4.2.1　检测输入信号

微放电测试中，对于工作于连续波情况的微波部件，微放电测试试验采用单载波的方式测试，测试功率采用通道中的额定功率，考虑到部件后期可能存在的不确定性因素导致阈值下降，同时考虑到航天产品寿命，需要在单载波信号的基础上加上合适的脉冲信号，使得加载在待测件的峰值功率满足3 dB或者6 dB余量的要求。

在宽带、大功率通信卫星系统中，为了保证高功率微波放大器的线性度，一般会将通信带宽划分为多个通道，每个通道采用不同的载波和带宽，从而合成一个宽带的多载波信号，航天器有效载荷传输的多载波信号是将基带信号通过某种调制方式调制到多个载波上进行通信的，所以多载波合成信号与载波配置、调制方式、基带信号均密切相关。载波配置包括载波数、载波频率间隔、载波功率分布和载波相位分布四个参数，它们是多载波信号合成的基础。多载波信号包络特性研究是研究多载波微放电的入手点，需在实现任意多载波信号合成的基础上，分析不同多载波参数对信号包络特性的影响。通过数值计算软件，可将不同载波数、载波频率间隔、载波相位分布的各载波信号进行相加，完成信号合成。对于确定的多载波配置，多载波信号的功率包络取决于各个载波间的初始相位。因此，还需要开展多载波工作状态下的测试试验，但是受测试仪器设备限制，多载波微放电试验一般难以开展，需要通过多载波微放电理论分析与充足余量来确保多载波状态下部件不发生微放电。

大功率微波部件工作在单载波情况时，内部电压的幅度是恒定的，一旦超过微放电阈值电压，二次电子数目将呈指数级增长。当大功率微波部件工作在多载波情况时，部件内部合成电压受载波幅度、相位、频率等因素的影响而随时间变化，只有在部分时间内，合成电压的幅度超过微放电阈值，二次电子数目呈间歇式增长，因此多载波微放电的情况更为复杂，二次电子的运动累积过程难以用传统单载波的理论计算得到。

根据经典的单载波微放电理论，在平行板结构中，二次电子的谐振条件为其渡越时间是半射频信号周期的奇数倍，即nπ，其中n＝l，3，5，7…，其中n称为微放电的“阶数”。例如，一阶微放电对应于二次电子穿过间隙的渡越时间等于半个射频周期。微放电阶数可以表示为外加电压和工作频率乘以间隙宽度（即f×d）的函数。

该理论定义了微放电阈值V B，即可以引发微放电的电压最小值。V B是关于f×d和表面二次电子发射系数的函数。

ESA的多载波微放电“20-gap-crossing”设计规则为：多载波信号包络大于上述阈值电压的时间等于或大于T20时，微放电极有可能发生。其中，T20＝10n／f m，n为微放电的阶数，f m为多载波信号的中心频率。在多载波情况下，如果二次电子倍增的持续时间不超过20个电子渡越时间，则微放电引起的噪声将低于热噪声，可认为微放电未能有效建立。

ESA认可的多载波微放电“20-gap-crossing”规则中，P20功率经常被用于判断多载波微放电的发生。P20功率有多种定义，其中典型的定义为：多载波信号波形在单载波阈值功率处信号包络宽度达到20倍电子渡越周期（T20）时的峰值功率。对于多载波合成的大功率信号，其多载波信号包络一般部分大于阈值电压，部分小于阈值电压。前者满足二次电子逸出条件，总的二次电子数量指数增加；后者不满足二次电子逸出条件，二次电子被逐步吸收。

在很多情况下，微波部件都可能工作于多载波环境下，而瞬态的峰值功率明显高于微放电的阈值。特别是如果没有初始电子，并假设不存在上面提到的长期累积放电条件，部件工作了很多个小时，但是通过快速上升沿检测器却检测不到任何现象。因为在一个瞬态中产生的放电在下一个瞬态峰值之前已经衰减掉了，所以每个高于阈值的瞬态峰值与下一个峰值是完全独立的。有时也可能发生这样的情况，一个有初始电子源的微放电事件在一个大功率峰值刚开始的时候就发生了，也有足够的放电量累积，以使该微放电事件能够被检测到。这些独立的瞬态事件在理论上是存在的，并且在试验中能够检测到，只是由于发生的时间特别短，受限于检测设备灵敏度而有一些困难。

关于多载波微放电试验还在探索中，因为多载波微放电检测系统涉及多路载波、相位控制系统等，系统建设复杂且成本高。通过多年的分析研究，中国空间技术研究院西安分院设计了Ku频段多载波微放电效应研究平台，未来将不断探索多载波微放电分析与试验检测技术，第6章将详细介绍该研究平台。