星载大功率微波部件微放电阈值对二次电子发射特性敏感性机理研究

With the development trend of the component miniaturization, high-power and multi-channel requirements, multipaction caused by the secondary electron emission (SEE) phenomenon becomes one of the basic bottle necks of spacecraft systems. Doubling electronic resonant multipacting physics sets the foundation for the accurate analysis and efficient suppression of multipactor in high-power microwave components for satellite application. Based on the essential principles of the highly susceptibility of multipator threshold on the surface SEE properties in microwave components, this project aims to establish the accurate phenomenological SEE model based on the precise measurement and acquirement of the SEE data. Thus doubling multipaction mechanisms can be studied numerically and experimentally based on the fabrication of different surface treatments and tuning of the surface SEE. Simulation and experiment results will demonstrate the mechanisms of metal-dielectric and dielectric-dielectric multipaction upon multidimensional perspective impacts and influencing factors for the first time, which provide basic data for space plasma discharge physics, essential technological means for satellite payload reliability design and theoretical supports for the development of the next generation satellite technology and the implement of the national spacecraft projects.

随着下一代卫星技术向小型化、大功率、多通道数发展，由二次电子发射现象引发的微放电效应成为航天器单点失效最为严重的基础瓶颈问题之一。双边微放电机理是航天器大功率微波部件微放电准确分析与有效抑制的基础。针对微波部件微放电阈值对其表面二次电子发射特性极度敏感的事实，本项目拟基于高精度二次电子特性测试数据建立准确的二次电子发射特性唯象模型，首次通过调控二次电子发射特性深入探索航天器大功率复杂结构微波部件金属-介质、介质-介质多维角度下多影响因素微放电机理及其物理本质，为空间环境等离子体放电物理研究提供基础数据，为航天器有效载荷系统高可靠性设计提供关键方法，为下一代卫星技术的发展和国家航天重大工程的顺利实施提供基础理论支撑。

微放电效应是影响航天器在轨安全、可靠运行的基础物理现象。受限于分析方法的缺乏和测量结果的离散性，微放电效应仍是制约航天器大功率微波部件设计的基础科学问题与关键技术难题。本课题从影响卫星大功率微波系统微放电效应的关键因素——二次电子发射特性出发，建立了具有不同微结构表面和不同表面特征的二次电子发射特性测量与实验方法，提出了可准确描述实际工况条件下材料表面二次电子发射特性的唯象模型；基于表面微结构和表面粗糙度，提出了金属和介质材料表面二次电子发射特性调控方法，揭示了多种滤波器微放电阈值功率的变化趋势与调控规律；基于电磁粒子三维仿真方法提出了大功率微波部件微放电仿真方法与阈值判据，并应用于多种大功率微波部件微放电仿真与设计；基于阻抗变换器、铁氧体环行器等大功率器件阐述并揭示了微放电效应金属-介质、介质-介质多维角度下多影响因素微放电机理及其物理本质，基于调控二次电子发射特性实现了S频段铁氧体环行器微放电阈值提升效率9dB以上（≥800%），是目前已公开的最优结果。本课题在全体研究人员的努力下，获得了一批先进研究成果，部分成果已成功应用于卫星微波部件与系统微放电分析，为故障排查和卫星地面验证提供了理论和技术支撑，研究成果“二次电子倍增效应三维电磁粒子多尺度自适应数值模拟技术”作为发明点支撑申报了陕西省电子学会技术发明一等奖、陕西省科学技术二等奖；支撑了国内首部微放电研究领域专著《航天器微波部件微放电效应分析及其应用》的撰写与出版；支撑培养了课题负责人李韵入选国家万人计划青年拔尖人才、陕西省“特支计划”青拔、中国航天科技集团青拔、杰出青年等。