4.4.2 微放电全局检测法
4.4.2.1 残余物质检测法
残余物质检测法是采用一个质谱仪，检测在放电过程中器件释放的污染物和出现的水分。由于用铝或带有涂层加工成的元件，在加工过程中，材料表面能吸收水分，发生微放电过程中材料表面吸收的水分被释放，同时包含有胶、环氧树脂和其他非金属化合物的那些合成元件将放出碳氢化合物气体。经过真空罐的接入端把质谱仪作为真空系统一个部分装入，用一个真空阀门来隔离明暗的质谱头，这样阻止在正常操作时和用特别不干净元件时所产生的不必要的污染。这种检测方法检测速度较慢，不能检测快速微放电瞬间，微放电发生和设备的检测有一定的时延。
4.4.2.2 近载波噪声检测法
微放电是一种谐振现象，并且会增加载波附近频率的噪声，如果能采取方法滤除载波，则在载波附近频段内噪声电平的提高可以被频谱分析仪检测到，其系统框图如图4-15所示，被测件输出信号通过定向耦合器后，耦合信号经过带通滤波器将载波附近的噪声滤出并在频谱分析仪显示，如果配上一个低噪声放大器联合使用，就是一种灵敏度非常高的检测方法。这种方法可以用于单载波或多载波信号，但不适用于脉冲模式下工作，因为脉冲会产生谐波，如果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。这种方法的另一个问题就是，其他导致噪声的现象会被误认为微放电现象的发生，如测试系统中接头松动等也会导致类似微放电的噪声产生。
图4-15 近载波噪声检测法系统框图
4.4.2.3 谐波检测法
谐波检测法是最可靠的检测方法之一。它是利用微放电产生输入信号的谐波分量来检测放电现象，其系统框图如图4-16所示，被测件输出信号通过定向耦合器后，耦合信号经过高通滤波器将谐波信号滤出并在频谱分析仪上显示。使用谐波检测法时，为了优化操作，在输入前端需要滤去高功率放大器和信号源自身非线性所产生的谐波分量，也需要在输出端很好地耦合微放电非线性作用，即信号产生的谐波分量。这种检测方法有多个优点：检测系统易于搭建，检测放电非常快而且可靠，尤其在多载波微放电发生时间非常短的条件下使用谐波检测法就非常有用。但是，这种检测方法与近载波噪声检测类似，可能会出现非微放电产生的谐波分量被误认为放电现象，因此，在使用中要与其他检测方法（不包括近载波噪声检测法）一起来判断放电。在实际应用中，随着使用频率的提高，对于检测设备提出了更苛刻的要求，带来了使用条件的限制。
图4-16 谐波检测法系统框图
4.4.2.4 前后向功率检测法
前后向功率检测法是通过用功率计观测被测件的反射功率和输入功率来检测放电现象，一般在微放电检测中都会监测被测件前后向功率来确定监测系统驻波比，因为只有合适的驻波比才能确保测试中功率放大器安全可靠地工作，具体实现原理框图可参考图4-17中对双定向耦合器正反向功率的监测。在不同的微波部件连接中失配会导致反射功率增大，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设计时反射功率很小，而高Q器件只是在一个特定频率（或几个特定频率）上良好匹配，如果发生放电的二次电子谐振现象，则会导致器件的失谐和匹配能力下降，从而导致反射功率增大，进而作为放电判断的依据。这种检测方法在一般情况下检测非常灵敏可靠，因为几乎没有其他情况造成失配，从而被误判为放电；而且在脉冲模式下可以很好地工作，因为不需要观测信号的频谱。但是，对于匹配较差的器件和低Q器件，这种检测方法的检测就不够灵敏。
图4-17 调零检测法系统框图
4.4.2.5 调零检测法
调零检测法，利用了微放电过程中放电对信号幅度和相位的改变的特性，也是目前应用中最灵敏的微放电检测方法。如图4-17所示，信号源产生微波信号，经过信号调制单元形成高电平和低电平可调的脉冲信号，通过微波功率放大器放大后，经过双定向耦合器耦合后，再经过密封波导窗（或密封同轴接头）进入真空罐内，通过波导（或同轴电缆）馈入被测件。将双定向耦合器耦合的正向、反向信号同时输入调零单元，通过调零单元的调幅调相使两路信号等幅反相，微放电现象发生时，调零状态破坏，可由频谱分析仪检测到。
图4-18显示了调零单元的工作原理：正向信号由定向耦合器的耦合端输入，经隔离器至可调衰减器、可调移相器，最终经功率分配合成器与反向输入信号合成输出。经过可调衰减器衰减的正向输入信号再经过相位调整，与反向输入信号幅度相同，相位相反，从而实现调零电平。只要前向和反向功率发生变化，就会导致调零状态变化，从而认为是发生了放电。
图4-18 调零单元示意图
由检测原理可知该方法通过调整的正向输入信号与反向输入信号经功率分配合成器合成后相互抵消，以达到调零的目的。当正向或反向输入信号的幅度或相位中的任一因素发生变化时，调零状态被破坏，通过示波器或者频谱分析仪可以清楚地分辨出来。用这种方法检测微放电，响应速度快，灵敏度高。随着技术的进步，调零检测法作为微放电检测的工程常用方法已开始逐步采用数字自适应调零设备。
这种检测方法非常灵敏，因为只要前向或反向功率发生一点改变，调零电平就会发生变化，从而可判断是否发生了微放电；并且调零检测法可以在脉冲模式下很好地工作。但是，这种检测方法在一些特定的情况下也会发生误判，如测试系统中接头松动，被测件有杂质，被测件温度变化引起的调零信号变化或者测试中波导系统晃动等都会造成反射功率发生一点变化，从而可能被误判为放电。针对这种情况，需要测试人员在检测中不停地调整调零信号，同时根据经验防止错误判断。
4.4.2.6 近载波相位噪声检测法
二次电子倍增是一种谐振现象，并且会增加接近载波频率的本底相位噪声，相位噪声检测法就是利用了这个原理。受仪器限制，脉冲工作模式下无法测试相位噪声，不宜工作在脉冲调制方式，因为脉冲谱与想要的信号之间互相干扰，不能可靠地检测到电子二次倍增现象。目前使用适当的相位噪声测试设备检测靠近载波的相位噪声可以应用在脉冲调制工作模式。
直接频谱法的测试原理是根据相位噪声的定义，分别测量载波信号功率和距离载波一定频偏处的信号在1 Hz分辨率带宽内的功率，这两个信号的功率差就是偏离该载波信号一定频偏处的相位噪声。图4-19测试使用的是一个双平衡混频器，以去除信号中幅度调制部分。利用一个混频器作为相位检测以测量噪声由于脉冲调制信号在时间上的不连续性，采用了时间门控的方法，将相位噪声的测量时间控制在门控信号有效的时间范围内，即首先在时域上将相位噪声的测量时间限制在一个稳定（脉宽）的时间内，然后再对其相位噪声进行测试。
图4-19 相位噪声测试原理图
相位噪声测试系统如图4-20所示，信号源产生射频信号，经过微波信号调制单元形成高电平和低电平可调的脉冲信号，通过微波功率放大器放大后，经过定向耦合器后，根据输出的正向耦合信号和反向耦合信号监测正反向功率的变化。再经过密封波导窗（或密封同轴接头）进入真空罐内，通过波导（或同轴电缆）馈入被测件。经过被测件的大功率信号，通过耦合到相位噪声测试系统中去检测近载波相位噪声信号的变化，从而检测是否发生微放电。
图4-20 相位噪声测试系统示意图
4.4.2.7 调幅检测法
调幅检测法原理框图如图4-21所示，是在输入前端将一个小调制度的低频信号幅度调制到射频信号送入测试链路，由于调幅深度低，在微放电发生之前，频谱只有载波信号和边频信号，其余分量几乎淹没在噪声中。微放电时，信号能量由载波和调幅边频信号向近载波噪声迁移。由于微放电的非线性作用，会引起近载波噪声增加，调制在其上的边频信号的谐波以更高幅度增大，从变化后的频谱中，可以清晰地观测到边频信号以及它的谐波变化，依据这种前后剧烈变化可检测微放电效应。
图4-21 调幅法检测微放电效应原理框图
图4-21中，频综信号源输出的幅度调制信号经连续波功率放大器后通过大功率隔离器送至被测件。通过被测件后的输出信号经过定向耦合器耦合口进入频谱分析仪，直通口接大功率负载。如果信号源带有幅度内调制，则可以直接使用一台信号源；如果没有幅度内调制，可以使用波形发生器和一台频综信号源的组合方式，产生幅度调制信号。连续波功率放大器可以使用固态放大器或行波管放大器，也可以根据使用的频段选用合适的微放电测试系统中的配套放大器。大功率隔离器是用来保护功放的器件，防止反射波较大时损坏功放。信号通过真空罐中的被测件后，输出信号不直接送入频谱分析仪，通过定向耦合器将一部分功率送入大功率负载吸收，主要是考虑到输出信号功率是大功率信号，超出了频谱分析仪的最大功率承受范围，因此在不影响频谱分析仪观测的情况下，必须通过耦合吸收一部分功率。在测试和试验前，必须精确计算链路的功率，防止损坏仪器，确保试验安全。
4.4.2.8 基于互调分量的检测法
工程应用中还有一种微放电检测方法，这种检测方法可以检测微放电现象，利用互调分量检测微放电的思想可以用于单载波、多载波和脉冲三种模式下的微放电检测。与调幅检测法原理相似，利用微放电发生会产生载波能量迁移到附近的信号上这个特性，通过在输入载波信号附近加入功率较小的辅助载波信号，观察放电前后辅助载波信号频谱的变化可以检测微放电现象，其实现原理框图如图4-22所示。
基于互调分量的检测法中，辅助载波的加入是关键。这里首先介绍为什么要加入辅助载波，再介绍加入什么样的辅助载波。在测试系统加入辅助载波主要有两个方面的原因。
图4-22 互调检测法的测试原理框图
（1）加入辅助载波的两方面原因。一方面，在脉冲调制下的微放电检测中，脉冲频谱本身复杂，且通过测试系统时会发生变化而具有不确定性，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是否发生放电。另一方面，加入辅助载波后会产生辅助载波与测试频率的互调分量，且由于微放电的非线性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；同时，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。
（2）辅助载波的加入需要考虑频率与功率两个因素。辅助载波的功率选择至少低于测试频率10 dB以上；在互调检测法用于脉冲调制工作条件下，辅助载波频率或者辅助载波与测试频率的间隔频率需要考虑很多因素，如被测件带宽、选择的脉冲脉宽、测试灵敏度等。