【摘 要】
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近年来,随着电子设备小型化、集成化、高速化需求的提升,设备内部各个功能模块之间的电磁兼容问题变得尤为突出,导致其电磁敏感度也变得越来越高。当强电磁脉冲对电子设备进行辐照时,可能以“前门耦合”或“后门耦合”的方式进入设备,导致设备内部敏感器件比如低噪声放大器、混频器、数字集成芯片和电源模块等受扰甚至毁伤。同时由于天线具有较强的频率选择性,使得与天线频谱相关联的强电磁脉冲具有更大的威胁能力。天线后端的
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近年来,随着电子设备小型化、集成化、高速化需求的提升,设备内部各个功能模块之间的电磁兼容问题变得尤为突出,导致其电磁敏感度也变得越来越高。当强电磁脉冲对电子设备进行辐照时,可能以“前门耦合”或“后门耦合”的方式进入设备,导致设备内部敏感器件比如低噪声放大器、混频器、数字集成芯片和电源模块等受扰甚至毁伤。同时由于天线具有较强的频率选择性,使得与天线频谱相关联的强电磁脉冲具有更大的威胁能力。天线后端的射频接收链路中,首当其冲的便是低噪声放大器,受到放大器自身半导体晶体管特性的影响,使得它对强电磁脉冲尤为敏感,因此本文主要从低噪声放大器与强电磁脉冲的频谱关联性出发,研究了强电磁脉冲作用下不同低噪声放大器的响应特性和热损伤特性,并通过试验验证了仿真所得规律,对于强电磁脉冲作用下低噪声放大器的防护方法研究具有重要意义。第一部分首先分析了半导体晶体管的基本特性,并结合强电磁脉冲和雷达、通信系统之间的频谱关联性,确定了三类强电磁脉冲对低噪声放大器的威胁等级,明确了窄谱高功率微波(HPM-NS)是雷达系统p HEMT型低噪声放大器的主要威胁,核电磁脉冲(HEMP)是通信系统BJT型低噪声放大器的主要威胁。第二部分通过分析低噪声放大器的性能指标和半导体器件在强电磁脉冲(EMP)作用下的失效模式,确定了增益和噪声系数是放大器损伤的主要判据,并对BJT和p HEMT型低噪声放大器的工作原理和损伤机理进行归纳,明确了基极注入时BJT晶体管的发射结柱面为易损部位,栅极注入时p HEMT晶体管的栅极下方偏向源极处为易损部位。第三部分通过对低噪声放大器的电路仿真,研究了放大器未发生热损伤时的响应特性,同时建立了晶体管的数值物理模型,研究了其在发生热损伤时的温升特性。研究结果表明随着HPM-NS幅值的增加,以ATF54143为晶体管的p HEMT型低噪声放大器的栅-源极之间会发生雪崩击穿并导致增益明显下降,使得低噪声放大器出现瞬时压制和瞬时干扰的现象,且脉冲特性参数对瞬时干扰的恢复时间有一定的影响,该现象可能导致雷达无法有效探测到目标;在HEMP作用下,BJT型低噪声放大器出现了可恢复性的损伤,包括瞬时压制和瞬时干扰现象,该现象可能导致通信中断。然后仿真了Ga As p HEMT的热损伤特性,进一步验证了HPM-NS作用下p HEMT的损伤机理。同时考虑到HEMP经过天线耦合后波形会出现较大的变化,因此根据GJB538-88仿真研究了阶跃脉冲下BJT的热损伤特性,通过研究验证了BJT的发射结柱面是主要易损部位;仿真结果表明晶体管的热损伤阈值和脉冲特性参数有关,无论是p HEMT还是BJT的热损伤功率阈值均呈现随脉冲脉宽的增加而下降,且斜率变缓的趋势。第四部分明确了不同强电磁脉冲下低噪声放大器损伤效应试验方法,并基于GJB538-88对低噪声放大器进行方波脉冲注入试验,进一步探究脉冲的特性参数对低噪声放大器永久性损伤阈值的影响,同时验证仿真规律的准确性,进而提出针对三类强电磁脉冲的低噪声放大器防护方法和减小防护模块(波导等离子体限幅器)响应时间的措施。
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