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高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性

陈自东 秦风 赵景涛 赵刚 刘忠

陈自东, 秦风, 赵景涛, 等. 高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
引用本文: 陈自东, 秦风, 赵景涛, 等. 高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
Chen Zidong, Qin Feng, Zhao Jingtao, et al. Spike leakage characteristic of limiter with high power microwave[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
Citation: Chen Zidong, Qin Feng, Zhao Jingtao, et al. Spike leakage characteristic of limiter with high power microwave[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097

高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性

doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
基金项目: 中国工程物理研究院复杂电磁环境科学与技术重点实验室基金项目(2020FZSYS-05);国防基础科研项目(JCKY2016212B034)
详细信息
    作者简介:

    陈自东(1989—),男,助理研究员,主要从事HPM效应评估技术研究;903846847@qq.com

    通讯作者:

    秦 风(1985—),男,副研究员,主要从事电磁环境效应及防护技术研究;fq_soul2000@163.com

  • 中图分类号: TN385

Spike leakage characteristic of limiter with high power microwave

  • 摘要: 针对限幅器在高功率微波(HPM)作用下的尖峰泄漏问题,基于搭建的HPM注入实验平台和电路仿真开展了研究。研究结果表明:当注入功率超过6 dBm时,限幅器会出现尖峰泄漏现象,限幅器泄漏尖峰的上升沿与脉宽随着注入功率的增加而减小,而绝对尖峰泄漏功率随注入功率的增加呈增长趋势,平顶泄漏功率呈近似“线性增加-缓慢下降-小幅增长”趋势。并且,实验结果显示:HPM脉宽与重频对限幅器尖峰泄漏特性基本无影响,其泄漏特性变化规律与单次脉冲的基本一致;尖峰泄漏能量随注入功率的增加而降低。
  • 图  1  限幅器电路原理图与注入HPM脉冲检波波形

    Figure  1.  Principal circuit of limiter and injection wave of HPM

    图  2  限幅器HPM响应特性测试系统

    Figure  2.  Response characteristics measurement system of limiter with HPM

    图  3  限幅器输入-输出特性

    Figure  3.  Output characteristics of limiter with various input power

    图  4  限幅器尖峰泄漏特性

    Figure  4.  The spike leakage characteristics of limiter

    图  5  PIN二极管结构及载流子浓度分布

    Figure  5.  The structure and carrier density distribution of PIN diode

    图  6  HPM脉冲宽度与重复频率对限幅器尖峰上升时间的影响

    Figure  6.  The evolution of rise time of leakage peak for the limiter with pulse width and repetition frequency, respectively.

    图  7  限幅器尖峰泄漏能量

    Figure  7.  Spike leakage energy of limiter

    图  8  限幅器模拟计算电路

    Figure  8.  Simulation circuit of limiter

    图  9  限幅器尖峰泄漏特性

    Figure  9.  The spike leakage characteristics of limiter

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-27
  • 修回日期:  2020-06-11
  • 网络出版日期:  2020-09-21

高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性

doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
    基金项目:  中国工程物理研究院复杂电磁环境科学与技术重点实验室基金项目(2020FZSYS-05);国防基础科研项目(JCKY2016212B034)
    作者简介:

    陈自东(1989—),男,助理研究员,主要从事HPM效应评估技术研究;903846847@qq.com

    通讯作者: 秦 风(1985—),男,副研究员,主要从事电磁环境效应及防护技术研究;fq_soul2000@163.com
  • 中图分类号: TN385

摘要: 针对限幅器在高功率微波(HPM)作用下的尖峰泄漏问题,基于搭建的HPM注入实验平台和电路仿真开展了研究。研究结果表明:当注入功率超过6 dBm时,限幅器会出现尖峰泄漏现象,限幅器泄漏尖峰的上升沿与脉宽随着注入功率的增加而减小,而绝对尖峰泄漏功率随注入功率的增加呈增长趋势,平顶泄漏功率呈近似“线性增加-缓慢下降-小幅增长”趋势。并且,实验结果显示:HPM脉宽与重频对限幅器尖峰泄漏特性基本无影响,其泄漏特性变化规律与单次脉冲的基本一致;尖峰泄漏能量随注入功率的增加而降低。

English Abstract

陈自东, 秦风, 赵景涛, 等. 高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
引用本文: 陈自东, 秦风, 赵景涛, 等. 高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
Chen Zidong, Qin Feng, Zhao Jingtao, et al. Spike leakage characteristic of limiter with high power microwave[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
Citation: Chen Zidong, Qin Feng, Zhao Jingtao, et al. Spike leakage characteristic of limiter with high power microwave[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200097
  • 随着微电子技术的快速发展,半导体器件集成度大幅提高,器件尺寸不断减小、工作频率不断升高,半导体器件在雷达、通信、电子侦查等电子系统中得到广泛的应用。随着电子设备结构越来越微型化、复杂化,电子设备在强电磁环境下的电磁敏感性与抗干扰性能面临巨大挑战[1]。作为一种重要的强电磁脉冲,高功率微波可通过“前门”、“后门”耦合通道进入电子设备内部,干扰、扰乱甚至损伤电子设备,使其功能降级或失效。研究电子设备在HPM环境下的瞬态响应特性对于提高电子设备的抗强电磁脉冲性能具有重要意义。

    作为雷达、电子侦察等系统射频接收机前端通道保护器件,微波限幅器确保大功率信号输入系统时后端低噪声放大器免受损坏[2]。目前,针对微波限幅器在强电磁脉冲作用下的响应特性研究主要集中在以下几个方面:(1)强电磁脉冲作用下微波限幅器损伤效应机理研究[3-7];(2)从已受损的PIN限幅器出发,建立受损PIN限幅器的电路模型,研究受损限幅器对整个电子系统性能的影响[8];(3)基于PIN二极管的电路模型或者器件物理模型,研究PIN限幅器的电磁脉冲响应规律[9-13]。目前,虽然有一些高功率微波作用下,限幅器尖峰泄漏特性的工作报道[12,14-15],多为不同功率和上升沿的HPM作用下限幅器尖峰泄漏功率及特征阻抗变化规律研究,对于HPM作用下限幅器尖峰泄漏特性研究的系统性程度不够。本文以一种宽带微波限幅器为研究对象,采用HPM效应试验与等效电路仿真相结合的方法,研究了HPM作用下微波限幅器的尖峰泄漏特征参数(如:泄漏尖峰上升沿、脉宽、尖峰泄漏功率、平顶泄漏功率、泄漏能量等)随HPM参数(如:注入功率、脉宽、重频)的变化规律,并对尖峰泄漏响应规律进行了分析。

    • 小信号注入限幅器时,限幅器表现为小信号插入损耗状态,输出信号略小于输入信号;HPM作用下,限幅器从高阻抗状态转变为低阻抗状态需要一定时间,在这段时间内限幅器不能起到正常限幅作用,限幅器输出功率远高于限幅电平,称为尖峰泄漏。限幅器出现尖峰泄漏现象时,限幅器输出功率峰值称为尖峰泄漏功率,稳定限幅后输出功率称为平顶泄漏功率,对应于大功率信号消失到泄漏尖峰功率最大值这段时间称为泄漏尖峰上升沿;从大功率信号消失到限幅器处于稳定限幅这段时间称为响应时间,即泄漏尖峰脉宽[8-9]。为了研究HPM作用下限幅器的尖峰泄漏特性,选取宽带微波限幅器作为研究对象,电路原理如图1(a)所示。限幅器工作频率为1~10 GHz,输入/输出驻波比<2.0,插入损耗<1.0 dB,限幅电平<11 dBm,连续波耐受功率为1 W。限幅器前级采用了扼流线圈与单只PIN二极管并联设计的方式,扼流线圈为二极管提供直流通路。通过适当调整扼流线圈,使之与二极管的寄生电容形成并联谐振,在一定程度上降低了小信号插入损耗。后级采用肖特基二极管作为第二级的直流馈电,进一步提高了后级二极管的响应速度,降低整个限幅器的起限电平。注入窄带HPM脉冲波形如图1(b)所示。

      图  1  限幅器电路原理图与注入HPM脉冲检波波形

      Figure 1.  Principal circuit of limiter and injection wave of HPM

      采用窄带高功率微波辐照接收注入法,开展HPM作用下限幅器瞬态响应特性研究,搭建专用微波限幅器HPM响应特性测试系统,研究微波限幅器在不同HPM参数下的响应特性。构建的限幅器HPM响应特性测试系统,将HPM信号与连续波参考信号合路注入微波限幅器输入端口,在限幅器输出端口使用滤波器将HPM信号滤除,通过衰减器和检波器将连续波参考信号接入示波器,测试HPM作用下限幅器响应波形。作为参考信号使用的连续波小信号与大功率干扰信号处于不同频带内,参考信号通过双定向耦合器的反射端口耦合注入限幅器输入端口,通过双定向耦合器的反向隔离度来确保小信号和大功率干扰信号之间的隔离度。测试系统如图2所示[16]

      图  2  限幅器HPM响应特性测试系统

      Figure 2.  Response characteristics measurement system of limiter with HPM

    • 试验中将HPM脉冲与参考信号合路注入微波限幅器输入端口,注入HPM频率为2.857 GHz,脉宽100 ns,重复频率20 Hz,通过可调衰减器调节限幅器注入功率,参考信号为注入功率0 dBm,信号频率为1.3 GHz连续波。限幅器注入功率与输出功率通过定向耦合器、检波器接入示波器进行监测。图3(a)为尖峰泄漏特性示意图,图3(b)为不同注入功率条件下的试验用限幅器的尖峰泄漏特性试验结果。当注入功率超过6 dBm时限幅器会出现尖峰泄漏现象,随着注入功率增加,限幅器尖峰泄漏功率逐渐增加。

      图  3  限幅器输入-输出特性

      Figure 3.  Output characteristics of limiter with various input power

      图4为不同注入功率条件下限幅器的尖峰泄漏特性参数测试结果,图4(a)图4(d)分别为限幅器泄漏尖峰上升时间、泄漏尖峰脉宽、尖峰泄漏功率和平顶泄漏功率随注入功率变化规律曲线。由图4(a)图4(b)可知,限幅器泄漏尖峰上升时间与泄漏尖峰脉宽随着注入功率的增加而减小。这是因为限幅器的尖峰泄漏是一种由载流子迁移率控制的渡越时间效应,本征区I层厚度决定了载流子的渡越时间,随着注入功率增加,PIN二极管内载流子漂移速率升高,载流子可在更短的时间渡越I层,同时载流子寿命大于微波信号周期,多个脉冲周期后I区形成载流子积累,本征区空间电荷积累降低了限幅器开启时间,限幅器泄漏尖峰上升时间与脉宽随注入功率增加而降低。随着注入功率升高,在限幅器泄漏尖峰前沿由于I区载流子积累(空穴),限幅器特征阻抗下降并趋于稳定,限幅器尖峰隔离度增加并趋近于最大隔离度,尖峰泄漏功率绝对值增加但增长速率变缓,尖峰泄漏功率随注入功率的变化规律结果如图4(c)所示。

      图  4  限幅器尖峰泄漏特性

      Figure 4.  The spike leakage characteristics of limiter

      PIN二极管结构如图5(a)所示,在外加正向偏置电压以及稳定限幅状态下二极管内部载流子浓度分布如图5(b)所示。注入HPM功率较小时,脉冲正半周期注入PIN二极管本征区载流子在微波脉冲负半周期都被带出本征区,没有载流子积累,限幅器表现为小信号插入损耗状态,限幅器输出功率随注入功率增加呈近似线性增加趋势;随着注入功率增加,限幅器出现尖峰泄漏,限幅器本征区出现载流子积累(空穴),PIN二极管电阻由高电阻状态转变为低电阻状态,且输入功率越高,阻抗下降越快,电导调制作用越强,限幅器限幅作用越强[13],限幅器输出功率随注入功率增加出现轻微下降;注入功率进一步增大,空间电荷效应足够强以至于在微波脉冲结束后限幅器本征区形成电子与空穴积累,限幅器阻抗迅速下降,限幅器隔离度趋于饱和,限幅器输出功率随注入功率增加呈缓慢增长趋势,但总体平顶泄漏功率小于6 dBm,试验结果如图4(d)所示。

      图  5  PIN二极管结构及载流子浓度分布

      Figure 5.  The structure and carrier density distribution of PIN diode

      进一步研究了HPM脉冲脉宽和重复频率对限幅器尖峰泄漏特性的影响,开展了不同HPM脉冲参数(脉宽、重频)条件下的限幅器尖峰泄漏特性测试,测试脉宽分别为200 ns、500 ns、800 ns、1000 ns,测试重复频率分别为10 Hz、50 Hz、100 Hz,实验结果表明:不同HPM脉宽和重复频率作用下,限幅器泄漏尖峰上升沿、泄漏尖峰脉宽、尖峰泄漏功率、平顶泄漏功率随注入功率变化规律基本一致,HPM脉宽和重复频率对限幅器尖峰泄漏特性基本上没有影响。其中,不同脉宽和重复频率条件下限幅器泄漏尖峰上升时间随注入功率的变化规律如图6所示,随着注入功率的增加,限幅器泄漏尖峰上升时间呈下降趋势。

      图  6  HPM脉冲宽度与重复频率对限幅器尖峰上升时间的影响

      Figure 6.  The evolution of rise time of leakage peak for the limiter with pulse width and repetition frequency, respectively.

      尖峰泄漏能量为限幅器尖峰泄漏过程中负载吸收的总能量[9],其定义如图3(a)中的阴影面积所示,采用函数积分的方法对不同注入功率下的限幅器尖峰泄漏能量进行计算,获得了限幅器尖峰泄漏能量随注入功率变化规律如图7所示,限幅器尖峰泄漏能量随注入功率增加呈下降趋势,最大的尖峰泄漏能量出现在限幅器开始出现尖峰泄漏时的小注入功率条件下。随着注入功率的增加,限幅器特征阻抗迅速下降,由于阻抗失配,大部分入射能量被反射;同时,限幅器在尖峰泄漏瞬态过程中吸收能量高于完全限幅和小信号工作状态时吸收的能量;因此,限幅器尖峰泄漏能量随着注入功率的增加而降低,HPM作用下限幅器尖峰泄漏能量最大值约为0.03 nJ。

      图  7  限幅器尖峰泄漏能量

      Figure 7.  Spike leakage energy of limiter

    • 采用等效电路仿真的方法开展了限幅器HPM尖峰泄漏特性仿真研究。在ADS电路仿真软件中构建试验用限幅器等效电路模型,采用SKYWORKS公司生产的CLA4601型PIN二极管两级级联的方式近似模拟试验用限幅器。厂商提供的PIN二极管等效电路模型多为含有集总参数的等效电路,只能反映PIN二极管的正常工作情况。在注入微波脉冲功率较高的情况下,I层载流子分布符合双极扩散方程[13]。基于厂商提供的二极管参数以及双极扩散方程的解对PIN限幅器的等效电路进行修改,使其能够较好地反映PIN二极管在高功率微波下的响应特性,图8为限幅器模拟计算电路原理图。

      图  8  限幅器模拟计算电路

      Figure 8.  Simulation circuit of limiter

      将S波段HPM与1.3 GHz连续波参考信号合路注入限幅器,通过调整激励源参数来仿真不同注入功率条件下限幅器的尖峰泄漏特性,电路仿真结果如图9所示。限幅器泄漏尖峰上升沿与脉宽随着注入HPM功率的增加呈线性下降趋势(图9(a)(b));绝对尖峰泄漏功率随着注入功率的增加呈增长趋势;随着注入功率的增加,限幅器平顶泄漏功率较为平坦,最大仿真限幅输出功率小于7 dBm,与试验结果(6 dBm)偏差3 dB以内,平顶泄漏功率随着注入功率的增加呈近似“线性增加-下降-增长”趋势。电路仿真结果与试验结果吻合得较好,仿真采用的电路仿真模型能在一定范围内反映限幅器的尖峰泄漏特性。

      图  9  限幅器尖峰泄漏特性

      Figure 9.  The spike leakage characteristics of limiter

    • 本文研究了微波限幅器在高功率微波环境下的尖峰泄漏特性参数随HPM脉冲参数(注入功率、脉宽、重复频率)的变化规律,并对限幅器尖峰泄漏规律进行了分析。试验与仿真结果表明:注入HPM功率超过6 dBm时限幅器会出现尖峰泄漏现象,限幅器泄漏尖峰上升时间与脉宽随着注入功率增加而减小,绝对尖峰泄漏功率随注入功率增加呈缓慢增长趋势,平顶泄漏功率呈近似“线性增加-缓慢下降-小幅增长”趋势,不同HPM脉宽与重复频率作用下,限幅器尖峰泄漏特性规律基本一致。HPM作用下,PIN二极管本征区空间电荷效应导致载流子渡越时间变短,限幅器响应时间变短;同时本征区空间电荷的积累引起限幅器阻抗迅速下降,由于阻抗失配,大部分注入能量被反射,尖峰泄漏能量随着注入功率的增加而降低。

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