有机介质加载微波波导中二次电子发射对器件微放电阈值的影响

王丹; 刘海军; 杨博川; 张可越; 胡天存; 贺永宁; 张国和

doi:10.7498/aps.75.20260035

有机介质加载微波波导中二次电子发射对器件微放电阈值的影响

1.
西安交通大学微电子学院, 西安　710049
2.
西北工业大学电子信息学院, 西安　710129
3.
中国空间技术研究院, 空间微波通信全国重点实验室, 西安　710100
4.
陕西省电子器件与高端芯片重点实验室, 西安　710049
5.
西安市微纳电子与系统集成重点实验室, 西安　710049

通讯作者: E-mail: alexaustin@xjtu.edu.cn.; E-mail: zhangguohe@xjtu.edu.cn.

中图分类号: 79.20.Hx, 73.43.Cd, 81.40.–z

Impact of secondary electron emission on multipactor threshold in microwave waveguides loaded with organic dielectrics

1.
School of Microelectronics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
2.
School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China
3.
National Key Laboratory of Science and Technology on Space Microwave, China Academy of Space Technology, Xi’an 710100, China
4.
Shaanxi Key Laboratory for Electronic Devices and Advanced Chips, Xi’an 710049, China
5.
The Key Lab of Micro-nano Electronics and System Integration of Xi’an City, Xi’an 710049, China

Corresponding authors: E-mail: alexaustin@xjtu.edu.cn.; E-mail: zhangguohe@xjtu.edu.cn.

MSC: 79.20.Hx, 73.43.Cd, 81.40.–z

摘要: 微放电效应是空间高功率微波系统面临的重要可靠性问题, 二次电子发射是影响微放电发生的重要物理过程. 为进一步揭示介质加载微波器件的微放电特性及其物理机制, 以聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亚胺(PI)填充的微波器件为研究对象, 设计了一种工作于Ku频段的脊波导器件. 分析了脊波导器件中微放电敏感区域表面微孔结构降低表面二次电子发射能力的物理机制, 证明在放电敏感区域介质表面构建微孔结构可有效降低二次电子产额(SEY), 显著提升器件微放电阈值. 采用飞秒激光加工技术在PTFE和PI表面制备了周期性百微米级阵列微孔结构, SEY测试结果表明, 微孔处理后PTFE的SEY峰值从2.1降至1.4, 降幅达33.3%, 第一临界能量(E_P1)从40 eV提升至95 eV; PI的SEY峰值从1.4降至1.1, 降幅为21.4%, E_P1从65 eV显著提升至205 eV. 微放电分析研究表明, 单脊波导中微放电敏感表面经微孔处理后, 填充PTFE或PI的器件微放电阈值分别提高至12374 W和12109 W, 与未经处理的器件微放电阈值7734 W和7265 W相比, 处理后器件的微放电阈值提升约5000 W. 研究成果为高功率微波器件中介质低SEY表面研究提供了思路, 在微波器件介质微放电抑制研究方面具有工程应用价值.
- 微放电 /
- 二次电子 /
- 有机介质 /
- 单脊波导 /
- 微孔结构
Abstract: Multipactor is a critical reliability issue in space high-power microwave systems caused by secondary electron emission (SEE) avalanche. This effect degrades the performance of microwave component, or even cause failure of spacecraft in severe cases. Dielectric-filled microwave components, known for their high Q factor, low loss, and ease of miniaturization, are increasingly employed in space microwave systems. However, introducing dielectric in microwave components makes multipactor evolution more complexity since SEE process induces charge accumulation on dielectric surface and further affects the electron trajectory. In this work, by taking microwave ridge waveguide devices filled with polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyimide (PI) as the research objects, we conducted device design, modeling, and multipactor evolution research. The physical mechanism of SEE avalanche for the dielectric microporous structures was analyzed. The theoretical results demonstrated that constructing microporous structures on the dielectric surface can effectively reduce the SEE yield (SEY) and significantly enhance the device's multipactor threshold. Then periodic microporous arrays were fabricated on PTFE and PI surfaces using femtosecond laser processing. SEY testing results showed that after constructing surface microporous, the peak SEY of PTFE decreased from 2.1 to 1.4, a reduction of 33.3%, while the first crossover energy (E_P1) increased from 40 eV to 95 eV. And for PI, after constructing surface microporous, the peak SEY decreased from 1.4 to 1.1, a reduction of 21.4%, and E_P1 significantly increased from 65 eV to 205 eV. The microporous structure raised the multipactor thresholds of PTFE- and PI-filled single-ridge waveguides to 12374 W and 12109 W, respectively, representing an improvement of approximately 5000 W compared to original devices’ multipactor thresholds of 7734 W and 7265 W. This research provides an effective approach for microstructural treatment of dielectric surfaces in high-power microwave devices, and holds significant engineering application value for anti-multipactor designs in various microwave systems.
- multipactor /
- secondary electron /
- organic dielectric /
- single-ridge waveguide /
- microporous structure .

图 1 (a)填充介质片的Ku波段单脊波导三维横截面图; (b)单脊波导纵截面图

Figure 1. (a) 3D cross-section and (b) 2D cross-section of the Ku-band single-ridge waveguide within dielectric filled.

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图 2 工作频率为11.85 GHz情况下填充段阻抗与介质片厚度的关系

Figure 2. Relationship between the impedance of the dielectric-filled segment and the dielectric sheet thickness when the operating frequency is 11.85 GHz.

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图 3 所设计PTFE和PI填充的脊波导器件S参数仿真结果

Figure 3. S-parameter simulation results for the designed PTFE-filled and PI-filled ridge waveguide devices.

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图 4 PI填充单脊波导内部电场空间分布

Figure 4. Spatial distribution of the electric field within the PI-filled single-ridge waveguide.

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图 5 未经处理的原始PTFE、PI和镀银铝合金的SEY测试结果及拟合曲线

Figure 5. Measured SEY results and fitted SEY curves for the untreated PTFE, PI, and silver-plated aluminum alloy.

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图 6 单脊波导器件在不同输入功率下电子数目的演化过程　(a)模型#1, 器件中填充未经处理的PTFE; (b)模型#2, 器件填充未经处理的PI

Figure 6. Evolution of electron number in single-ridge waveguide devices under varying input power: (a) Model #1, device filled with untreated PTFE; (b) Model #2, device filled with untreated PI.

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图 7 介质表面微孔处理结构抑制二次电子倍增对比示意图　(a)平板平面介质; (b)微孔处理介质

Figure 7. Schematic illustrating the suppression of secondary electron multiplication by microporous surface treatment structures: (a) Flat planar dielectric; (b) microporous-treated dielectric.

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图 8 使用SEM表征获得的PTFE和PI表面及断裂面形貌　(a) PTFE微孔表面; (b) PTFE微孔断裂面; (c)放大的PTFE微孔断裂面; (d) PI微孔处理表面; (e) PI微孔处理断裂面; (f)放大的PI微孔处理断裂面

Figure 8. Surface and fracture surfaces of PTFE and PI sheets obtained via SEM: (a) Microporous PTFE surface; (b) microporous PTFE fracture surface; (c) enlarged view of microporous PTFE fracture surface; (d) microporous PI surface; (e) microporous PI fracture surface; (f) enlarged view of microporous PI fracture surface.

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图 9 飞秒激光刻蚀处理后获得的PTFE, PI微孔处理样品表面SEY曲线与原始表面SEY数值对比

Figure 9. Comparison of surface SEY curves obtained from PTFE and PI microstructure samples after femtosecond laser etching treatment with the SEY values of the original surfaces.

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图 10 二次电子运动轨迹示意图　(a)无射频电场; (b)有射频电场; (c)蒙特卡罗模拟射频场对电子轨迹的影响

Figure 10. 2D schematic of secondary electron trajectories: (a) Without RF electric field; (b) with RF electric field; (c) influence of RF fields on electron trajectories via Monte Carlo simulations.

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图 11 不同辐照脉冲个数下PTFE表面SEY演化规律

Figure 11. Evolution of surface SEY on PTFE surfaces under different numbers of irradiation pulses.

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图 12 4组脊波导器件的S参数测试结果　(a)填充PTFE的脊波导; (b)填充PI的脊波导

Figure 12. S-parameter test results for four sets of ridge waveguide devices: (a) Ridge waveguide filled with PTFE; (b) ridge waveguide filled with PI.

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图 13 单脊波导组件模型在不同输入功率下电子数量的演变　(a)模型#3, 器件中填充微孔处理的PTFE; (b)模型#4, 填充微孔处理的PI

Figure 13. Simulated evolution of electron number in single-ridge waveguide assembly models under varying input power: (a) Model #3, device filled with microporous-treated PTFE; (b) Model #4, device filled with microporous-treated PI.

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表 1 PTFE和PI材料性能对比

Table 1. Material performance comparison of PTFE and PI.

对比维度	聚四氟乙烯(PTFE)	聚酰亚胺(PI)
介电性能	优势: 介电性能好, 介电常数和损耗角正切稳定, 是高频低损耗的基准材料局限: 性能固化, 难以通过分子设计进行调控	优势: 介电性能高度可设计局限: 本征损耗通常略高于PTFE, 优化后的高性能品类成本较高
热性能	优势: 耐温范围宽, 化学稳定性极高局限: 热膨胀系数较大	优势: 热稳定性强, 热膨胀系数极低
机械与加工性	优势: 柔韧性好, 易于制成柔性波导或电缆局限: 黏附性差, 与基板结合力弱	优势: 机械强度极高, 成膜性优异

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表 2 PTFE和PI填充脊波导阻抗变换器优化尺寸

Table 2. Optimised sizes for the PTFE-filled and PI-filled ridge waveguide impedance transformers.

器件类型	节数	1	2	3	4	5	6	7
PTFE填充	L/mm	10	7.3	5.65	20	5.65	7.3	10
PTFE填充	h/mm	9.525	7.05	3.05	1.7	3.05	7.05	9.525
PI填充	L/mm	10	7.3	5.9	20	5.9	7.3	10
PI填充	h/mm	9.525	6.77	2.54	1.7	2.54	6.77	9.525

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[1]	Raboson D 2008 6th International Workshop on Multipactor Corona and Passive Intermodulation Valencia, Spain, September 24–27, 2008 p1
[2]	Vaughan J R M 1988 IEEE Trans. Electron Dev. 35 1172 doi: 10.1109/16.3387
[3]	Michizono S, Saito Y, Fukuda S, Hayashi K, Anami S 1996 Vacuum 47 625 doi: 10.1016/0042-207X(96)00034-6
[4]	Kishek R A, Lau Y Y, Ang L K, Valfells A, Gilgenbach R M 1998 Phys. Plasma 5 2120 doi: 10.1063/1.872883
[5]	Seiler H 1983 J. Appl. Phys. 54 R1 doi: 10.1063/1.332840
[6]	Semenov V E, Rakova E I, Anderson D, Lisak M, Puech J 2007 Phys. Plasma 14 033501 doi: 10.1063/1.2480678
[7]	Wong P Y, Lau Y Y, Zhang P, Jordan N, Gilgenbach R M, Verboncoeur J 2019 Phys. Plasma 26 112114 doi: 10.1063/1.5125408
[8]	Hueso J, Vicente C, Gimeno B, Boria V E, Marini S, Taroncher M 2010 IEEE Trans. Electron Dev. 57 3508 doi: 10.1109/TED.2010.2075931
[9]	Wang C, Yang Y L, Shi X R, Li W D, Sun G Y, Chen S L, Ran S L, Zhang G J, Chen Z Q 2025 Appl. Phys. Lett. 126 121601 doi: 10.1063/5.0256365
[10]	Nistor V, González L A, Aguilera L, Montero I, Galán L, Wochner U, Raboso D 2014 Appl. Surf. Sci. 315 445 doi: 10.1016/j.apsusc.2014.05.049
[11]	Valizadeh R, Malyshev O B, Wang S H, Zolotovskaya S A, Gillespie W A, Abdolvand A 2014 Appl. Phys. Lett. 105 231605 doi: 10.1063/1.4902993
[12]	Wang C, Chen Z Q, Yang Y L, Chen S L, Shi X R, Jin X, Yang X, Ran S L, Sun G Y, Zhang G J 2024 High Volt. 10 1593 doi: 10.1049/hve2.70104
[13]	Lian Z X, Zhu X P, Wang D, Meng X C, He Y N 2024 J. Phys. D Appl. Phys. 57 125302 doi: 10.1088/1361-6463/ad15c0
[14]	Dionne G F 1973 J. Appl. Phys. 44 5361 doi: 10.1063/1.1662156
[15]	Michizono S, Kinbara A, Saito Y, Yamaguchi S, Anami S, Matuda N 1992 J. Vac. Sci. Technol. A 10 1180 doi: 10.1116/1.578223
[16]	Lian Z X, Xu Y N, Meng X C, Wang D, Chen J X, Qi K C, He Y N 2024 J. Phys. D Appl. Phys. 57 315304 doi: 10.1088/1361-6463/ad471c
[17]	Henrist B, Hilleret N, Scheuerlein C, Taborelli M 2001 Appl. Surf. Sci. 172 95 doi: 10.1016/S0169-4332(00)00838-2
[18]	Le Pimpec F, Kirby R E, King F K, Pivi M 2006 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 564 44 doi: 10.1016/j.nima.2006.03.041
[19]	Pinto P C, Calatroni S, Neupert H, Letant-Delrieux D, Edwards P, Chiggiato P, Taborelli M, Vollenberg W, Yin-Vallgren C, Colaux J L, Lucas S 2013 Vacuum 98 29 doi: 10.1016/j.vacuum.2013.03.001
[20]	Lian Z X, Yao K W, Wang D, Zhang K Y, Wang R, He Y N 2025 Vacuum 138 114270 doi: 10.1016/j.vacuum.2025.114270
[21]	Li W Q, Zhou N, Lian Z X, Wang S Z, Wang D, Zhang G H 2025 Vacuum 241 114703 doi: 10.1016/j.vacuum.2025.114703
[22]	Lian Z X, Wang D, Zhu X P, He Y N 2025 J. Phys. D Appl. Phys. 58 115106 doi: 10.1088/1361-6463/ada80a
[23]	Pivi M, King F K, Kirby R E, Raubenheimer T O, Stupakov G, Le Pimpec F 2008 J. Appl. Phys. 104 104904 doi: 10.1063/1.3021149
[24]	Troncoso G, Garcia-Martin, J M, Gonzalez M U, Morales C, Fernandez-Castro M, Soler-Morala J, Galan L, Soriano L 2020 Appl. Surf. Sci. 526 146699 doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146699
[25]	Benedicto J, Rius E, Bonizec A, Favennec J F, Bernal A B, Martin-Guennou A 2024 IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 72 4229 doi: 10.1109/TMTT.2023.3338531
[26]	Langellotti S V, Brusstar A, Jordan N M, Lau Y Y, Gilgenbach R M 2023 IEEE Trans. Electron Dev. 70 5871 doi: 10.1109/TED.2023.3308930
[27]	胡晶, 曹猛, 李永东, 林舒, 夏宁 2018 物理学报 67 177901 doi: 10.7498/aps.67.20180466 Hu J, Cao M, Li Y D, Lin S, Xia N 2018 Acta Phys. Sin. 67 177901 doi: 10.7498/aps.67.20180466
[28]	Ludwick J, Iqbal A, Gortat D, Cook J D, Cahay M, Zhang P, Back T C, Fairchild S, Sparkes M, O’neill W 2020 J. Vac. Sci. Technol. B 38 054001 doi: 10.1116/6.0000346
[29]	Brown M, Milestone W, Joshi R P 2022 J. Appl. Phys. 132 213304 doi: 10.1063/5.0123925
[30]	Alvarado A, Chang H Y, Nadvornick W, Ghoniem N, Marian J 2019 Appl. Surf. Sci. 478 142 doi: 10.1016/j.apsusc.2019.01.089
[31]	孟祥琛, 王丹, 蔡亚辉, 叶振, 贺永宁, 徐亚男 2023 物理学报 72 107901 doi: 10.7498/aps.72.20222404 Meng X C, Wang D, Cai Y H, Ye Z, He Y N, Xu Y N 2023 Acta Phys. Sin. 72 107901 doi: 10.7498/aps.72.20222404
[32]	Berenguer A, Coves A, Gimeno B, Bronchalo E, Boria V E 2019 IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. 29 595 doi: 10.1109/LMWC.2019.2929488
[33]	Wang J L, Meng X C, Liu H J, Lian Z X, Yao K W, Li J L, Li R B, Zhang G H, Wang D 2025 IEEE Tran. Microw. Theory 73 8415 doi: 10.1109/TMTT.2025.3586318
[34]	Zhang X, Yu Q Q, Ni X R 2022 IEEE Trans. Electron Dev. 69 748 doi: 10.1109/TED.2021.3135368
[35]	翟永贵, 王瑞, 王洪广, 林舒, 陈坤, 李永东 2018 物理学报 67 157901 doi: 10.7498/aps.67.20180351 Zhai Y G, Wang R, Wang H G, Lin S, Chen K, Li Y D 2018 Acta Phys. Sin. 67 157901 doi: 10.7498/aps.67.20180351
[36]	董烨, 刘庆想, 庞健, 周海京, 董志伟 2017 物理学报 66 207901 doi: 10.7498/aps.66.207901 Dong Y, Liu Q X, Pang J, Zhou H J, Dong Z W 2017 Acta Phys. Sin. 66 207901 doi: 10.7498/aps.66.207901
[37]	董烨, 刘庆想, 庞健, 周海京, 董志伟 2018 物理学报 67 037901 doi: 10.7498/aps.67.20172119 Dong Y, Liu Q X, Pang J, Zhou H J, Dong Z W 2018 Acta Phys. Sin. 67 037901 doi: 10.7498/aps.67.20172119
[38]	Zhang X, Wang T, Hu Q Q 2024 IEEE Trans. Electron Dev. 71 2669 doi: 10.1109/TED.2024.3370529
[39]	Vague J J, Asensio I, Coves A, San Blas A A, Reglero M, Pantaleoni A V, Raboso D, Baquero-Escudero M, Boria V E 2022 IEEE Tran. Microw. Theory 70 2566 doi: 10.1109/TMTT.2022.3157587
[40]	Zhai Y G, Wang H G, Cao M, Lin S, Peng M, Li Y, Cui W Z, Li Y D, Wang R 2023 IEEE Trans. Electron Dev. 70 2897 doi: 10.1109/TED.2022.3226407
[41]	Pozar D M 2012 Microwave Engineering (4th Ed.) (Hoboken: Wiley) pp319–326
[42]	Cai Y H, Wang D, Qi K C, He Y N 2022 Rev. Sci. Instrum. 93 055103 doi: 10.1063/5.0080414
[43]	翁明, 谢少毅, 殷明, 曹猛 2020 物理学报 69 087901 doi: 10.7498/aps.69.20200026 Weng M, Xie S Y, Yin M, Cao M 2020 Acta Phys. Sin. 69 087901 doi: 10.7498/aps.69.20200026
[44]	Wang D, Mao Z S, Ye Z, Cai Y H, Li Y, He Y N, Qi K C, Xu Y N, Jia Q Q 2022 J. Phys. D Appl. Phys. 55 455301 doi: 10.1088/1361-6463/ac86df
[45]	Shi J C, Zhao Y C, Zhou W X, Sun B C, Zhang J B, Wang D L, Liu Y, Sun T, Zhang X T, Tie W H 2023 Appl. Sci. Basel 13 8586 doi: 10.3390/app13158586
[46]	Zarbout K, Ahmed A S, Moya G, Bernardini J, Goeuriot D, Kallel A 2008 J. Appl. Phys. 103 054107 doi: 10.1063/1.2891792
[47]	Wang J Y, Xu Y N, Lian Z X, Wang D, Meng X C, Zhou N, He Y N 2024 Results Phys. 57 107339 doi: 10.1016/j.rinp.2024.107339

图( 13) 表( 2)

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1. 引　言

微放电效应是当前限制空间高功率微波系统工作电平提升的重要可靠性问题之一^[1], 该现象通常发生在微波器件内部, 具体表现为: 自由电子在射频电场的持续加速下发生谐振, 通过二次电子发射过程实现电子倍增, 进而诱发二次电子雪崩倍增, 产生放电^[2–4]. 二次电子产额(secondary electron yield, SEY)是衡量固体表面二次电子发射能力的核心参数, 其定义为表面激发的二次电子数与入射电子数之比^[5]. 对于空间微波系统中易于发生微放电效应的敏感表面, 其边界材料表面SEY较高时, 将显著增加微放电发生风险, 从而降低工作在空间环境中的微波器件的功率承载能力^[6–8]. 为此降低典型固体表面SEY成为当前空间高功率微波系统微放电可靠性设计中的关键研究方向, 对于涉及易于发生微放电的微波器件具有重要意义. 目前, 降低SEY的技术路线主要包括两类: 一是在表面构造各类微纳结构, 表面复杂微纳结构能够有效改变二次电子运动路径、增大其碰撞概率, 从而显著降低SEY^[9–12]; 二是通过在材料表面镀覆具有低SEY的功能薄膜. 根据二次电子发射理论, SEY与材料的能带结构、表面态、载流子浓度、迁移率、原子密度、内部激发电子的运动状态等均相关^[13,14], 所以可以利用薄膜自身的低SEY特性降低表面电子发射率, 典型能够用于降低SEY的功能镀层包括氮化钛^[15,16]、钛锆钒合金^[17,18]、碳镀层^[19]. 此外类似氧化镁、氧化铝等具有高SEY特性的功能镀层, 则在抑制空间静电放电^[20]、提升电子倍增器性能^[21,22]等方面具有广泛应用. 近年来, 针对金属与无机陶瓷材料的SEY调控方法已取得显著进展. 嵌套沟槽、微孔阵列等结构被证实可有效降低金属表面SEY, 并显著提高微波器件的微放电阈值^[23–26]. 2018年, 胡晶等^[27]基于蒙特卡罗模拟对铜表面微结构进行研究, 发现占空比和深宽比的增大均可降低SEY, 且三角形凸起结构能显著抑制二次电子发射, 理论上可使SEY峰值下降约60%. 2020年, Ludwick等^[28]报道了关于微孔金表面SEY调制的研究, 通过精确的实验测量和蒙特卡罗模拟, 揭示了孔隙率、纵横比和入射角对SEY的显著影响. 2023年, Brown等^[29]提出在矩形波导表面设计嵌套沟槽结构, 该结构通过改变表面几何形状影响电场分布与电子运动轨迹, 从而抑制多粒子放电过程中的电荷增长, 与普通波导相比, 相同时间内嵌套沟槽中电荷数量增长可降低超过280倍. 对于无机介质材料, 2018年, Alvarado等^[30]通过蒙特卡罗模拟研究了微孔六方氮化硼表面的SEE特性, 仿真研究发现微孔结构的表面在霍尔效应推进器中可导致超过50%的SEY值降低. 2023年, 孟祥琛等^[31]在氧化铝基板上通过红外激光刻蚀制备具有高孔隙率(约52%)的微米级阵列结构, 可使氧化铝表面SEY峰值由2.46降低至1.00; 进一步在该表面沉积TiN薄膜后, SEY可降低至0.69, 应用微孔处理结构和表面镀层双重工艺的同轴低通滤波器微放电阈值从125 W增至650 W.

与无机介质相比, 有机介质材料在SEY调控和微放电方面的研究鲜有报道. 一方面, 传统低SEY功能镀层工艺(如磁控溅射、等离子体沉积等)会需要或产生高温环境, 而大部分有机材料热稳定性较差, 难以直接与这类薄膜制备工艺兼容; 另一方面, 普通的红外激光刻蚀等常规微孔处理手段对有机材料的适配性差, 易引发热损伤或结构塌陷. 2019年, Berenguer等^[32]通过在矩形波导放电边缘贴附PTFE薄膜, 实验观察到微放电阈值略有提升. 2025年, Wang等^[33]设计具备环形放电间隙的圆同轴低通滤波器, 通过对PTFE和PI聚合物加工形成环形凹槽, 实现微放电阈值提升, 但结果显示存在刻蚀产生的非理想结构导致微放电阈值的提升效果降低. 此外, 有机材料在微放电过程中表现出更为复杂的电荷积累效应, 表面电荷分布的时序演变对后续的SEY行为与微放电阈值具有显著影响. 近年来, 学者们针对介质双边微放电开展了较多理论建模与数值模拟研究, 研究指出表面电荷积累引起的静电场在一定条件下可导致放电自熄灭, 从而可能抑制微放电效应^[34–38]. 2022年, Vague等^[39]对矩形波导和沟槽间隙波导的微放电特性进行了理论和实验研究, 证实了沟槽间隙波导技术在抑制微放电方面的优越性. 2023年, Zhai等^[40]针对双面介质加载平行板波导中的微放电效应, 建立射频电场、空间电荷场及介质表面电荷场的静电粒子模拟模型, 研究证明由于介质表面电荷场的存在, 在一定条件下器件内部会出现微放电的自熄灭现象. 然而, 针对有机介质表面微结构的设计、制备及其对SEY与双边微放电的调控机理, 至今仍缺乏系统研究. 因此, 在当前微波器件向高频化、集成化发展的背景下, 开展有机介质填充微波器件微放电研究, 并探索适用于有机介质的低SEY表面处理技术, 对于空间微波器件或系统的抗微放电设计具有重要的科学意义与工程应用价值.

Ku波段微波器件在卫星通信、雷达系统和微波传输设备中应用广泛, 且Ku波段下有机介质的电损耗率低, 更适用高功率场景, 因此本研究选取有机介质填充的Ku波段器件作为研究对象, 探究其微放电特性对器件敏感表面SEY的依赖规律. 设计了两种工作于Ku波段的单脊波导器件, 器件中的介质填充物分别为聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亚胺(PI), 脊波导器件在填充的电介质和金属之间存在0.2 mm的间隙, 用于进行器件级微放电研究. 从理论上分析了微孔结构有效降低SEY、提升微放电阈值的物理机制, 并结合微放电仿真, 观察到微放电阈值显著提升. 实验研究中采用飞秒激光加工技术构建微孔结构, 实现了SEY的有效抑制, 应用SEY测试结果进行微放电阈值仿真, 获得了脊波导器件微放电阈值显著提升的结果.

4. 结　论

本文仿真研究了有机介质填充单脊波导微波器件的微放电特性, 验证了在有机介质表面实现微孔处理的结构能够降低SEY并实现对器件微放电的抑制作用. 所设计单脊波导滤波器中心频率为11.85 GHz, 具备良好的通带特性与带外抑制能力. 该微波器件在金属与介质板之间存在0.2 mm间隙, 选用PTFE和PI两种介质材料填充, 同时采用飞秒激光刻蚀技术, 在聚合物表面构建周期性微孔结构. 实验获得的PTFE圆柱形微孔及PI倒锥形结构通过延长电子运动路径, 提升平均碰撞次数. 对于PTFE填充的脊波导器件, 飞秒激光处理后, PTFE表面形成的微孔处理的结构将原始表面的SEY峰值从2.1降低到1.4, SEY曲线的E_P1值从40 eV提升到95 eV, 使得填充PTFE器件的脊波导器件放电阈值从7734 W提升到12374 W, 提升幅度为2.04 dB. 对于PI填充的脊波导器件, 同样获得了SEY显著降低和微放电阈值显著提升的结果, SEY峰值从1.4降低到1.1, SEY曲线的E_P1值从65 eV提升到205 eV, 微放电阈值从7265 W提升到12109 W, 提升幅度为2.22 dB. 本研究实现了有机介质填充脊波导器件的微放电阈值的提升, 对聚合物填充微波器件抗微放电设计研究有参考意义与工程应用价值.

参考文献 (47)

有机介质加载微波波导中二次电子发射对器件微放电阈值的影响

通讯作者: E-mail: alexaustin@xjtu.edu.cn.; E-mail: zhangguohe@xjtu.edu.cn.

Impact of secondary electron emission on multipactor threshold in microwave waveguides loaded with organic dielectrics

Corresponding authors: E-mail: alexaustin@xjtu.edu.cn.; E-mail: zhangguohe@xjtu.edu.cn.

计量

有机介质加载微波波导中二次电子发射对器件微放电阈值的影响

通讯作者: E-mail: alexaustin@xjtu.edu.cn.;

通讯作者: E-mail: zhangguohe@xjtu.edu.cn.

English Abstract

Impact of secondary electron emission on multipactor threshold in microwave waveguides loaded with organic dielectrics

Corresponding author: E-mail: alexaustin@xjtu.edu.cn.;

Corresponding authors: E-mail: zhangguohe@xjtu.edu.cn.

全文HTML

2.1. PTFE和PI有机介质性能分析

2.2. Ku波段的单脊波导设计

2.3. 单脊波导电性能仿真

2.4. 有机介质表面SEY测试分析

2.5. 脊波导微放电特性仿真分析

3.1. 微孔结构降低SEY的理论分析

3.2. 有机介质表面微孔结构实现与SEY测试分析

3.3. 外电场影响下的电子轨迹和介质SEY演化

3.4. 脊波导器件实物电性能测试

3.5. 填充件处理后的脊波导器件微放电仿真

目录

有机介质加载微波波导中二次电子发射对器件微放电阈值的影响

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出版历程

有机介质加载微波波导中二次电子发射对器件微放电阈值的影响

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2.2. Ku波段的单脊波导设计

2.3. 单脊波导电性能仿真

2.4. 有机介质表面SEY测试分析

2.5. 脊波导微放电特性仿真分析

3.1. 微孔结构降低SEY的理论分析

3.2. 有机介质表面微孔结构实现与SEY测试分析

3.3. 外电场影响下的电子轨迹和介质SEY演化

3.4. 脊波导器件实物电性能测试

3.5. 填充件处理后的脊波导器件微放电仿真

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