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摘要：基于微放电效应理论，研究了射频同轴连接器的微放电参数设计及理论分析，进而得出微放电的设计余量，给出优化有关连接器放电的工艺改善。
关键词：微放电；理论分析；工艺优化
一、背景说明
微放电效应是指部件处于1×10-3 Pa 或更低压强时，在承受大功率的情况下发生的谐振放电现象。根据表面几何形状和材料成分的不同，微放电效应有多种形式。典型形式有：
（1）金属谐振结构中的双表面微放电；
（2）单介质表面的微放电；
微放电发生在双表面的金属谐振结构中，其产生过程为：初始电子在外加射频场的加速下轰击上金属表面，若材料二次电子发射系数 δ＞ 1，则释放出比初始电子更多的二次电子，此时电场反向，二次电子在反向电场的加速下轰击下表面金属，如此循环，以致产生微放电效应。
图1：双金属表面微放电发生过程示意图
由此可知微放电的三个必要条件：
1.外部气压须低于1×10-3 Pa，则电子的平均自由程大于间隙尺寸，保证电子在运动过程中不与其他微粒子碰撞而损耗能量；
2.表面材料的二次电子发射系数δ＞ 1，否则电子数会衰减很快，二次倍增无法维持；
3.电子渡越间隙的平均时间是电场半周期的奇数倍，以满足电子倍增的谐振条件。
依据文献[1]，二次电子发射系数与承受功率并非成正比，微放电发生区域受输入功率区间限制。
文献[2]给出了出微放电上限功率 PH（dBW）和下限功率PL（dBW），具体如公式（1）、（2）：
PH = 16.2 + 40lg（fd）- 10lg（Z/50） （1）
PL = 6.55+ 20lg（fd）- 10lg（Z/50） （2）
式中：f-- 为射频信号频率（GHz）；
d-- 为金属表面之间的距离（mm）；
Z-- 为系统阻抗。式（1）和式（2）在fd> 1 GHzmm时有效。
二、击穿电压
文献[3]给出了理想金属平板的击穿电压公式：
Vb=m*（2*π*f*d）2/（e*K） （3）
K=（k+1）*（2n-1）*π*cos（φ）/（k-1）+2*sin（φ） （4）
式中，f--为射频电场工作频率（GHz）；
d--为两极板之间的间距（mm）；
m--为电子的质量；
e--是电子的电量；
n--表示第2n-1个半周期渡越时间，当n=1时，表示l／2周电子渡越时间，当n=2时，表示3／2周电子渡越时间；
φ--是初级电子相角；
k--为金属表面比例系数，它与金属表面最大二次电子放射系数有关。对不同的金属，k值不同。常用的铝表面，k=1．89。
公式（3）、（4）可以计算理想平行金属板之间的击穿电压，但是实际应用过程中传输线结构更复杂，如矩形波导、方同轴线、圆同轴线等。我们更关心的是圆同轴线情况，因此需要对公式（3）进行修正拟合。
文献[4]给出了方同轴线的微放电阈值实际测试值，如表1所示，我们将根据实际测试值对公式（3）进行修正。
表1中，方同轴线的特性阻抗为50欧姆，工作频率为2.5GHz。令公式（3）中m/（（e*K））=a，分别将表1中d=1.8mm、2.1mm以及对应的Vb=176V、197V分别代入公式（3），得出a1=0.22，a2=0.18，将a1与a2平均得出a=0.2，即将公式（3）修正为公式（5）：
Vb=0.2*（2*π*f*d）2 （5）
根据公式，可知击穿电压与内外导体间距d的平方成正比，间距越大，连接器的微放电击穿电压越高，出现微放电的概率越低。同样，如果输入功率不断增大，就要增大内外导体之间间距来确保不发生微放电。
三、微放电的工艺要求
微放电不仅需要设计留有足够余量，工艺上也需要特别注意：
1.应避免表面不光滑，存在毛刺，存在污染物等
2.对表面进行镀金、镀银等处理，可提高微放电阈值电平
3.应避免存在‘空气隙’
填充介质可以降低电子的平均自由程，有效扩大间隔尺寸，但大多数介质与金属之间比较容易发生微放电现象，且在受热时，介质内容易释放出气体，大量的气体聚积，就导致器件局部气压升高而击穿。
四、微放电阈值设计余量计算
连接器微放电参照在真空条件的用腔体，对连接器的计算频率—间隙乘积（f x d，单位为GHz mm）。微放电阈值为连接器发生微放电时，由最大额定射频功率计算得出的峰值电压值。
标准给出的设计曲线与计算得到的微放电阈值的设计余量需要满足以下要求。
a）设计余量>20dB，该连接器满足设计余量要求，不需要进行此试验。
b）6dB<设计余量<20dB，该连接器需要进行此试验。
c）设计余量<6dB，该连接器不满足设计余量。
d）由最高额定射频功率（P）和间隙间的阻抗（R）计算出击穿电压（Vp），计算公式为：
论文作者:赵鹏森,高雷,董胜莉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/30
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