來源 FindRF
在上一篇《微波部件的微放電效應簡介及其仿真》中已經對微放電效應的基本概念和仿真方法進行了簡要介紹。微放電效應限制了星載微波部件的功率容量，因此需要努力規避，或稱為微放電效應的抑制。上文已經提到微放電效應的形成需要滿足幾個主要的因素：微波部件內部的場強夠大、真空度要足夠（或者說電子平均自由行程較大）、腔壁二次電子發射系數大于1。因此，微放電效應的抑制也基本上是從破壞這幾個主要誘因出發。想要較為深刻地理解微放電效應，繞不開二次電子發射的問題，因此下面簡介下二次電子發射。
上次曾經提到，二次電子發射是引起微放電效應的主要原因。實際上，電子入射固體材料后可能引起許多物理過程，比如下圖所示的：背散射電子、特征X射線、二次電子、俄歇電子等。入射電子能量、固體材料表層的元素組成、微觀結構及表面形貌等因素共同決定了電子入射引起的物理效應。在微放電效應中，入射電子的能量通常不會超過幾keV，關注的對象一般限于二次電子和背散射電子。在微放電效應的研究中，常常將二次電子和背散射電子統稱為二次電子。
由于微放電效應是微波部件腔體內電子與微波場共振引起電子倍增的現象，因此從微放電效應的數值模擬角度來看，只需知道一定參數的入射電子會引起多少二次電子即可，并不關心入射電子與材料作用的微觀過程。衡量材料的二次電子發射特性的參數是二次電子發射系數（secondary electron emission coefficient），亦有人稱為二次電子發射產額（secondary electron yield）。為了更明確地表明包含了背散射電子成分，更為準確的表述是總二次電子發射產額（total secondary electron yield，簡稱TSEY）。當材料屬性不變時，TSEY由入射電子的入射角度（定義為入射矢量所在直線與材料表面法線的夾角，位于0~90°之間）和入射能量決定，其典型規律如下圖所示：入射角度增加引起TSEY增加，入射能量增加則引起TSEY先增后減，亦即TSEY存在一個最大值。顯然，嚴格來說，TSEY并非一個數而是一組數。實際中經常碰到的說法“某材料TSEY為XX”，實際上說的是該材料的TSEY最大值為XX。
在微放電研究歷史上，影響較大的解析模型之一是上世紀五十年代Hatch和Williams提出的模型（下文稱之為HW模型，文獻中亦稱為常數理論）。這個理論較好地描述了平行板結構的微放電過程。對于如下圖所示的平行板結構（上下板之間施加交流信號），在僅考慮垂直于極板方向的電場力作用時（上下板之間的電場隨時間變化，但是始終與x軸方向平行），電子的運動方程為：
在實際的工程應用中，除了關心閾值功率外，為了便于改進，還需知道發生微放電效應的具體位置。SPARK3D軟件可以觀察微波部件內部電子數目及位置隨時間演變的過程，主要操作過程如下圖所示：首先雙擊左側菜單欄中的VideoMultipactorConfig 1，在彈出的窗口中設置饋入微波部件的功率，最后點擊run，完成之后即可得到動畫演示過程。
動畫演示過程可以保存為動畫格式（比如ogv, avi等）也可保存為jpg等圖片格式。如果設置的饋入功率未達到放電閾值功率，則可以看到電子數逐漸減少；反之，如果達到了閾值功率，則可以觀察到電子數逐漸增多。以下兩幅圖分別展示了這兩種情形。對于一個復雜的微波部件而言，電子比較集中的區域表示是容易發生放電的區域，需要采取一定的措施來改進。
下面以矩形波導為例，通過仿真驗證微放電閾值與fd乘積的關系。仿真模型中的二次電子發射材料選擇aluminium(TOR-2014)，波導長度設置為波導寬度的2倍，通過設置波導高度來使得不同頻段的波導具有相同的fd乘積，具體波導尺寸及工作頻點、仿真得到的閾值功率如下表所示：在fd乘積為15 GHz*mm時，仿真得到的微放電閾值功率分布在66.9~68.3 dBm的范圍內，閾值功率的均值為67.7 dBm，標準偏差為0.4 dB，且總體趨勢是頻率越高則閾值越大。因此，可以認為前述HW模型的預測基本正確，且存在一定的誤差。
最后，簡介一下存在直流偏置磁場時的微放電模擬。在微放電仿真參數設置界面的左下角的DC Fields區域，可以設置直流磁場/電場。
在接下來的仿真中，扁平波導的寬邊平行于x軸，高所在邊平行于y軸，長所在邊平行于z軸，依次觀察了x, y方向均勻磁場對閾值的影響。
依據電動力學的相關理論，電子在磁場中運動時，傾向于發生繞磁力線的螺旋運動。因此可以預計，當外加磁場平行于y軸時，波導內的電子仍以碰撞在上下壁為主，其微放電行為與沒有磁場的情形相比可能并無多大差別；而當外加磁場平行于x軸時，波導內的電子將在螺旋運動模式下傾向于朝向側壁移動，此時電子與器壁的碰撞可能不再以上下壁碰撞為主，由于側壁附近場強較弱，所以磁場力將電子“拉”到弱場區后，器件的放電閾值會增大。
不同大小、不同方向均勻磁場對放電閾值的影響如下表所示。對于y方向磁場的情形，可以看到磁場增大后，閾值略微有所下降，這可能是磁場的存在導致的電子螺旋運動，使得電子與器壁碰撞時的入射角增大，最終更易引發放電。對于x方向磁場的情形，可以發現隨著磁場增加，閾值并非單調變化，當磁場強度達到1T時，閾值功率超過了100 MW，可以認為此時完全抑制了微放電效應；當磁場強度為0.5T時，閾值功率僅為1894 W。實際上，電子回旋運動的圓周半徑反比于磁場強度，只有磁場足夠大時，回旋運動的半徑才足夠小，電子才能被“安全地拉向側壁”而提高閾值，否則可能導致電子以較大入射角與上下壁碰撞，反而拉低了閾值。總而言之，通過外加磁場進行微放電效應抑制時，需要謹慎選擇磁場方向和大小。值得一提的是，采用磁場抑制微放電效應時，需要額外的設施來提供偏置磁場，這對于十分關注系統重量的衛星應用來說可能是一個挑戰。微放電效應的抑制還有許多其它途徑，后續再逐步交流。
綜上所述，本文簡介了微波部件微放電效應的以下幾個方面：二次電子發射、平行板結構的微放電經典解析理論、微放電仿真后觀察電子時空演變的方法、不同頻段波導但具有相同fd乘積時的閾值功率仿真結果以及存在直流偏置磁場時的閾值仿真結果。
