3.3 雷达接收系统关键器件电磁损伤效应

3.3.1 限幅器的电磁干扰效应

开展PIN限幅器HPM效应研究主要采用实验与计算机仿真两种方法。其中，实验研究获得的效应数据及效应规律多具有军事应用背景，结果较为敏感，国外公开报道的文献资料较少。国内目前主要是几家单位开展相关的研究工作，采用实验的方法获得多种型号 PIN 限幅器的HPM损伤功率阈值数据，掌握效应规律，但在效应机理研究方面还存在不足。同时，国内外一些科研单位采用计算机仿真方法对PIN限幅器的HPM效应过程及机理进行了探索性研究，获得了一些有价值的结论，具有一定的参考价值，列举如下。

Harry Diamond实验室的Tan等人利用内部软件DIODE对PIN限幅器的微波响应进行了数值模拟研究，理论分析了薄I层PIN二极管的微波正半周与负半周特性，获得了PIN限幅器的尖峰泄漏及瞬态响应特性。采用实验的方法研究了快前沿微波脉冲与PIN限幅器尖峰泄漏能量、恢复时间及损伤效应之间的关系，有一定参考价值。

清华大学杜正伟等人采用自行编写的一维半导体仿真程序对强电磁脉冲作用下PIN二极管的瞬态响应特性进行了仿真研究，计算了PIN二极管在快前沿（0.1ns以下）阶跃脉冲注入下的过冲电流，得到了上升沿越陡过冲电流越大的效应规律。陈曦研究了微波脉冲宽度对 PIN 限幅器烧毁等热效应的影响规律，利用程序仿真了微波脉冲频率为1.0GHz和2.865GHz时PIN限幅器的温升情况，指出脉冲宽度在20～2000ns时，PIN二极管达到一定最高温度所需的脉冲功率随脉冲宽度的增加而下降，两者近似成反比关系，并利用PIN二极管的Leenov模型对这一现象的机理及原因进行了分析，解释了反比关系的成因。

电子科技大学的汪海洋等人采用电路仿真的方法对 PIN 限幅器的 HPM 效应机理进行了模拟，并开展了效应实验，通过载流子扩散方程获得了 PIN 二极管的时域等效电路模型及限幅器的仿真模型，通过仿真研究了HPM脉冲参数对限幅器输出特性的影响，并将计算结果与注入实验结果进行了比较。

在文献中，作者采用电路仿真软件 Pspice计算了结温度对 PIN限幅器尖峰泄漏的影响。通过改变 PIN二极管的电路参数，模拟了不同温度下的 PIN二极管工作状态，其计算结果表明：PIN限幅器的尖峰泄漏功率随着PIN二极管结温的升高而增大，可能会损伤后端的微波接收机。

典型的PIN二极管半导体模型和限幅器的电路模型（Skywork公司的CLA4602系列PIN限幅器）如图3.9和图3.10所示。对该模型在电磁脉冲、HPM作用下的效应开展数值模拟，对不同上升沿电磁脉冲作用下 PIN 二极管内的响应进行了研究，结果表明，脉冲的上升沿对器件的过冲电流影响较大，上升沿时间越短，过冲电流的幅值越大，波形也越陡峭，如图3.9所示。

通过建立的单管和双管的PIN限幅器电路模型，对其在HPM干扰下的效应进行了计算。图3.11所示是该模型在1GHz的HPM作用下计算出的器件毁伤时间与幅值曲线。

基于同样的PIN二极管半导体结构及掺杂浓度模型，建立双管PIN限幅器结构示意图及其在HPM干扰下的工作情况模拟，分别如图3.12和图3.13所示。

3.3.2 低噪声放大器的电磁干扰效应

低噪声放大器（LNA）位于接收机前端，主要用途是将天线接收到的微弱信号放大，降低噪声系数，以便后端的处理系统解调出所需信息。LNA是电磁干扰信号由“前门”进入电子系统的途径之一，也是电子系统遭受电磁干扰时的敏感和易损器件。

国内的电子科技大学和西安电子科技大学等单位对 LNA 在外部电磁干扰信号作用下的效应开展了研究工作。西安电子科技大学的柴常春等对注入信号的形式、功率、能量等进行了计算，分析了最易引起器件效应的脉冲信号形式，对LNA内部元器件的电压、电流等工作状态进行了仿真，对BJT型LNA在脉冲作用下的易损环节进行了分析，并开展了脉冲注入实验及LNA的效应研究工作。电子科技大学的汪海洋等利用电路模型的方法，研究了LNA效应与外部干扰信号功率（信号幅值）、脉宽、调制方式（波形）等参数的关系，并利用动态注入效应实验系统开展了实验研究工作。

典型的某LNA电路模型示意图如图3.14所示，从电路图中可以看出该器件为二级放大器，核心器件是两个BJT管。图3.15所示是通过参数提取等技术手段获得的该型号LNA内部BJT管的结构图。

还有很多研究人员围绕LNA的核心器件双极型晶体管（BJT）开展了研究工作。例如，西安电子科技大学的柴常春等人对不同样式的高功率微波对双极晶体管的损伤效应和机理进行了数值模拟及实验研究。结果表明，信号幅值相同时，三角波作用下器件的温度上升最慢，方波作用下器件的温度上升最快。西安电子科技大学的柴常春等人对BJT在基极注入高功率微波信号的损失效应和机理开展了实验和数值模拟研究，通过分析BJT内部的温度分布，认为注入脉冲幅值较低时，烧毁点位于发射结柱面区，失效机制是发射结反向雪崩击穿所致，而在脉冲幅值较高时，发射极靠近基极一侧的边缘是最易烧毁的部位，其失效机制由基区-外延层-衬底发生二次击穿引起。在柴常春等人的研究文章中，都将器件内部的最高温度作为器件是否失效的判据。

3.3.3 混频器的电磁干扰效应

微波混频器作为关键部件被广泛应用于各种高灵敏度的微波接收机系统中的前端，负责整个系统的频率变换，它是最普通、最关键的功能器件之一，也被认为是雷达和其他电子系统中的敏感易损器件。肖特基管型的混频器是最为常见的混频器类型，其电路结构相对简单，核心功能元件是肖特基二极管，电路拓扑及模型分别如图3.16和图3.17所示。由于肖特基管较为特殊，存在金属半导体接触的肖特基结，与一般的PN结型器件相比，存在肖特基势垒，没有非平衡载流子电荷存储效应和扩散电容，在公开文献中对其电磁干扰效应报道较少。本书关于这部分的研究尚在开展。