某型雷達低噪聲放大器的HPM毀傷效應研究

許 一,孟藏珍,項建濤,許紅波,胡 欣,3

(1.空軍預警學院,湖北 武漢 430019;2.解放軍95969部隊,湖北 武漢 430019;3.解放軍93498部隊,河北 石家莊 050000)

0 引 言

隨著高功率電磁脈沖技術的發(fā)展成熟,高功率微波武器(HPMW)已成為嚴重威脅雷達裝備安全的新型攻擊武器。高功率微波(HPM)能以“前門耦合”和“后門耦合”方式進入雷達裝備內(nèi)部,以電壓或電流的形式對電子元器件造成干擾、破壞和直接燒毀。低噪聲放大器(LNA)是雷達接收機內(nèi)部的重要組成,在雷達系統(tǒng)中處于天線后第一級的位置,具有噪聲系數(shù)低、信號靈敏度高等特點,非常容易受到高功率微波前門耦合攻擊,失去基本硬件功能,甚至導致雷達裝備整體癱瘓。因此,研究高功率微波對LNA的毀傷效應,對于提高雷達裝備的高功率微波防護能力具有重要意義。

目前,研究人員已開展了大量針對低噪聲放大器的高功率微波毀傷效應的理論和實驗研究。文獻[1]～[2]建立了LNA電磁脈沖效應仿真模型。文獻[3]～[4]對低噪聲放大器中的半導體器件進行了強電磁脈沖效應仿真研究與試驗驗證。文獻[5]～[12]針對低噪聲放大器的HPM毀傷效應開展了仿真分析和實驗研究。綜上可知,當前有關強電磁脈沖對低噪聲放大器損傷效應的研究較完善,但在實際工作中,不同低噪聲放大器因材料不同、設計不同,受HPM影響特性不同,毀傷機理也不盡相同。為探究某型雷達低噪聲放大器的HPM毀傷效應,為該型雷達裝備的抗HPM毀傷效能評估和防護設計提供一定的數(shù)據(jù)基礎,本文開展了該型低噪聲放大器的HPM注入毀傷實驗,通過理論分析和實驗測試,探究該型LNA器件的毀傷機理和毀傷閾值。

1 HPM對低噪聲放大器的毀傷機理

1.1 低噪聲放大器的HPM效應

高功率微波對低噪聲放大器的影響可分為線性效應和非線性效應2種。線性效應指的是HPM功率大于正常信號的幅度,但還沒有使LNA器件飽和或損傷,LNA器件仍然工作在正常的線性范圍內(nèi),對器件物理性能和指標不會產(chǎn)生影響。非線性效應是指HPM功率遠遠大于正常信號的幅度,導致LNA器件工作在非線性狀態(tài),或引起器件的節(jié)點燒毀、溝道擊穿,對器件的物理性能產(chǎn)生嚴重影響,是高功率微波對LNA器件的基本破壞機制[13]。

1.2 低噪聲放大器的毀傷機理

半導體器件是低噪聲放大器的核心器件,也是對HPM最敏感的部件。在HPM作用下,半導體器件的不同部分可能產(chǎn)生不同的損傷機制,但常見的失效模式主要分為3種:(1)金屬線燒毀;(2)氧化層介質(zhì)擊穿;(3)二次擊穿。

1.2.1 金屬線燒毀

半導體器件內(nèi)部存在很多用于互相連接模塊和引腳的金屬引線。在HPM的作用下,由于金屬引線中的大電流密度而產(chǎn)生大量的熱,局部溫度急劇上升,達到金屬的熔點,引起金屬觸點、連接線燒融產(chǎn)生開路,相鄰的金屬線互連產(chǎn)生短路等現(xiàn)象。

1.2.2 氧化層介質(zhì)擊穿

在HPM作用下,氧化層介質(zhì)擊穿是半導體器件絕緣區(qū)毀傷的主要因素。

半導體器件內(nèi)氧化層厚度隨著器件尺寸的不斷縮小變得越來越薄,但器件的電場強度仍然不變,導致氧化層溝道區(qū)的電場顯著增強。載流子在強電場中極易形成熱載流子,被柵極氧化層的電荷陷阱俘獲并累積,這將導致器件特性和電路性能隨HPM的不斷作用逐漸退化。當積累的電荷鏈穿通氧化層形成導電通道,便產(chǎn)生擊穿,最終引起器件的失效[14]。

1.2.3 二次擊穿

半導體器件的二次擊穿分為熱二次擊穿和電二次擊穿2種。

熱二次擊穿和半導體器件的過熱點有關,主要是因為在大電壓作用時器件內(nèi)部熱量分布不均勻,電流密度和電場強度在某點達到最大,該點的溫度迅速升高,形成熱斑(過熱點),從而使得半導體器件出現(xiàn)不可恢復的毀傷現(xiàn)象。該現(xiàn)象一般出現(xiàn)時間為μs或ms級。

電二次擊穿主要是在高電場強度和大電流密度的影響下,半導體器件內(nèi)部載流子發(fā)生雪崩式倍增導致二次擊穿,造成器件永久性損壞的現(xiàn)象。該現(xiàn)象一般出現(xiàn)時間為ns級[14]。

2 HPM注入毀傷實驗

2.1 毀傷實驗平臺設計

為了研究高功率微波對某型雷達低噪聲放大器的毀傷效應,本文設計了由信號源、功放、可調(diào)直流電源、LNA、同軸衰減器、矢量網(wǎng)絡分析儀組成的HPM注入毀傷實驗平臺,如圖 1所示。

圖1 S波段LNA注入毀傷實驗框圖

該實驗平臺充分利用矢量網(wǎng)絡分析儀的高集成度優(yōu)勢,具有搭建簡單、集成度高、測試時間短等特點,相較于常規(guī)測試方案,顯著提高了實驗的測試效率和測試精度。

2.2 受測器件性能指標

某型雷達低噪聲放大器由輸入、輸出隔離器和多級場效應管放大器組成,如圖 2所示。

圖2 某型雷達低噪聲放大器組成示意圖

該型LNA具有噪聲系數(shù)低、增益高等特點,其基本參數(shù)如表 1所示。

表1 LNA基本參數(shù)

多級場效應管放大器是由裝接在微帶電路板上的砷化鎵場效應管(FET)及直流偏置電路組成,具有靈敏度高、耐功率性差等特點,電路原理如圖3所示。

圖3 多級場效應管電路原理圖

2.3 測試信號參數(shù)

實驗注入脈沖信號源對標某型高功率微波導彈信號,采用工作頻帶內(nèi)點頻信號進行注入。點頻頻率為2.75 GHz,脈寬為1 μs,重復頻率50 Hz,每次注入1 min。注入脈沖信號波形如圖4所示。

圖4 注入脈沖信號時域和頻域波形

2.4 實驗內(nèi)容

(1) 對實驗儀器和設備進行檢測與校準,測量儀器及線路耗損誤差,并計算測試補償方法,確保實驗精確度;

(2) 連接實驗設備,對LNA供電;

(3) 使用矢網(wǎng)對LNA進行S參數(shù)、功率參數(shù)測試并記錄數(shù)據(jù);

(4) 功放連接LNA,開啟微波信號源,對LNA注入脈沖信號,通過矢網(wǎng)實時監(jiān)測LNA增益變化;

(5) 注入后用矢網(wǎng)對LNA進行S參數(shù)、功率參數(shù)測試,記錄LNA參數(shù)的變化數(shù)據(jù);

(6) 步進方式信號源功率,重復(4)～(5)步操作;

(7) 當矢網(wǎng)監(jiān)測LNA的增益發(fā)生明顯變化時,停止注入信號,對LNA進行S參數(shù)、功率參數(shù)測試并記錄數(shù)據(jù);

(8) LNA器件靜置1 min,再次進行S參數(shù)、功率參數(shù)測試并記錄數(shù)據(jù)。

3 實驗結果分析與討論

3.1 實驗結果分析

當不同功率信號注入后,矢網(wǎng)監(jiān)測LNA器件增益變化,如圖5所示。

圖5 LNA器件增益變化示意圖

當HPM注入功率較小時,LNA的增益基本保持在35 dB左右,沒有發(fā)生線性或非線性變化,表明器件性能在該階段不受注入信號影響,沒有產(chǎn)生線性效應或干擾、降級等影響;當注入功率增加到37 dBm時,LNA的增益突然降低,工作電流明顯增加,靜置一段時間后,LNA的增益沒有恢復,表明器件受到永久性損傷。

LNA損壞前后S參數(shù)、功率參數(shù)掃描結果對比如圖6所示。

圖6 LNA損壞前后S參數(shù)、功率參數(shù)掃描結果對比

圖7 GaAs FET異常位置微觀圖像

當HPM注入功率低于37 dBm時,不論注入功率大小,LNA的S參數(shù)和功率參數(shù)掃描結果保持穩(wěn)定,沒有明顯變化,如圖 6(a)、(b)所示;當注入功率達到37 dBm時,LNA的S參數(shù)和功率參數(shù)掃描結果表示,其增益明顯降低且噪聲增大,如圖 6(c)、(d)所示。

上述實驗結果分析表明,受測LNA的HPM毀傷閾值約為37 dBm,當HPM注入功率小于毀傷閾值時,LNA性能不受影響,不發(fā)生線性變化或干擾、降級等非線性影響;當HPM注入功率高于毀傷閾值時,LNA受到永久性損傷,性能失效。

3.2 損傷機理驗證

對受損后的LNA拆解發(fā)現(xiàn),器件金屬線路沒有發(fā)生燒融現(xiàn)象,各類電阻、電容檢測正常,對FET拆解,利用電子顯微鏡觀測發(fā)現(xiàn),器件內(nèi)部柵極和源極之間出現(xiàn)明顯的燒融,如圖 7所示。由此可知,HPM作用下,該型LNA內(nèi)的FET器件在源極和柵極之間因電壓和電流過大產(chǎn)生大量熱量,在短時間熱量快速積累造成器件燒毀。

4 結束語

本文首先理論分析了HPM對低噪聲放大器的毀傷機理,然后構建實驗平臺,并進行了低噪聲放大器的HPM注入毀傷實驗。通過對實驗平臺進行一定的改進和優(yōu)化,能夠更高效地進行測試。實驗分析表明:

(1) 該型雷達LNA的毀傷閾值為37 dBm;

(2) 若HPM注入功率低于LNA毀傷閾值,LNA性能不受影響,不發(fā)生線性變化或干擾、降級等非線性影響;

(3) 若HPM注入功率高于LNA毀傷閾值,LNA內(nèi)的FET器件內(nèi)部柵源之間發(fā)生熱燒融,造成LNA受到永久性損傷,性能失效。

此結論將為該型雷達裝備抗HPM毀傷效能評估提供數(shù)據(jù)支撐,并為高功率微波防護設計提供參考依據(jù)。