓋。在實際應用中，隨著使用的頻率提高，諧波檢測法對檢測設備提出了更苛刻的要求，對于使用帶來了條件限制。

1．3反射功率檢測在不同的微波部件中(例如在同軸電纜和微波設備之間)的失配會導致反射功率，在一個良好設計的系統(tǒng)中，對每一個不同部件間的匹配連接進行了良好的設計后，反射功率一般很小。高Q器件只是在一個特定頻率(或者幾個特定頻率)上良好匹配，如果器件的性能變動很小，將導致器件的失諧和匹配能力的下降，從而導致反射功率的增加。微放電是一種會導致高Q器件失諧的現(xiàn)象，從而產生較高的反射功率，通過測量正向和反向功率可以判斷是否發(fā)生了放電，或者把正向和反向功率送入調零單元，通過觀測調零電平的變化也可以靈敏的判斷是否放電。這種方法很可靠，因為在一個良好匹配設計的系統(tǒng)中，幾乎沒有可能造成失配。但是對于低Q器件和匹配較差的器件，這種方法靈敏性較差，甚至在被測器件表面有污染或者被測件有損耗時，這種方法會出現(xiàn)誤判。例如，現(xiàn)在常用的前后向功率測試以及調零測試盡管可以檢測出被測件是否發(fā)生了放電，但是當被測件有損耗或者表面有污染時，也可能會誤判為放電。由以上對于3種常用微放電檢測方法的分析可知，目前的檢測方法都可以在一定程度上檢測出被測件是否發(fā)生放電，但是都存在一定缺陷，因此對于微放電檢測方法還有待進一步的研究，尤其對使用脈沖檢測大功率設備微放電需要重點研究。在此基礎上，本文提出一種改進的檢測方法，在脈沖工作條件下可以相對靈敏可靠的檢測微放電，下面將對這種方法詳細介紹。

2脈沖工作條件下利用輔助載波檢測微放電方法

2．1檢測方法的介紹脈沖本身頻譜復雜，且通過測試系統(tǒng)時會發(fā)生變化。例如，脈沖在測試設備連接處因為匹配不好而反射一部分能量，也會在通過系統(tǒng)時被設備和器件吸收一部分而轉換生成熱量，發(fā)生放電時也會發(fā)生與噪聲能量的轉移，從而導致脈沖頻譜的不確定性。因此，在測試頻段內很難通過觀測脈沖頻譜變化來檢測放電。由于已有的方法對脈沖工作條件下微放電測試存在一定問題，本文提出在脈沖工作條件下加入輔助載波的檢測方法。該方法提出在測試頻段內距離脈沖載頻一定距離處加載一個輔助載波，利用微放電非線性，通過檢測脈沖頻譜與輔助載波的互調分量來判斷是否放電。首先，互調分量是從無到有的變化，通過觀測互調分量的變化可以靈敏地檢測出是否發(fā)生了放電;其次，這種通過觀測放電前后互調分量的變化可以消除系統(tǒng)本身互調分量的干擾，這樣可以可靠地檢測出是否發(fā)生了放電。由上面的分析可知，新的檢測方法從理論上可以靈敏可靠的檢測微放電現(xiàn)象。圖1給出了這種方法的原理圖。圖1中，脈沖發(fā)生器產生選定重復周期與占空比的脈沖信號調制在載波信號(調制信號源1)上，與輔助載波(信號源2)經(jīng)功率合成器合成后送入行波管放大器，經(jīng)放大后的合成信號送入真空罐中的被測件，輸出信號再經(jīng)定向耦合器送入帶通濾波器，帶通濾波器中心頻率為2f0－f1(即調制脈沖載波與輔助載波的三階互調頻率)，帶通濾波器濾出脈沖與輔助載波的通帶內的互調分量，再輸入功率計測量互調分量通帶內的功率，即認為是互調分量功率。由于發(fā)生微放電前，通帶內主要為噪聲功率，放電后互調分量從無到有，互調分量具體的功率變化幅度與加入的輔助載波功率有關，因此，測量互調分量通帶內功率的變化就可以判斷是否發(fā)生了放電。檢測方法示意圖如圖2所示(圖中橫坐標數(shù)值表示偏離脈沖調制載波的相對值，縱坐標的數(shù)值僅為表示頻譜幅度的為相對量)。圖2中，調制脈沖頻譜加入輔助載波后，若發(fā)生放電，在輔助載波關于脈沖調制載波的對稱位置會出現(xiàn)互調頻譜，帶通濾波器濾出互調頻譜，測量互調頻譜的功率就可以判斷是否發(fā)生了放電。在這種檢測方法中，輔助載波頻率的選擇是難點，后面將詳細分析輔助載波選擇的條件。

2．2輔助載波選擇的條件由于被測件一般都是帶寬有限的器件，所以輔助載波頻率f1選擇上要靠近脈沖的載波頻率f0，但是其又不能太靠近載波頻率，因為脈沖譜分布頻段很寬，太靠近會使放電導致的互調頻譜與脈沖頻譜混合而難以分辨。因此，輔助載波頻率選擇要既能通過被測件，又能方便準確檢測互調分量。下面介紹輔助載波選擇的具體條件。

2．2．1脈沖譜的能量分布問題考慮一般周期信號為T的周期函數(shù)fT(t)。由于周期信號fT(t)可展開成指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)。分析周期脈沖譜的傅立葉級數(shù)知，所有脈沖都是離散譜，包含的譜線的頻率點相同，只是不同類型脈沖，相應頻點上幅度不同。從能量、功率和功率譜等對其特點進行分析和對比，矩形波脈沖不但具有高功率，而且還具有陡峭的上升、下降沿，在矩形波脈沖信號功率譜中，脈沖的功率以及脈沖的頻帶寬度均可由信號的占空比來決定，也就是說調整矩形波脈沖的占空比，可以兼顧到功率和頻率兩方面的考慮。鑒于以上因素，工程中在做微放電測試時常使用矩形波脈沖。對于脈沖周期為T=1ms，脈寬為τ=0．1ms的矩形脈沖波(其中fτ=1τ=10kHz為帶寬)，其雙邊頻譜如圖3所示，圖3中脈沖的主要頻譜分布在主瓣內，即功率主要集中在主瓣，也就是頻率fτ以內。根據(jù)上述數(shù)學分析計算可得矩形脈沖功率分配如表1所示。由表1可以看出，在100fτ以內，脈沖譜能量已經(jīng)占了總能量的99．9%，即可以認為100fτ以外主要為噪聲，所以在100fτ之后加入輔助載波，可以有效地減少脈沖頻譜對輔載波與脈沖譜互調產物測量的影響。即輔助載波頻率f1應在f0+100fτ≤f1≤2f0－100fτ范圍內選擇，且靠近f0一側。

2．2．2微放電建立時間T20與載波頻率的分析微放電的建立需要一定的時間，ESTEC經(jīng)由計算機模擬結果與實驗結果修正得到了微放電過程的建立時間為“20-gap-crossing”，即20個電子的間隙渡越過程，計算公式為:T20=(20×微放電階數(shù))÷(2×載波頻率)［6］對于一階微放電而言，T20也就是10個射頻載波周期。假設被測件的測試頻率為1GHz，根據(jù)T20公式可知，建立微放電至少需要10ns時間，由于實際測試中為了確定測試功率電平下微放電足夠時間建立，同時鑒于高重復周期脈沖難度大，所以實際中選擇脈沖的脈寬在微秒數(shù)量級。例如，對于C頻段的功放，要求輸入脈沖脈寬τ＞100μs，這樣由矩形脈沖頻譜分析得知在100fτ處，載波頻率與輔助載波間隔1MHz。鑒于上面對加入輔助載波條件的分析，具體測試可以根據(jù)使用的頻段計算間隔頻率(f0與f1差值的絕對值)，即輔助載波可以在f0±100fτ與2f0±100fτ之間根據(jù)使用條件靈活選擇，在一定頻段加入的輔助載波具有普遍適用性。

3結論

由以上的分析可知，新方法在理論上可以靈敏可靠的檢測微放電，在試驗中的使用效果還有待進一步驗證。后面還需要研究不同測試頻率，輔助載波頻率及功率選擇的規(guī)則，并與其它檢測方法相比較，設法推廣至工程實踐應用。同時，加入輔助載波思想的提出，在目前僅依據(jù)載波信號的相關變化來檢測微放電的基礎上，為微放電檢測提出了新的思路，對微放電的檢測方法的研究有一定的指導意義。

作者：魏煥馬伊民單位：中國空間技術研究院西安分院