強電磁環(huán)境下電子元器件效應(yīng)實驗研究

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，又有強烈的人為干擾源，如大功率雷達、電子干擾設(shè)備、超寬帶、強電磁輻射干擾機等，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)生的強電磁環(huán)境，必將嚴重地危及電子、信息化裝備和人員安全[1]。

強電磁環(huán)境主要由各種類型電磁脈沖構(gòu)成，主要包括：1）雷達、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，強電磁環(huán)境是各種強輻射源發(fā)射的功率密度或能量密度高到足以對軍用或民用設(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)鍵電子元器件在強電磁環(huán)境下的效應(yīng)實驗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 強電磁環(huán)境下電子元器件效應(yīng)

電磁脈沖對電子設(shè)備的耦合途徑可分為“前門耦合”和“后門耦合”2 種方式，強電磁脈沖可以通過前門和后門2種渠道耦合進入電子系統(tǒng)并對其產(chǎn)生干擾、破壞作用，一旦電磁脈沖進入到電子系統(tǒng)內(nèi)部，就可能對電路實施干擾，或者對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，強電磁脈沖對電子元器件損傷的情況，一般是燒毀集成固態(tài)器件，或者使電路中某個元件的設(shè)計參數(shù)不起作用而導(dǎo)致電子系統(tǒng)的功能性損傷。對電子元器件而言，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 強電磁環(huán)境下電子元器件效應(yīng)實驗

通過電磁脈沖效應(yīng)實驗確定電子系統(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、衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收機的射頻前端部分主要是完成信號放大、混頻等相關(guān)功能，微波單元器件屬于必不可少的器件。微波信號從“前門”耦合損傷接收機，實際上是損壞接收機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 注入實驗原理Fig.1 Schematic diagram of injected experimentation

對微波元器件的效應(yīng)實驗主要采用注入法。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 對電子元器件效應(yīng)以及系統(tǒng)敏感度評估，值得借鑒[4—5]。在注入時，微波作用于效應(yīng)物的通道為前門，注入信號頻率范圍一般在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)實驗避開了復(fù)雜的耦合環(huán)節(jié)，獲得的效應(yīng)閾值比較準確，可以用于效應(yīng)機理、效應(yīng)規(guī)律研究以及對系統(tǒng)前門效應(yīng)的預(yù)估。

圖2 注入實驗典型波形Fig.2 Typical waveform of injected experimentation

微波效應(yīng)實驗系統(tǒng)由微波輻射源、效應(yīng)物和監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)對效應(yīng)物狀態(tài)、輻射源狀態(tài)進行監(jiān)視，在注入實驗中對效應(yīng)物的注入功率進行測量，為實驗結(jié)果分析提供數(shù)據(jù)。

2.1 低噪聲放大器效應(yīng)實驗系統(tǒng)和效應(yīng)判據(jù)

低噪聲放大器（LNA）注入實驗系統(tǒng)原理如圖3所示。實驗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；定向耦合器的耦合信號經(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。將實驗測量效應(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)測得出。

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

低噪聲放大器損傷判據(jù)：實驗前后用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試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別。對于LNA 單元模塊，當(dāng)模塊的增益下降達到3 dB時，器件性能降級，初步判斷其輸出信號已不能滿足后級電路的要求。但是，對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，對于高質(zhì)量等級的LNA 其增益可能下降達到10 dB以上，才會影響其系統(tǒng)性能變化；對于具有測角功能的系統(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，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)實驗系統(tǒng)和效應(yīng)判據(jù)

限幅器微波注入實驗，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，并測量其干擾和損傷值。實驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 限幅器組件微波注入效應(yīng)實驗系統(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下級電路產(chǎn)生干擾甚至損傷，這是在實驗中應(yīng)予以關(guān)注的問題。同時，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 實驗結(jié)果和現(xiàn)象分析

通過上述實驗系統(tǒng)對LNA和限幅器進行了相關(guān)注入實驗，得到一些典型實驗前后增益變化圖形和試驗損傷圖，如圖5—圖6所示。對于具有測角功能的系統(tǒng)，其LNA實驗前后不僅要關(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電磁環(huán)境注入效應(yīng)實驗系統(tǒng)，對強電磁環(huán)境電子元器件效應(yīng)閾值進行了研究分析，并對實驗的電磁效應(yīng)現(xiàn)象和效應(yīng)判斷進行了闡述和分析。電子系統(tǒng)的性能下降或損傷由其薄弱環(huán)節(jié)決定，實驗得到的數(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.

[2]賀云漢.系統(tǒng)高功率微波加固設(shè)計指南[M].四川：中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，2003.

[4]GORANSSON G. HPM Effects on Electronic Components and the Importance of This Knowledge Evaluation of System Suspectibility[J].IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，1999（1）：543—548.

[5]KIM K, ILIADIS A A. Impact of Microwave Interference on Dynamic Operation and Power Dissipation of CMOS Inverters[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2007，49（2）：329—338.