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HFSS

永不止步的HFSS：微放电仿真

作者：肖运辉

今年，ANSYS发布的2019R2版本和R3版本中，新增了微放电效应求解器（Multi-Pactionsolver），在HFSS精确分析器件空间电磁场分布的基础上，

进一步高效地模拟微放电过程及微放电防护措施的有效性。本文由ANSYS中国高频产品线技术经理肖运辉详细介绍这一功能模块。

浅谈微放电效应

微放电效应是一种在射频真空管、波导等器件中，在特定条件下材料表面发生二次电

子发射（SEE）并与时谐电磁场的相位变化同步，引发的电子谐振倍增，乃至雪崩和

放电的物理现象。

发生微放电的条件

发生微放电条件各异且根据微放电类型而有所不同

对金属表面之间的微放电，其发生条件是：

电子平均自由程必须大于两个金属表面之间的间隙距离，并两个表面之间的电子平均渡越时间必然是射频电场半周期的奇数倍。而对于在介质单

表面上发生的微放电，其表面电荷产生的直流电场必须能够使电子加速返回到介质表面，从而能够产生二次电子。

对于航天器上的微放电，其发生条件需满足以下四个方面：

1.真空度:小于1.0×10-3Pa；航天器大功率微波部件工作状态满足真空度条件

2.自由电子的存在；大功率微波部件内存在初始电子

3.材料的二次电子发射系数大于1；典型航天用材料如银、金等满足条件

4.二次电子的渡越时间是微波信号半周期的奇数倍。航天器大功率微波部件满足以上条件，极易发生微放电效应

二次电子发射（SEE）

二次电子发射是产生微放电效应的关键因素，即初级电子打到金属表面时，会产生多个次级电子的现象。

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次级电子是由空间电荷在合适的条件下撞击金属表面而产生的，初级电子的能量必须落在截止能量E1和E2之间，才能在正常入射下发射一个或

多个电子。二次发射量通常随入射角的增大而增大。随着表面粗糙度的增加，发射量对入射角的依赖性变小。

当下挑战与如何应对

微放电效应可能导致器件表面损坏和器件永久性损坏，其对航天器的危害主要有以下几个方面：

1.噪声电平抬高，输出功率下降

2.部件表面损坏，寿命缩短

3.微波传输系统驻波比增大，信道阻塞

4.微波部件永久性失效

在轨航天器上，微放电效应引发的故障是瞬间突发性，常常是灾难性的硬故障，很难或不可能在轨修复和更换，因此，微放电效应的分析和预防，

对航天器的微波系统非常重要。

为解决此类问题，需要采用微放电抑制技术，主要方法有：

1.减小RF功率（NA）

2.增加间隙（notalwayspossible）

3.减小电场强度

4.增加频率（NA）

5.材料的二次电子发射特性

显然很多参数是没办法改变的，否则就失去了器件本身设计的初衷，达不到设计指标，因此，对材料的表面进行处理，是比较常用的解决方法，

其本质还是改变表面的SEE条件，使得微放电的条件不具备。

此外，常见的抑制手段还有，加入偏置条件，从而改变其电子运动轨迹，破坏微放电条件，或者采用超材料超介质，达到特定的效果。这里就不

做深入的探讨。

相关研究历史及技术

早在1924年，Guttons在做真空实验时，就观察到了微放电效应，但他未能对此作出明确和合理的解释。在十多年以后，Farnsworth再次

捕捉到了微放电效应的存在，并设计和制造了电子管以更好的研究这一现象，并将它和一般的放电现象区分开来，称之为“电子二次倍增效应

（multipactor）”，又称“微放电效应”。

最早对微放电效应进行系统研究的是牛津大学的Gill和VanEngel，他们利用实验方法绘出了微放电效应灵敏度区域。上世纪五十年代后，Hatch

和Williams提出了著名的“常数k理论”，并成为几十年来微放电效应分析、设计中的经典理论。之后，Vaughan在Henneburg等人研究成果

的基础上，提出了改进的“可变常数k”理论。目前，Vaughan理论已被Riyopoulos等人推广到正交磁场中。

1970年10月，R.Woo撰写的美国航空和航天管理局(NASA)研究报告“射频电压在同轴线中崩溃的结论报告”(FinalReportonRFVoltage

BreakdowninCoaxialTransmissionLines)是