6.3.1　毫米波微放电发生机制和理论建模研究

基于传统的大功率微波部件微放电理论分析方法，微放电建立的过程主要取决于三个关键因素：①部件结构设计；②部件工作频率；③敏感区表面二次电子发射特性。毫米波太赫兹通信系统的发射机馈入前端主要包括传输线、滤波器、隔离器和功分器等大功率无源部件，是微放电、低气压放电和无源互调可靠性问题敏感部件。虽然毫米波部件相比更低频段部件其整体结构尺寸显著缩小，但是由于受到加工技术制约，最窄间隙结构尺度并不会显著变化，根据微放电发生机制对频率间距积（f×d）的基本依赖规律，毫米波太赫兹频段的窄间隙微放电阈值随频率增加而增加。

对大功率毫米波太赫兹部件直接进行微放电测试试验，将面临大功率射频连接真空穿舱技术的限制，目前关于该频段的可靠性问题研究，国内外报道仍然寥寥无几。2019年美国麻省理工学院在《Physical Review Letter》发表了关于介质110 GHz微放电测量研究结果，明确地证实了微放电阈值大于目前常用微波频段部件，该报道中采用了微波光学灌入信号到真空腔的试验方法，避免了射频信号真空馈入难题，提供了一种测试研究方法，并利用准光腔谐振结构对蓝宝石、熔融石英介质窗的毫米波频段微放电效应进行了原理性验证，发现了电场垂直和平行于介质窗的微放电效应具有显著差别，该研究揭示了电磁波模式不同将导致场分布及介质能量吸收的显著差别，从而严重影响微放电建立过程。但是，这种针对介质窗的工作场景与通信卫星典型大功率微波部件有较大差别，毫米波部件随着频率增加不可避免的高损耗问题如何影响微放电发生机制还是不清楚，毫米波周期小于10 ps量级条件下介质加载部件的空间电荷效应需要深入探讨，因此针对毫米波太赫兹部件典型结构开展微放电效应机理研究是非常必要的。

大功率毫米波及太赫兹频段低端无源部件的典型结构主要采用波导结构、精密机械加工腔体滤波器、介质加载谐振腔滤波器等，研究中将主要关注典型的波导、腔体滤波器以及介质加载谐振腔滤波器三种典型工作模式下的微放电效应问题，将基于传统微放电理论建立考虑波导传输线损耗、谐振腔能量沉积、介质表面带电以及材料表面性质的毫米波无源部件微放电发生机制和阈值预测理论。由于毫米波无源部件空间尺寸小及其所面临的精细加工技术制约，电磁波工作模式、材料表面性质、加工偏差对其微放电发生的影响将比传统微波无源部件更为显著，基于传统的二次电子谐振倍增理论的微放电阈值计算方法遇到了挑战。

在微放电效应建立机制和阈值预测方法研究中，关键的研究思路将聚焦为三个方面。首先，基于二次电子运动时间维度，基于蒙特卡洛方法追踪腔体结构中双边放电建立过程中的多代二次电子轨迹，获得二次电子能量分布对频率和相位的统计分布规律，重新考证传统的麦克斯韦分布假设。其次，基于毫米波太赫兹频段严重的表面损耗，将电磁波场分布、能量沉积与二次电子谐振倍增效应进行多物理场耦合数值求解，建立微放电发生动力学机制。最后，针对介质加载微波部件，考虑10 ps周期电磁场作用下电荷沉积过程及其与二次电子发射的耦合效应，建立考虑介质损耗条件下的毫米波无源部件微放电建立过程。在此基础上，我们将重新梳理毫米波大功率微波部件微放电效应发生机制，推导简单波导结构和谐振腔结构的微放电发生对频率、功率和表面性质的理论方程，并应用蒙特卡洛方法进行微放电动力学仿真验证研究，最终确立腔体毫米波部件的微放电理论模型，针对结合试验分析对毫米波太赫兹频段微放电发生的关键影响因素进行系统研究。该方面研究对于拓展微放电基础理论，具有重要的学术价值，对于探索新结构毫米波太赫兹无源部件的功率容量设计方法，具有明确的指导意义。