6.3.2 基于准光腔结构的毫米波微放电效应关键因素试验诊断研究
准光谐振系统是目前最主要的毫米波及太赫兹空间传输特性测试系统。准光腔是一种品质因数极高的谐振腔，它的特点在于，它的腔体尺寸可以远远大于腔内谐振波长，将它运用于毫米波及太赫兹波段时，它的尺寸可以做到厘米甚至分米量级，因此准光腔具有便于加工的优点。此外，和封闭金属谐振腔不同，准光腔不需要金属侧壁来约束腔内的电磁场，因此其导体损耗很小，在毫米波及太赫兹频段，品质因数可以达到较高量级。同时，准光腔还具有谐振频率稀疏、束腰半径小等优点，因而准光腔在毫米波及太赫兹频段的测量领域表现出非常优越的性能。
6.3.2.1 准光谐振结构
根据准光学谐振腔结构特征，可将其分为两种类型：第一种结构是由两个球面镜组成的共焦型开放式谐振腔（Confocal-Type Open Resonator，CTOR）；第二种结构是由平面镜和球面镜组成的反射型开放式谐振腔（Reflection-Type Hemispherical Open Resonator，RTHOR），如图6-18所示。
图6-18 准光学谐振腔结构模型（见彩插）
（a）CTOR谐振腔；（b）RTHOR谐振腔
在上述两种结构中，电磁波通过磁耦合环或者电探针进行耦合馈电，并通过球面镜对谐振电磁波进行聚焦，以减小腔体内电磁波的束腰半径。由束波理论可知，准光学谐振腔内的电磁场是以高斯波束形式进行传播与谐振的，并且谐振腔内的横向开放式边界条件并不会对腔内电磁场分布产生影响。
典型的RTHOR谐振腔型准光腔测量系统如图6-19所示，分为5个部分：准光腔凹面镜、支撑架、准光腔平面镜、测试模块支架与测试显示装置。
6.3.2.2 准光腔微放电测试
精确检测典型介质材料的微放电现象对评估和理解微波部件的微放电效应十分有益，对工程实践也更有借鉴意义。光路传输具有频带宽、组网灵活等优点，因此，采用光路传导微波可使微放电检测系统具有更高的灵活性。
图6-19 典型的准光腔测量系统（见彩插）
对毫米波部件微放电阈值进行类似于传统微波频段大功率微放电测试，是检测微放电最直接的手段。但是，毫米波频段微放电试验是具有技术和高成本挑战性的。为了对影响毫米波微放电的关键因素进行深入系统研究，主要包括电磁场模式、表面损耗、介质加载等，从而对大功率容量的毫米波部件设计给出明确的指导建议，接下来的研究中将参考麻省理工学院报道的试验方法，设计并实现基于准光腔结构的毫米波微放电诊断系统。
由于准光腔结构可以覆盖20 GHz到大于200 GHz毫米波测量，能够在不改变被测件的条件下诊断毫米波微放电效应对频率的依赖规律，相比传统的微波部件微放电效应测试系统具有得天独厚的技术优势。同时，准光腔结构是开放式的组装结构，能够方便地设计并更换待测的试验件，应用该测试系统能够实现对试验件微放电效应的单因素影响试验研究。
基于上述分析，本试验拟基于光学传输技术设计一种传输微波的准光路系统，将微波引入半开放式的微波谐振腔，通过谐振增强微波功率实现材料的微放电。采用半开放式的谐振结构，能极大地方便放电过程中的光学诊断和电子收集诊断，提高了放电阈值检测的可靠性。本试验拟依据的测试系统原理框图如图6-20所示，该测试系统包括大功率微波源、微波光路系统、准光腔测试待测件、微放电发生信号诊断以及系统控制电路，基于该系统完成Q／V频段的空间介质材料微放电检测，为后续进行试验验证提供支撑。
图6-20 基于准光腔结构的毫米波微放电检测系统原理（见彩插）
基于对反射功率变化量的监测判断待测件是否发生微放电现象，进行反射功率异常变化的高灵敏度监测对诊断微放电是否发生十分重要，也是系统搭建中的关键模块，本节将详细介绍微波光路、准光腔结构和检测结构的设计与优化分析方法。
1.Q／V频段微波光路
（1）可调微波衰减器的设计与优化。
本部分研究内容为反射系数满足Q／V频段激励要求的微波衰减器设计。在波导输出端口设置由半波片和极化滤波器构成的连续可调的衰减器，一方面实现准光路中微波功率的调节，另一方面将入射微波调制为极化波，减小从样品反射回来的微波对微波源的影响。通过设计与优化实现准光路中入射微波功率的可调性。
（2）聚焦反射镜1的设计与优化。
微波源产生Q／V频段的微波，经波导管传输后经由极化滤波器极化后入射到聚焦反射镜1，聚焦反射镜1将入射的微波束经适当聚焦后反射入真空测试腔。真空腔内的聚焦反射镜2将辐射进入的电磁能量收集、会聚后转射至准光腔平面镜，实现对准光腔的激励。对聚焦反射镜1的技术要求主要是收集波导管发射的经衰减器衰减极化后的微波并将其转射入真空测试腔，并根据需要对射入真空测试腔的电磁波束斑大小进行控制。本部分拟通过理论设计与仿真优化，研究聚焦反射镜1的几何形状及尺寸对微波收集与转射的影响规律。
2.准光腔结构
（1）毫米波准光腔设计与优化。
毫米波准光腔设计主要包括两方面内容：谐振频率满足Q／V频段工作要求的准光腔设计；透射／反射系数满足Q／V频段准光腔激励要求的平面镜设计。图6-21所示为加载了介质样品的准光腔示意图。
图6-21 加载了介质样品的准光腔示意图
这里采用准光腔的特定模式，其谐振频率由球面镜曲率半径和腔长决定，如式（6-1）计算得到：式中，c为真空中光速，D为腔长，q为模式数，R0为球面镜曲率半径。
由此可见，可以通过选择合适的模式数、腔长以及曲率半径来获得谐振频率。所以，设计准光腔的工作频率时，可以采取比较灵活的方式。例如，在不改变准光腔几何尺寸（球面镜曲率半径、腔长、平面镜口径）的条件下，也可通过选择不同模式数获得不同的谐振频率。除了考虑谐振频率之外，准光腔的设计还需考虑平面镜束斑大小、菲涅尔因子等因素。图6-22给出了Q频段准光腔的电磁场分布的典型模拟结果。
图6-22 准光腔电磁场分布模拟结果（见彩插）
在准光腔研究中，依据准光腔高斯波束理论和工作频段指标要求，对球面镜曲率半径及口径、准光腔TEM工作模式的模式数、准光腔腔长等参数进行设计和仿真优化。
在平面镜研究中，主要考虑准光腔的激励问题。当准光腔技术用于材料参数检测时，准光腔的激励可以采用小孔耦合等方式。但是在图6-21所示的示意图中，激励源从平面镜背面照射，利用平面镜在谐振频点的反射／透射特性，实现准光腔的激励。因此，需要依据平面波传播理论，研究硅片掺杂浓度及厚度、真空间隙尺寸对毫米波在“硅／真空／硅”多层媒质中的透射／反射特性的影响规律，进而获得满足准光腔激励要求的平面镜结构。
（2）聚焦反射镜2的设计与优化。
真空腔内的聚焦反射镜起到波束导向的作用——将从真空腔外辐照进真空腔室的电磁能量收集、会聚后转射至准光腔平面镜，实现对准光腔的激励。对聚焦反射镜的技术要求主要有两个方面：一方面，要求从真空腔外射入真空腔内的电磁能量应高效率地被反射镜所收集并转射；另一方面，则需要依据试验需要对反射镜转射至平面镜背面的电磁波束斑大小进行控制（通过反射镜自身参数设计以及反射镜与平面镜距离设计来实现）。本试验拟通过理论设计与仿真优化，研究聚焦反射镜几何形状及尺寸对聚焦束斑尺寸等因素的影响规律。
（3）微放电阈值检测系统真空腔内关键部件的设计优化。
在完成了前述准光腔、聚焦反射镜的设计和优化后，为了进一步检验设计效果，本项目通过电磁仿真，结合上述准光腔、聚焦反射镜的优化设计结果，对微放电阈值检测系统真空腔内关键部件进行联合仿真验证和优化，亦即在电磁仿真软件中将聚焦反射镜、准光腔均进行建模，以喇叭天线或平面波波导端口作为馈源，通过仿真得到馈源功率与准光腔内电磁场分布之间的关系，并结合微放电阈值理论评估所得设计是否满足微放电检测需求。依据已有的微放电理论，发生微放电时对应的阈值电场强度可表示为式（6-2）：
式中，ω为工作频率，e为电子电荷，me为电子质量，V1为介质材料SEY曲线的第一能量交叉点。因此，依据这一理论，可以在获得待测介质材料的SEY特性之后，预测出发生微放电所需的电场强度，之后即可将仿真得到的准光腔内的电场强度与该阈值电场强度进行对比，最终评估所设计的准光腔和聚焦反射镜是否满足要求。为了更真实地仿真实际试验场景，在仿真建模过程中，还可将真空腔、腔内夹具等因素予以考虑，进而为开展检测系统的试验验证提供更充分的支撑。
3.检测结构
（1）微波功率监测。
本部分主要对射入微波谐振腔的微波功率进行检测和计算，在光路中设置两个微波功率检测电路和一个功分器（半反半透镜）。功分器设置于微波传输光路中聚焦反射镜1和真空测试腔之间，当微波入射到功分器处，一半功率反射至微波入射功率检测电路，另一半功率透射进入真空测试腔，经聚焦反射镜2聚焦转射进入谐振腔，诱导样品产生微放电现象。经聚焦反射镜2入射到谐振腔平面镜的一部分微波被平面镜反射后沿光路返回至功分器，其中一半功率被反射至微波反射功率检测电路，剩余一半功率透射过功分器后被极化滤波器阻挡而不会影响微波发射源。比较输入功率与反射功率之差即可计算出射入微波谐振腔中的微波功率。
（2）微放电检测。
在真空测试腔外靠近微波谐振结构处设置科学级的增强型CCD相机，实时监测由微放电现象引起的可见光发射，结合式（6-2）中计算出的微波入射功率从而确定微放电的发生阈值。