強(qiáng)電磁環(huán)境下電子元器件效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

許黎明，閆二艷，馬弘舸

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；2.中國工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽 621900）

未來空域的電磁環(huán)境既有自然界的雷電、靜電等干擾源，又有強(qiáng)烈的人為干擾源，如大功率雷達(dá)、電子干擾設(shè)備、超寬帶、強(qiáng)電磁輻射干擾機(jī)等，使空域的電磁環(huán)境變得異常復(fù)雜。各類自然和人為因素所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁環(huán)境，必將嚴(yán)重地危及電子、信息化裝備和人員安全[1]。

強(qiáng)電磁環(huán)境主要由各種類型電磁脈沖構(gòu)成，主要包括：1）雷達(dá)、電磁干擾、電子戰(zhàn)發(fā)射的電磁波；2）核電磁脈沖；3）高功率微波；4）雷電等。表1列舉了不同電磁脈沖參數(shù)和作用效果。

因此，強(qiáng)電磁環(huán)境是各種強(qiáng)輻射源發(fā)射的功率密度或能量密度高到足以對(duì)軍用或民用設(shè)備中的關(guān)鍵電子元器件發(fā)生反轉(zhuǎn)、干擾、退化或損傷的空域，其形式可能為單脈沖、重復(fù)脈沖、調(diào)制脈沖或連續(xù)波。電子設(shè)備關(guān)鍵電子元器件在強(qiáng)電磁環(huán)境下的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究顯得越來越重要。

表1 不同電磁脈沖參數(shù)和作用效果表Table 1 Different electromagnetic pulse parameters and effects

1 強(qiáng)電磁環(huán)境下電子元器件效應(yīng)

電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的耦合途徑可分為“前門耦合”和“后門耦合”2 種方式，強(qiáng)電磁脈沖可以通過前門和后門2種渠道耦合進(jìn)入電子系統(tǒng)并對(duì)其產(chǎn)生干擾、破壞作用，一旦電磁脈沖進(jìn)入到電子系統(tǒng)內(nèi)部，就可能對(duì)電路實(shí)施干擾，或者對(duì)電子元器件造成物理損傷。電子系統(tǒng)內(nèi)部敏感元器件成為電磁脈沖效應(yīng)的關(guān)鍵，強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子元器件損傷的情況，一般是燒毀集成固態(tài)器件，或者使電路中某個(gè)元件的設(shè)計(jì)參數(shù)不起作用而導(dǎo)致電子系統(tǒng)的功能性損傷。對(duì)電子元器件而言，在電磁脈沖產(chǎn)生的過壓或電涌的沖擊下，可能出現(xiàn)的損傷包括開路、短路、晶體管增益下降[2]。

2 強(qiáng)電磁環(huán)境下電子元器件效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

通過電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)確定電子系統(tǒng)中敏感元器件的效應(yīng)閾值，可為電子系統(tǒng)敏感度分析及電磁防護(hù)提供參考數(shù)據(jù)，同樣也是預(yù)估相似電子系統(tǒng)的效應(yīng)閾值有效的研究途徑。

雷達(dá)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收機(jī)的射頻前端部分主要是完成信號(hào)放大、混頻等相關(guān)功能，微波單元器件屬于必不可少的器件。微波信號(hào)從“前門”耦合損傷接收機(jī)，實(shí)際上是損壞接收機(jī)前端的微波單元器件。微波單元器件包括多種微波無源和有源器件，常見的有低噪聲放大器、收發(fā)開關(guān)（TR管）、限幅器、混頻器等，其中低噪聲放大器、限幅器較易受損。

圖1 注入實(shí)驗(yàn)原理Fig.1 Schematic diagram of injected experimentation

對(duì)微波元器件的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)主要采用注入法。注入法主要用于研究元器件、單元電路或某些組件的效應(yīng)問題，可以獲得元器件級(jí)效應(yīng)物的效應(yīng)閾值，如圖1所示。瑞典、美國馬里蘭大學(xué)以及LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）采用注入法較系統(tǒng)地研究了HPM 對(duì)電子元器件效應(yīng)以及系統(tǒng)敏感度評(píng)估，值得借鑒[4—5]。在注入時(shí)，微波作用于效應(yīng)物的通道為前門，注入信號(hào)頻率范圍一般在1～18 GHz，脈寬范圍一般在 20～500 ns，1～100 Hz 不同重頻條件下，注入典型波形如圖2 所示，圖2 為典型的脈沖檢波波形。注入法效應(yīng)實(shí)驗(yàn)避開了復(fù)雜的耦合環(huán)節(jié)，獲得的效應(yīng)閾值比較準(zhǔn)確，可以用于效應(yīng)機(jī)理、效應(yīng)規(guī)律研究以及對(duì)系統(tǒng)前門效應(yīng)的預(yù)估。

圖2 注入實(shí)驗(yàn)典型波形Fig.2 Typical waveform of injected experimentation

微波效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由微波輻射源、效應(yīng)物和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。效應(yīng)物主要為低噪聲放大器和限幅器。微波源產(chǎn)生并輻射電磁波；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)效應(yīng)物狀態(tài)、輻射源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，在注入實(shí)驗(yàn)中對(duì)效應(yīng)物的注入功率進(jìn)行測(cè)量，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析提供數(shù)據(jù)。

2.1 低噪聲放大器效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和效應(yīng)判據(jù)

低噪聲放大器（LNA）注入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中將微波源輸出的微波，經(jīng)微波衰減器調(diào)節(jié)至注入功率的大小，經(jīng)定向耦合器注入到效應(yīng)物注入點(diǎn)；定向耦合器的耦合信號(hào)經(jīng)檢波器檢波輸入記錄儀器，經(jīng)換算得到注入效應(yīng)物的功率值。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量效應(yīng)物在微波脈沖作用下產(chǎn)生永久損傷的效應(yīng)閾值作為敏感度的度量，通過功率診斷和波形監(jiān)測(cè)得出。

圖3 低噪聲放大器（LNA）注入效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig. 3 Schematic diagram of injected effect experimentation of LNA

低噪聲放大器損傷判據(jù)：實(shí)驗(yàn)前后用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試LNA模塊的增益，觀察增益變化，結(jié)合具體系統(tǒng)性能變化判斷其損傷級(jí)別。對(duì)于LNA 單元模塊，當(dāng)模塊的增益下降達(dá)到3 dB時(shí)，器件性能降級(jí)，初步判斷其輸出信號(hào)已不能滿足后級(jí)電路的要求。但是，對(duì)于具體的具有一定功能的系統(tǒng)，其電子元器件失效的定量判據(jù)根據(jù)使用方所處的使用角度和功能的不同而不同。例如，對(duì)于高質(zhì)量等級(jí)的LNA 其增益可能下降達(dá)到10 dB以上，才會(huì)影響其系統(tǒng)性能變化；對(duì)于具有測(cè)角功能的系統(tǒng)，還要考慮LNA自身相位的變化。因此，在涉及具體具有一定功能系統(tǒng)中關(guān)鍵電子元器件的失效判據(jù)時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)的具體功能和使用精度來判斷。

2.2 限幅器效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和效應(yīng)判據(jù)

限幅器微波注入實(shí)驗(yàn)，考察不同微波脈沖寬度、不同波段作用下微波限幅器的泄漏和透射特性，并測(cè)量其干擾和損傷值。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 限幅器組件微波注入效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig. 4 Schematic diagram of injected effect experimentation of the limiter module

限幅器工作存在前沿泄漏和一定斜率的坪區(qū)。在微波脈沖的作用下，限幅器存在上升沿峰值信號(hào)泄漏（前沿泄漏），即高的功率脈沖渡越限幅器現(xiàn)象，其泄漏功率將可能對(duì)下級(jí)電路產(chǎn)生干擾甚至損傷，這是在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)予以關(guān)注的問題。同時(shí)，高脈沖功率可能直接導(dǎo)致限幅器功能損傷，使其不能正常工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象分析

通過上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)LNA和限幅器進(jìn)行了相關(guān)注入實(shí)驗(yàn)，得到一些典型實(shí)驗(yàn)前后增益變化圖形和試驗(yàn)損傷圖，如圖5—圖6所示。對(duì)于具有測(cè)角功能的系統(tǒng)，其LNA實(shí)驗(yàn)前后不僅要關(guān)注增益變化，還要關(guān)注相位等參數(shù)的變化。

圖5 電子元器件損傷效應(yīng)現(xiàn)象Fig.5 Microphotograph of electronic components damage

LNA和限幅器在強(qiáng)電磁脈沖L波段—Ku波段不同頻率、脈寬在20 ～500 ns，1～100 Hz 不同重頻條件下出現(xiàn)的損傷效應(yīng)如下：

1）LNA 損傷閾值在1～100 W，主要表現(xiàn)為增益下降、相位出現(xiàn)變化等，試驗(yàn)現(xiàn)象主要有燒毀開路、擊穿短路等。

圖6 LNA模塊和限幅器試驗(yàn)前后增益的變化Fig. 6 Typical gain fluctuation curves of LNA module and limiter before and after experimentation

2）限幅器損傷閾值在100 W～10 kW，主要現(xiàn)象表現(xiàn)為增益下降等，試驗(yàn)現(xiàn)象主要有燒毀開路、擊穿短路等。

4 結(jié)語

通過構(gòu)建易損毀電子元器件強(qiáng)電磁環(huán)境注入效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)強(qiáng)電磁環(huán)境電子元器件效應(yīng)閾值進(jìn)行了研究分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的電磁效應(yīng)現(xiàn)象和效應(yīng)判斷進(jìn)行了闡述和分析。電子系統(tǒng)的性能下降或損傷由其薄弱環(huán)節(jié)決定，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和規(guī)律為電子系統(tǒng)敏感度分析和電子設(shè)備抗強(qiáng)輻射加固提供參考數(shù)據(jù)，并可預(yù)估電子系統(tǒng)的效應(yīng)閾值。

[1]劉尚合.武器裝備與電磁環(huán)境效應(yīng)[J].電磁兼容性技術(shù)，2006，5（3）：1—7.

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