強(qiáng)電磁脈沖對(duì)微波場(chǎng)效應(yīng)管影響的仿真研究

袁乾臣，楊 歡，楊秀山，張子劍，陳 曦

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

強(qiáng)電磁脈沖對(duì)微波場(chǎng)效應(yīng)管影響的仿真研究

袁乾臣，楊 歡，楊秀山，張子劍，陳 曦

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

微波場(chǎng)效應(yīng)管（MESFET）構(gòu)成的低噪聲放大器電路常用于射頻前端，是常見的射頻模擬電路。該電路在強(qiáng)電磁脈沖作用下易燒毀，從而導(dǎo)致設(shè)備失效。使用半導(dǎo)體器件-電路聯(lián)合仿真器對(duì)強(qiáng)電磁脈沖作用下的微波場(chǎng)效應(yīng)管燒毀過程進(jìn)行仿真，對(duì)失效機(jī)理開展研究，為進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)提供依據(jù)。研究結(jié)果表明：強(qiáng)電磁脈沖達(dá)到一定的闕值會(huì)導(dǎo)致MESFET燒毀，該闕值與強(qiáng)電磁脈沖的上升時(shí)間有關(guān)，根據(jù)仿真結(jié)果可進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖的屏蔽防護(hù)。

強(qiáng)電磁脈沖；微波場(chǎng)效應(yīng)管；仿真

0 引 言

電子設(shè)備已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會(huì)，電磁干擾對(duì)電子設(shè)備造成的破壞和所帶來的事故并不鮮見[1]，對(duì)于電磁干擾破壞的機(jī)理和電磁防護(hù)研究變得越發(fā)重要。強(qiáng)電磁脈沖作為一種重要的電磁干擾形式，其作用范圍和危害巨大，有必要研究強(qiáng)電磁脈沖對(duì)于電子系統(tǒng)的危害，以指導(dǎo)相應(yīng)的防護(hù)措施。本文針對(duì)強(qiáng)電磁脈沖對(duì)低噪聲放大器中微波場(chǎng)效應(yīng)管（Metal Epitaxial-Semiconductor Field Transistor，MESFET）的燒毀作用，使用半導(dǎo)體器件-電路聯(lián)合仿真器仿真電磁脈沖上升時(shí)間對(duì)微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路的影響，并對(duì)仿真結(jié)果開展研究。低噪聲放大器電路用于射頻前端，是常見的射頻模擬電路，對(duì)其中半導(dǎo)體器件的強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)進(jìn)行研究，有助于對(duì)強(qiáng)電磁脈沖燒毀上述電路機(jī)理的理解，對(duì)于強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)非常有意義。

1 仿真模型

1.1 MESFET模型與低噪聲放大器模型

仿真使用半導(dǎo)體器件-電路聯(lián)合仿真器，仿真器由電路仿真器和器件仿真器構(gòu)成，兩者通過器件電路耦合算法聯(lián)合在一起。仿真器考慮了半導(dǎo)體的高溫強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)，給定器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括摻雜等）和電路拓?fù)洌ㄒ跃W(wǎng)單形式輸入），仿真器可以計(jì)算出電路各節(jié)點(diǎn)的電壓電流和器件內(nèi)部的狀態(tài)（包括電場(chǎng)、載流子、溫度分布等）。

仿真參考 NEC公司型號(hào)為 NE76118的 GaAs MESFET結(jié)構(gòu)，對(duì)其中單個(gè)GaAs MESFET進(jìn)行建模，MESFET模型的參數(shù)如表1所示。

MESFET構(gòu)成的低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖 1所示。電路工作在1.3 GHz附近，在1.25～1.35 GHz范圍內(nèi)增益大于11 dB，輸入輸出反射系數(shù)小于-12 dB，噪聲系數(shù)小于0.85 dB。

表1 MESFET模型的參數(shù)

1.2 強(qiáng)電磁脈沖模型

仿真中強(qiáng)電磁脈沖波形[2]的脈沖半高寬取23 ns，上升時(shí)間分別取2.5 ns和10 ns。

脈沖半高寬 23 ns，上升時(shí)間 2.5 ns的波形，為IEC61000-2-9標(biāo)準(zhǔn)中給出的強(qiáng)電磁脈沖的波形，其電場(chǎng)強(qiáng)度可以用雙指數(shù)函數(shù)表示：

式中0E為峰值場(chǎng)強(qiáng)；α，β分別為表征波形的下降沿和上升沿的數(shù)學(xué)參數(shù)；k為修正系數(shù)。波形參數(shù)如表2所示。

表2 上升時(shí)間2.5ns的強(qiáng)電磁脈沖波形參數(shù)（半高寬23ns）

脈沖半高寬為23 ns，上升時(shí)間10 ns的波形，為滿足脈沖半高寬與上升時(shí)間比值不小于4.29[3,4]，通過分段函數(shù)，用兩個(gè)雙指數(shù)波形來表示。用一個(gè)上升時(shí)間10 ns，脈沖寬度46 ns的雙指數(shù)波形最大值之前的部分來滿足 10 ns上升時(shí)間的要求；用一個(gè)上升時(shí)間2.9 ns，脈沖寬度13.26 ns的雙指數(shù)波形最大值之后的部分，并平移到前一個(gè)脈沖最大值時(shí)刻，滿足整個(gè)脈沖23 ns脈沖寬度的要求，具體參數(shù)如表3所示。

表3 上升時(shí)間10ns的強(qiáng)電磁脈沖波形參數(shù)（半高寬23ns）

2種上升時(shí)間的強(qiáng)電磁脈沖波形如圖2所示。

強(qiáng)電磁脈沖波形是對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的描述，入射到電路中需要轉(zhuǎn)換成電壓。仿真中將強(qiáng)電磁脈沖等效為一個(gè)電壓源，電場(chǎng)強(qiáng)度的1 V/m對(duì)應(yīng)于這個(gè)電壓源的1 V電壓，因此入射強(qiáng)電磁脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度和這個(gè)電壓源的電壓在數(shù)值上是相等的。

2 MESFET燒毀的仿真與分析

微波場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大器的燒毀，主要有柵極燒毀和柵源間燒毀兩種情況，針對(duì)這兩種情況開展仿真。

GaAs材料的熔點(diǎn)為1 511 K[5]，電極采用金屬鋁，熔點(diǎn)為933 K[6]，仿真時(shí)根據(jù)材料和電極兩者中的任意一個(gè)是否達(dá)到熔點(diǎn)作為器件是否燒毀的判斷標(biāo)準(zhǔn)，分析得出MESFET燒毀的機(jī)理以及MESFET燒毀與強(qiáng)電磁脈沖、上升時(shí)間、峰值場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系。

2.1 柵極的燒毀仿真分析

如果入射電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)上升得足夠高，將導(dǎo)致柵極電極先達(dá)到熔點(diǎn)而燒毀，通過仿真可得到柵極直接燒毀所需的最小峰值場(chǎng)強(qiáng)Ebreak1及燒毀時(shí)間tbreak1，仿真結(jié)果如表4所示。

表4 柵極燒毀仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

仿真過程中，可以看到強(qiáng)電磁脈沖注入器件，先是短暫的電壓振蕩，之后柵極電壓保持穩(wěn)定，在電場(chǎng)的持續(xù)作用下，柵極上的持續(xù)電壓導(dǎo)致柵極下的溝道具有極高的電場(chǎng)，溝道內(nèi)有大量的電子產(chǎn)生，電子在電場(chǎng)的作用下能量增大，溝道內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，且位置靠近電極，最終電極熔化導(dǎo)致器件燒毀，柵極燒毀時(shí)刻MESFET內(nèi)部熱量產(chǎn)生的分布如圖3所示。

低噪聲放大器工作在1.3 GHz附近，而強(qiáng)電磁脈沖的能量主要集中在低頻。因此電路對(duì)于入射的強(qiáng)電磁脈沖有很強(qiáng)的反射作用，上升時(shí)間越長(zhǎng)，同等峰值場(chǎng)強(qiáng)的強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入電路的電壓越低。進(jìn)入低噪聲放大器電路中的電壓與上升時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。上升時(shí)間越長(zhǎng)，加在MESFET柵極上面的電壓越低，柵極下溝道中電子獲得的能量越小，則燒毀柵極需要的最小峰值場(chǎng)強(qiáng)Ebreak1越大，需要的燒毀時(shí)間tbreak1越長(zhǎng)。

2.2 源柵間的燒毀仿真分析

如果入射強(qiáng)電磁脈沖的峰值場(chǎng)強(qiáng)低于閾值Ebreak1，也可能發(fā)生源柵間燒毀的情況。通過仿真可得到源柵間燒毀所需的最小峰值場(chǎng)強(qiáng)Ebreak2及燒毀時(shí)間tbreak2，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 源柵極燒毀仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

仿真過程中，可以看到柵極溫度在上升到一定值后開始下降，當(dāng)入射脈沖的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到峰值并逐漸下降時(shí)，MESFET溝道會(huì)發(fā)生夾斷，且源極電壓高于漏極電壓。雖然溝道夾斷但剩余的電子仍然會(huì)在電壓的作用下積聚到源極，且溝道內(nèi)的電場(chǎng)使電子獲得能量，溝道內(nèi)靠近源極的位置溫度迅速升高，最終導(dǎo)致MESFET燒毀。源柵間燒毀時(shí)刻MESFET內(nèi)部熱量產(chǎn)生的分布如圖5所示。

同樣的，由于電路反射作用，上升時(shí)間長(zhǎng)的強(qiáng)電磁脈沖，需要更大的峰值場(chǎng)強(qiáng)、更長(zhǎng)的時(shí)間才能將MESFET燒毀。

3 基于MESFET燒毀仿真的防護(hù)

根據(jù)仿真結(jié)果，強(qiáng)電磁脈沖入射到微波場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大器中，有2種燒毀情況，2種情況對(duì)應(yīng)著不同的機(jī)理。

a）當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖的峰值場(chǎng)強(qiáng)較高時(shí)，會(huì)直接將MESFET的柵極燒毀。這種燒毀情況所需的最低峰值場(chǎng)強(qiáng)較高（燒毀閾值較高），燒毀發(fā)生在強(qiáng)電磁脈沖達(dá)到峰值場(chǎng)強(qiáng)前，需要的時(shí)間較短。

b）當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖的峰值場(chǎng)強(qiáng)較低時(shí)，會(huì)燒毀微波場(chǎng)效應(yīng)管溝道中靠近源極的位置。這種燒毀情況所需的最低峰值場(chǎng)強(qiáng)比第1種情況低很多（燒毀閾值較低），在脈沖達(dá)到峰值場(chǎng)強(qiáng)后再過一段時(shí)間才能將微波場(chǎng)效應(yīng)管燒毀（入射脈沖的峰值場(chǎng)強(qiáng)為燒毀所需最低值的情況下），需要的時(shí)間比第1種情況長(zhǎng)。

對(duì)于這2種燒毀情況，入射強(qiáng)電磁脈沖的上升時(shí)間越長(zhǎng)，由于電路的反射，同等峰值場(chǎng)強(qiáng)的脈沖進(jìn)入電路的電壓就越低，引起的微波場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部的發(fā)熱就越??；上升時(shí)間越長(zhǎng)，入射場(chǎng)強(qiáng)升高到同樣值所需的時(shí)間越多，器件內(nèi)部有更多的熱量散發(fā)出去。因此，對(duì)于上升時(shí)間長(zhǎng)的強(qiáng)電磁脈沖，需要更高的峰值場(chǎng)強(qiáng)、更長(zhǎng)的時(shí)間才能將微波場(chǎng)效應(yīng)管燒毀。

由于第2種情況的燒毀閾值較低，微波場(chǎng)效應(yīng)管的燒毀閾值應(yīng)取第2種情況的燒毀閾值，根據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，MESFET構(gòu)成的低噪聲放大器可承受上升時(shí)間tr=2.5 ns、最大峰值場(chǎng)強(qiáng)Emax小于1 550 V/m的強(qiáng)電磁脈沖，或上升時(shí)間tr=10 ns、最大峰值場(chǎng)強(qiáng)Emax小于Ebreak2（1 866 V/m）的電磁脈沖注入，可據(jù)此開展電磁脈沖防護(hù)工作。

假定MESFET構(gòu)成的低噪聲放大器電路的工作環(huán)境可能存在上升時(shí)間 tr=2.5 ns、最大峰值場(chǎng)強(qiáng)E=5×105V/m的強(qiáng)電磁脈沖干擾，采取屏蔽的方式進(jìn)行電磁脈沖防護(hù)，則屏蔽應(yīng)能達(dá)到的電磁衰減倍數(shù)為

進(jìn)一步考慮裕度，可在低噪聲放大器電路附近進(jìn)行20 dB的電磁屏蔽衰減，可有效避免強(qiáng)電磁脈沖對(duì)低噪聲放大器電路的損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用半導(dǎo)體器件-電路聯(lián)合仿真器，在柵極燒毀和柵源間燒毀 2種情況下對(duì)強(qiáng)電磁脈沖作用下的MESFET燒毀過程進(jìn)行仿真，分析了強(qiáng)電磁脈沖作用下的燒毀機(jī)理，確定了MESFET可承受的電磁脈沖強(qiáng)度。仿真結(jié)果可作為制定強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)措施的依據(jù)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

[1] Leach R D, Alexander M B. Electronic systems failures and anomalies attributed to electromagnetic interference[R]. NASA-RP-1374 96N16608 1996.

[2] 謝彥召, 王贊基, 王群書. 高空核爆電磁脈沖波形標(biāo)準(zhǔn)及特征分析[J].強(qiáng)激光與粒子束, 2003(8): 781-787.

[3] Magdowski M, Vick R. Estimation of the mathematical parameters of double-exponential pulses using the nelder-mead algorithm[J]. IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility, 2010, 52(4): 1060-1062.

[4] Mao C G, Zhou H. Novel parameter, estimation of double exponential.pulse (EMP, UWB) by statistical means[J]. IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility, 2008, 50(1): 97-100.

[5] Sze S M, Ng K K. Physics of semiconductor devices[M]. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2006.

[6] Lide D R. CRC Handbook of Chemistry and Physics[M]. Boca Raton: CRC Press, 2008.

阿里安5火箭因助推器電子設(shè)備故障發(fā)射中止

2017年9月6日，阿里安5火箭計(jì)劃執(zhí)行Intelsat-37e和Bsat-4a雙星發(fā)射任務(wù)，但是在發(fā)射倒計(jì)時(shí)的最后時(shí)刻，芯級(jí)的火神 2液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，箭載計(jì)算機(jī)檢測(cè)到一枚固體助推器上的電子設(shè)備故障，中止了發(fā)射任務(wù)。阿里安航天公司表示“火箭中止發(fā)射的動(dòng)作，完全符合發(fā)射程序設(shè)計(jì)，只有火箭上的設(shè)備100%正常運(yùn)行時(shí)，才會(huì)進(jìn)行發(fā)射”。同時(shí)，公司還表示兩顆衛(wèi)星都處于安全狀態(tài)，仍在整流罩內(nèi)。在調(diào)查故障原因的同時(shí)，阿里安航天公司將會(huì)泄出貯箱中的推進(jìn)劑，并將火箭運(yùn)回總裝廠房。

阿里安航天公司初步確定在2017年9月底再次進(jìn)行發(fā)射，具體時(shí)間要在明確故障原因之后給出，而且此次發(fā)射推遲不會(huì)對(duì)2017年的發(fā)射計(jì)劃造成影響，后續(xù)發(fā)射任務(wù)都能夠按計(jì)劃進(jìn)行。

Simulation Research of Strong Electromagnetic Pulse Impact on Metal Epitaxial-Semiconductor Field Transistor

Yuan Qian-chen, Yang Huan, Yang Xiu-shan, Zhang Zi-jian, Chen Xi
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

As a common RF analog circuit, low noise amplifier circuit which consists of MESFET is often used in front of a RF equipment, which is easy to burn lead to equipment failure under the impact of strong electromagnetic pulse. In this article, we use a emluator which combines semiconductor device and circuit to simulate the burning process of MESFET under the impacte of strong electromagnetic pulse, study on failure mechanism, and provides a basis for strong electromagnetic pulse protection. The results show that the strong electromagnetic pulse reaches a certain threshold and causes the MESFET to burn. The threshold is related to the rise time of the strong electromagnetic pulse. According to the simulation results, the shielding of the strong electromagnetic pulse can be carried out.

Strong electromagnetic pulse; Metal Epitaxial-Semiconductor Field Transistor; Simulation

V57

A

1004-7182(2017)05-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170522

2016-11-22；

2016-12-30

袁乾臣（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器型號(hào)總體設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等

（楊 開 摘譯自https://spacenews.com/arianespace-resets-next-launch-to-late-september-after-finding-electrical-equipment-problem[2017-09-06]）