3.3.3 美国微放电检测标准
为减少航天器部件内射频击穿，美国组织多位在政府和航空航天工业的从业人员编写了《防止航天器部件中的射频击穿标准／手册》（TOR-2014-02198）微放电检测标准化流程，于2014年发布。该标准面向组件设计人员、卫星系统工程师以及客户群体，提供了最坏情况下的条件、余量要求，并使用最先进的方法对这些要求进行验证。此外，还提供了推荐的分析方法和举例说明，以确保对所有易受射频故障影响的卫星射频部组件进行微放电验证。该标准涉及微放电及其检测的多方面内容，这里主要介绍与中国标准和欧洲标准不同的3个方面的内容：微放电最低标准、微放电系统分析要求、微放电测试验证需求，其他详细内容参见参考文献［8］。
3.3.3.1 微放电最低标准
美国的微放电标准对最小微放电标准明确定义了适用范围为：最低频率为5 MHz且微波部件内部射频电压峰值大于5 V的部组件（这里称为5 MHz／5 V规则）。由于电压是微放电击穿定义的参数，因此不适用于部件工作的最小功率水平，必须使用局部场分析来确定实际微波部件几何结构中的特定电压。对于低于5 MHz／5 V的微波部件，不需要考虑微放电。
1.微放电敏感频率的选择
对于射频系统内的每个敏感间隙，应评估在不同频率下的微放电击穿情况：
（1）射频带宽内最低的单载波信号。
（2）如果任意几何结构的f×d在带宽内最低的单载波信号下均小于0.5 GHz·mm，则在射频带宽内最高的单载波信号处进行评估。
（3）对于大带宽系统，如果可能的频率范围大于0.5 GHz·mm／d max mm，则应在频率步长范围内评估每个间隙：
如果在最低和最高的单载波信号之间可能存在更敏感的f×d和电压组合，则应考虑在可用带宽内评估其他频率。
2.微放电间隙
满足5 MHz／5 V规则的所有元件和传输线类部件，其内部结构的每一处间隙都应独立评估微放电的发生风险。满足5 MHz／5 V规则的金属-金属、金属-介质、介质-介质部件（其内部包含开放的未填充的间隙，且在两个表面之间可能有微放电电子运动轨迹涉及的范围），都需要考虑微放电发生的风险。目前双表面微放电是常见的微放电，在特殊情况下（如磁性器件或直流偏置系统内）可出现单表面微放电，典型的航天器系统中也有可能出现单表面微放电。
在设计和分析中，需要检查所有可能的间隙，包括那些因公差变化产生的间隙，因为几何公差的微小变化可以引起微放电阈值的显著变化。
3.最小频率间隙乘积（f×d）准则
对于较低的f×d，在物理上有一个截止点，即它有可能不满足电子倍增微放电的标准，这种现象被称为f×d截止或f×d min，而这主要依赖于二次电子发射系数（SEY）。f×d min正比于 
，即SEY曲线的第一交叉点能量值的平方根，具体如图3-10所示。参数f×d min也被称为间隙过小，典型的结构如图3-11所示。具体参考准则为：
（1）f×d＜0.5 GHz·mm，可不考虑微放电击穿。
（2）f×d＞0.5 GHz·mm，且满足5 MHz／5 V规则，需要考虑微放电击穿问题。
3.3.3.2 微放电系统分析要求
在考虑波形（单载波、调制波、多载波）、部件损耗、系统电压驻波比和故障的情况下，可计算施加到大功率链路中各部件的最坏情况瞬时峰值功率和平均功率，应用这些值可以推导平均功率和峰值功率的测试要求，以及在确定微放电和电离击穿余量时计算出内部最大电压。
图3-10 f×d m in实际值由SEY曲线的第一交叉点能力决定
图3-11 f×d m in以下无微放电区域图（见彩插）
在图3-12所示的单载波情况下，本节提供了确定射频系统中每个组件的边界射频功率的要求。在这个例子中，最坏情况下放大器的输出功率是确定的，当该功率通过下游不同的组件时，这个功率通过组件损耗而降低。同时，在假设同相电压增加时，下游驻波比将导致组件内的电压升高。所有这些系统参数都是可测量和可预测的，在确定易受射频击穿影响的系统中每个组件的适用功率时，应包括这些参数。
图3-12 单载波射频系统的例子
（其中组件N必须进行微放电故障评估）
为了确定可能影响系统部件电压的条件，应考虑故障条件。这些条件可能源于失效部件引起的驻波、非预期冗余开关矩阵配置、超速场景、从下游窄带组件反射回来的非预期带外功率、非预期热条件、测试系统或程序故障或所分析系统的其他特定条件。测试功率限制应只考虑单一故障情况，而不考虑多个同时发生的故障的累积影响，所考虑的故障条件应是可靠的和可恢复的，如果故障是不可恢复的，则无须考虑。
1.测试电压驻波比的环境
在工厂测试期间，部件可能暴露在不同于操作环境的复杂环境中，在指定测试功率时必须考虑这些因素，包括由于连接或测试设备条件，如测试电缆和不完全负载而导致的匹配条件差。与天线一起测试的组件在测试中需要特别考虑辐射环境。在确定下游组件的反射功率时，吸收体不完全失配和在热真空环境中多重反射应予以考虑。
2.其他地面测试注意事项
当指定可以输出气体或受热载荷影响的部件的功率处理时，应指定平均功率（热）和峰值瞬时功率（调制、多载波）条件。
在地面测试中，一些高度谐振的部件在真空环境下可能比在一个大气压的湿度水平下能承受的功率更大。在指定测试条件时，应注意检查真空操作功率处理和地面测试功率处理条件。
被测设备应进行通风，以确保内部压力低于1.33×10-2 Pa，以避免电离击穿。确保达到要求的内部压力所需的时间，应增加到真空静置时间，同时设备中的每个空腔都应有单独的通风装置。在可能的情况下，该设备中具有对微放电敏感的间隙，则需要进行局部通风以适应可能的局部诊断方法。应该设置通风孔，以便直接通风到真空区域。
通风速率是由设备或空腔容积除以该区域的所有通风的总真空电导的比值定义的。为了适应早期运行或更高的热负荷时可能发生的释气，应将足够的排气口纳入，以使排气率最大化，防止足够的压力上升到电离击穿的压力阈值。最初的在轨运行应该考虑出气率和可能的功率配置的调整，以允许不断地释气和随后的内部压力降低。
3.3.3.3 微放电测试验证需求
微放电测试需要模拟飞行状态，因此测试条件严格，这里介绍微放电测试需求验证的最低标准。
1.击穿检测方法
应通过全局和／或局部诊断的方式检测微放电现象。全局诊断被定义为对检测设备和被测设备中发生的微放电的检测。这种诊断方法通常不能确定微放电故障的具体位置。局部诊断被定义为直接从微放电电子群中或局部等离子体中探测局部电子电流或光电发射。
微放电测试所需的检测方法应包括：
（1）至少两种高灵敏度全局微放电检测方法。
（2）如果可能，至少一种高灵敏度局部微放电检测方法。
微放电测试所需的监控设备应包括：
（1）入射功率监控（峰值功率和平均功率）。
（2）反射功率监控（峰值功率和平均功率）。
（3）输出功率监控（峰值功率和平均功率）。
（4）测试单元温度。
（5）腔体压力。
若需要定位微波部件内部放电位置时，应进行局部诊断。在部件设计时，应考虑在微放电敏感位置附近设置通风孔，以便提供局部诊断通道。对微波部件内部无法定位放电位置的完全填充的、密封的或完全介质加载的设备，不需要进行局部诊断。
2.测试装置验证
在飞行件进行微放电余量验证的测试之前，应首先验证测试装置在测试功率以上无微放电现象或故障问题发生，确保微放电检测验证试验能在可靠测试装置进行。
（1）设置验证：在没有连接被测部件的情况下，在测试频率输入时设置验证要求加载大于要求的测试功率，以验证测试组件、系统等不发生微放电现象。除非存在特定的问题，设置验证可以在环境温度下进行，不应有微放电击穿的现象。
（2）已知的击穿设备：一个已知微放电击穿阈值的微放电设备应在与被测设备相同的测试配置中进行测试。验证试验应与被测装置以相同的频率进行。成功检测击穿的证据应至少通过两个高灵敏度的全局诊断以及任意局部诊断同时证明。在飞行单元测试之前和之后，应证明使用已知微放电设备成功检测到击穿。
3.脉冲测试
（1）占空比：为了利用测试验证微放电的余量，平均最大功率将超过指定的3 dB余量。对于连续波器件，在3 dB的平均连续波功率下测试该器件可能会对器件产生过大的热应力。在这种情况下，应使用一定占空比的脉冲测试，使最坏情况的平均功率（0 dB）和3 dB水平的峰值功率相匹配。3 dB余量的情况相当于50%的占空比。平均功率应保持在0 dB功率水平，但有一个例外，即当标称占空比无法达到极端低温时，可以降低占空比。
（2）脉冲长度：对于特定测试频率，最小脉冲长度应大于10 000个射频周期。在任何情况下，脉冲宽度不得小于1μs。所选脉冲宽度的可检测性应由已知击穿装置来确认。对于测试配置的加载种子电子水平低于在轨的测试配置（如实验室采用的辐射源），应该考虑允许更长的脉冲长度进行测试的例外情况。较长的脉冲长度可以降低对种子电子的敏感性，并为常见诊断提供更多的时间响应。
4.加载种子电子
加载种子电子被定义为将自由电子引入被测设备内的局部微放电敏感区域。在微放电测试中，对测试条件的加载种子电子的最低要求为：脉冲测试条件下，当脉冲宽度小于1 ms或占空比小于5%时，需要加载种子电子；CW测试可不用加载种子电子，但在可能的情况下建议使用。
电子种子源应向击穿风险区域提供局部电子，强度的考虑应包括放射性同位素的选择、被测设备外壳材料、壁厚以及对内部几何结构的物理方位。
5.真空
在进行热真空循环微放电测试之前，所有组件都应在航天器测试环境即大气（非干氮气）中至少暴露24 h。其他热真空测试应与微放电测试的热真空循环分开进行。对于初始真空室抽气降压，一旦真空室压力达到6.55×10-3 Pa，为了降低电离击穿的风险，在给被测设备通电之前，部件应在小于6.55×10-3 Pa的压力和环境温度的真空室内静置至少12 h。对于含有挥发性化合物或不明确的排气路径的产品，可延长真空静置时间。当施加射频功率时，在测试的任何部分中，真空腔室压力不得超过6.55×10-3 Pa。由于电离击穿的风险，超过这个压力点将重新启动真空静置期。
6.温度要求
真空静置期间以及射频功率施加之前，被测设备和基板温度不得超过射频工作前在轨部件最大温度或环境舱室温度的较大值。在部件微放电水平测试中，需要具有代表性的飞行热循环剖面。设备应在施加射频功率的情况下进行热循环。温度极限应由设备的适用验收、原型飞行、原型确认或确认温度来确定。
在一个温度下的最小停留时间应该是在热稳定之后至少10 min，斜率至少应与操作预测一样快。对于热剖面测试条件，设备应在冷极端温度下测试，然后在热极端温度下测试。这是为了在第一次在轨应用射频功率的基础上保持边界和飞行测试条件所必需的。
7.数据采集
在整个测试过程中，应持续监控和记录上述列出的所有项目，以便测试后评审。检测方法（局部和全局诊断）的数据采集速率应足以测量在单个脉冲内发生的瞬时微放电事件。其他参数，如温度和压力，应在测试期间以相对于变化速度的合理速率进行监测。
8.合格／不合格标准
合格／不合格标准是特定被测设备的属性和所选择的检测方法，并应针对该检测方法进行规定。射频击穿应通过至少两个全局诊断方法或一个局部诊断方法同时检测来表明。同时，超过预定阈值的任何持续时间的增加应被认为是射频击穿的确定痕迹。阈值水平应在测试文件中规定，在检测报告中应包含对单个全局诊断的检测。
为了通过测试成功地验证余量，应提供完整记录的历史数据，以便在不同时检测任何位置击穿的条件下验证部件性能。此外，还应提供在已知故障装置上成功检测的证据。
对于不能持续或难以重复的短脉冲微放电或电离击穿，应根据等价条件进行充分考虑和评估。如果判定可能发生放电击穿确认痕迹或测试失败，在未通过的被测产品上进行的后续测试不能被认为可以免除原故障。