1.1.2 微放电产生的条件
根据微波部件表面材料成分与结构的不同，微放电效应有多种形式，典型的微放电现象有：①金属谐振结构中的双表面微放电；②包含介质结构的单表面或金属与介质混合的介质微放电。
对于真空环境，电子在电磁场中运动时，平均自由程往往大于微波部件中电磁场强度最大区域的最窄间距。因此，当电子以一定能量和角度与微波部件碰撞时，将发生二次电子发射（Secondary Electron Emission，SEE），若碰撞时发射的二次电子数量总是大于碰撞吸收的电子数量，且发射的二次电子总能跟上电磁场的相位变化频率，不断获得能量与加速，则发生电子雪崩效应，即所谓的微放电效应，此时电子数目随时间呈指数增长，如图1-1所示。
图1-1 双金属表面微放电发生过程示意图
（a）初级电子在电场作用下加速；（b）初级电子碰到器件表面产生二次电子，并在反向电场作用下向器件另一侧内壁运动；（c）、（d）二次电子在反向电场作用下再次碰到器件表面产生二次电子，直到发生电子雪崩
对于介质微波部件而言，考虑到介质表面电荷积累，微放电过程比金属微放电复杂得多。当电子碰撞到介质材料表面时，如果出射电子少于入射电子，如图1-2（a）所示，则在介质材料表面积累负电荷；如果出射电子多于入射电子，如图1-2（b）所示，则在介质材料表面积累正电荷，经过一段时间后介质材料表面会积累大量正电荷。介质材料表面带电不仅对二次电子发射物理过程产生影响，同时影响出射电子在空间中的运动轨迹，因此介质微放电是一个复杂的耦合作用过程。
由上述过程可知，理想条件下微放电效应的建立，需要满足以下几个条件。
图1-2 介质材料表面带电原理示意图
（a）介质带负电荷；（b）介质带正电荷
［注：图中E1、E2为二次电子发射系数等于1时入射电子第1和第2能量点
（射频周期作用积累下的效果）］
1.1.2.1 真空条件
微放电发生的基本条件之一是电子的平均自由程足够长，使得电子在微波部件中发生两次碰撞之间加速时与周围的原子或分子碰撞的概率很小。电子的平均自由程是电子与气体分子相继发生两次碰撞之间所运动的平均路程。在标准大气压（101.3 kPa）和室温（298 K）条件下，忽略空气中稀有气体和其他组分，只考虑空气中气体组分79%的氮气与气体组分21%的氧气，电子的平均自由程计算公式如下：
式中，k B为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10-23 J／K；T为气体的温度环境（K）；r为气体分子的半径（m）；P为当前的气体压强（Pa），可以计算出与大功率微波部件尺寸相当的分米级电子平均自由程的气压P不大于10-3 Pa，即我们常规定的微放电试验要求真空度不大于10-3 Pa。
可以看出，对于不大于10-3 Pa的气压下，电子的平均自由程在10-1 m量级，与微波部件尺寸可比拟，满足微放电发生的必要条件。
1.1.2.2 自由电子源
要产生微放电，需要有初始电子源，可能的源有以下几种。
1.自由电子
在低地球轨道上（1 000 km以下），有很多自由电子源，可以达到较大电子密度，其中包括太阳电磁辐射、太阳热辐射、带电粒子辐射、电离层等，在750 km的高度以上，电离层电子的密度一般可以从108／m3开始变化，根据太阳活动和卫星位置而不同，诱发卫星环境产生污染、静电等变化，如图1-3所示，辐射等可穿透卫星，引发微波部件内自由电子。
图1-3 太阳事件引发卫星事件过程示意图（见彩插）
2.场发射
如果导体表面的电场强度足够，而且电场的方向是使电子加速离开表面的，那么表面的势垒便会很窄，有可能产生电子隧道。尽管要达到足够的电流密度需要极高的场强（109～1010 V／m），但是表面的不规则性、表面的氧化和尘垢污染可以在极低的场强下使得发射显著增强。研究发现，被擦伤的铝表面就有场发射的可能性，对于这种材料来说，就不需要有额外的自由电子。
3.光电发射
这里包括外界的电磁辐射和粒子辐射所产生的电子。
4.航天器排气
航天器上所用电缆的非金属外皮、黏结剂、热控涂层和填料等，在真空状态下会因扩散和脱附作用放气，并产生质量损失，其中一部分可能在较冷的表面重新凝结，并对航天器设备造成污染。这种污染往往会长期残留在航天器附近，这些分子容易被光电发射产生的电子电离，从而提供引起微放电的自由电子。
1.1.2.3 材料的最大二次电子发射系数大于1
微放电效应发生的一个基本条件是材料的二次电子发射系数最大值大于1。如表1-1所示，常用的典型航天材料的最大二次电子发射系数均大于1。二次电子发射系数不仅与材料有关，而且与初级电子入射能量有关，而初级电子的入射能量取决于外加射频信号的功率以及初级电子在两次碰撞之间获取的能量。因此，当外加射频信号的功率较小时，初级电子的入射能量较低，无法激发较多数量的二次电子，微放电效应难以建立。当外加射频信号功率非常大时，初级电子的入射能量较高，穿入表面很深，以至于产生的二次电子被材料内部分子、原子捕获而无法到达表面，无法激发足够的二次电子发射，因此外加射频信号的功率必须在一定范围内才能激发微放电效应。
表1-1 典型材料的最大二次电子发射系数σm ax
1.1.2.4 二次电子的渡越时间是微波信号半周期的奇数倍
微放电发生的最后一个条件为从材料表面出射的二次电子的渡越时间应当是微波信号半周期的奇数倍（1倍、3倍、5倍等，即1阶放电、3阶放电、5阶放电等，目前常用微波频段与功率条件下出现1阶放电，毫米波和太赫兹频段更容易出现高阶放电），使得出射的二次电子在电磁场的作用下总能够获得加速并进行下一次的碰撞，持续发生电子谐振倍增。但是，近年来关于单边微放电和多载波微放电的研究表明，在特定条件下在足够长的单周期内也有可能发生微放电。因此，需要注意的是：该必要条件在特定条件下不再成立。航天器大功率微波部件均满足以上微放电效应建立的条件，极易发生微放电效应，涉及通信、导航和遥感卫星等航天器。
根据微放电传统分析理论，微放电阈值与微波信号的工作频率和部件间隙尺寸之积（f×d）紧密相关。平行板间的微放电阈值与f×d的关系如图1-4所示，可以看出f×d越小，微放电阈值越低，尤其在低频段，即使d很大，微放电阈值仍很低，微波部件在很小的功率条件下就会发生微放电效应。
图1-4 平行板间的微放电可能发生区域