許 一,孟藏珍,項(xiàng)建濤,許紅波,胡 欣,3

(1.空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019;2.解放軍95969部隊(duì),湖北 武漢 430019;3.解放軍93498部隊(duì),河北 石家莊 050000)

0 引 言

隨著高功率電磁脈沖技術(shù)的發(fā)展成熟,高功率微波武器(HPMW)已成為嚴(yán)重威脅雷達(dá)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(jìn)入雷達(dá)裝備內(nèi)部,以電壓或電流的形式對(duì)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(dá)接收機(jī)內(nèi)部的重要組成,在雷達(dá)系統(tǒng)中處于天線后第一級(jí)的位置,具有噪聲系數(shù)低、信號(hào)靈敏度高等特點(diǎn),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(dǎo)致雷達(dá)裝備整體癱瘓。因此,研究高功率微波對(duì)LNA的毀傷效應(yīng),對(duì)于提高雷達(dá)裝備的高功率微波防護(hù)能力具有重要意義。

目前,研究人員已開展了大量針對(duì)低噪聲放大器的高功率微波毀傷效應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[1]～[2]建立了LNA電磁脈沖效應(yīng)仿真模型。文獻(xiàn)[3]～[4]對(duì)低噪聲放大器中的半導(dǎo)體器件進(jìn)行了強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)仿真研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]～[12]針對(duì)低噪聲放大器的HPM毀傷效應(yīng)開展了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。綜上可知,當(dāng)前有關(guān)強(qiáng)電磁脈沖對(duì)低噪聲放大器損傷效應(yīng)的研究較完善,但在實(shí)際工作中,不同低噪聲放大器因材料不同、設(shè)計(jì)不同,受HPM影響特性不同,毀傷機(jī)理也不盡相同。為探究某型雷達(dá)低噪聲放大器的HPM毀傷效應(yīng),為該型雷達(dá)裝備的抗HPM毀傷效能評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),本文開展了該型低噪聲放大器的HPM注入毀傷實(shí)驗(yàn),通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,探究該型LNA器件的毀傷機(jī)理和毀傷閾值。

1 HPM對(duì)低噪聲放大器的毀傷機(jī)理

1.1 低噪聲放大器的HPM效應(yīng)

高功率微波對(duì)低噪聲放大器的影響可分為線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)2種。線性效應(yīng)指的是HPM功率大于正常信號(hào)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(duì)器件物理性能和指標(biāo)不會(huì)產(chǎn)生影響。非線性效應(yīng)是指HPM功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常信號(hào)的幅度,導(dǎo)致LNA器件工作在非線性狀態(tài),或引起器件的節(jié)點(diǎn)燒毀、溝道擊穿,對(duì)器件的物理性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響,是高功率微波對(duì)LNA器件的基本破壞機(jī)制[13]。

1.2 低噪聲放大器的毀傷機(jī)理

半導(dǎo)體器件是低噪聲放大器的核心器件,也是對(duì)HPM最敏感的部件。在HPM作用下,半導(dǎo)體器件的不同部分可能產(chǎn)生不同的損傷機(jī)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(dǎo)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(dá)到金屬的熔點(diǎn),引起金屬觸點(diǎn)、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(dǎo)體器件絕緣區(qū)毀傷的主要因素。

半導(dǎo)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(lái)越薄,但器件的電場(chǎng)強(qiáng)度仍然不變,導(dǎo)致氧化層溝道區(qū)的電場(chǎng)顯著增強(qiáng)。載流子在強(qiáng)電場(chǎng)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(dǎo)致器件特性和電路性能隨HPM的不斷作用逐漸退化。當(dāng)積累的電荷鏈穿通氧化層形成導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體器件的過(guò)熱點(diǎn)有關(guān),主要是因?yàn)樵诖箅妷鹤饔脮r(shí)器件內(nèi)部熱量分布不均勻,電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度在某點(diǎn)達(dá)到最大,該點(diǎn)的溫度迅速升高,形成熱斑(過(guò)熱點(diǎn)),從而使得半導(dǎo)體器件出現(xiàn)不可恢復(fù)的毀傷現(xiàn)象。該現(xiàn)象一般出現(xiàn)時(shí)間為μs或ms級(jí)。

電二次擊穿主要是在高電場(chǎng)強(qiáng)度和大電流密度的影響下,半導(dǎo)體器件內(nèi)部載流子發(fā)生雪崩式倍增導(dǎo)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(shí)間為ns級(jí)[14]。

2 HPM注入毀傷實(shí)驗(yàn)

2.1 毀傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了研究高功率微波對(duì)某型雷達(dá)低噪聲放大器的毀傷效應(yīng),本文設(shè)計(jì)了由信號(hào)源、功放、可調(diào)直流電源、LNA、同軸衰減器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的HPM注入毀傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖 1所示。

圖1 S波段LNA注入毀傷實(shí)驗(yàn)框圖

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的高集成度優(yōu)勢(shì),具有搭建簡(jiǎn)單、集成度高、測(cè)試時(shí)間短等特點(diǎn),相較于常規(guī)測(cè)試方案,顯著提高了實(shí)驗(yàn)的測(cè)試效率和測(cè)試精度。

2.2 受測(cè)器件性能指標(biāo)

某型雷達(dá)低噪聲放大器由輸入、輸出隔離器和多級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管放大器組成,如圖 2所示。

圖2 某型雷達(dá)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(diǎn),其基本參數(shù)如表 1所示。

表1 LNA基本參數(shù)

多級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管放大器是由裝接在微帶電路板上的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)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(diǎn),電路原理如圖3所示。

圖3 多級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管電路原理圖

2.3 測(cè)試信號(hào)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)注入脈沖信號(hào)源對(duì)標(biāo)某型高功率微波導(dǎo)彈信號(hào),采用工作頻帶內(nèi)點(diǎn)頻信號(hào)進(jìn)行注入。點(diǎn)頻頻率為2.75 GHz,脈寬為1 μs,重復(fù)頻率50 Hz,每次注入1 min。注入脈沖信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 注入脈沖信號(hào)時(shí)域和頻域波形

2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1) 對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)與校準(zhǔn),測(cè)量?jī)x器及線路耗損誤差,并計(jì)算測(cè)試補(bǔ)償方法,確保實(shí)驗(yàn)精確度;

(2) 連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對(duì)LNA供電;

(3) 使用矢網(wǎng)對(duì)LNA進(jìn)行S參數(shù)、功率參數(shù)測(cè)試并記錄數(shù)據(jù);

(4) 功放連接LNA,開啟微波信號(hào)源,對(duì)LNA注入脈沖信號(hào),通過(guò)矢網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LNA增益變化;

(5) 注入后用矢網(wǎng)對(duì)LNA進(jìn)行S參數(shù)、功率參數(shù)測(cè)試,記錄LNA參數(shù)的變化數(shù)據(jù);

(6) 步進(jìn)方式信號(hào)源功率,重復(fù)(4)～(5)步操作;

(7) 當(dāng)矢網(wǎng)監(jiān)測(cè)LNA的增益發(fā)生明顯變化時(shí),停止注入信號(hào),對(duì)LNA進(jìn)行S參數(shù)、功率參數(shù)測(cè)試并記錄數(shù)據(jù);

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)不同功率信號(hào)注入后,矢網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(dāng)HPM注入功率較小時(shí),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(hào)影響,沒有產(chǎn)生線性效應(yīng)或干擾、降級(jí)等影響;當(dāng)注入功率增加到37 dBm時(shí),LNA的增益突然降低,工作電流明顯增加,靜置一段時(shí)間后,LNA的增益沒有恢復(fù),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(jié)果對(duì)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(jié)果對(duì)比

圖7 GaAs FET異常位置微觀圖像

當(dāng)HPM注入功率低于37 dBm時(shí),不論注入功率大小,LNA的S參數(shù)和功率參數(shù)掃描結(jié)果保持穩(wěn)定,沒有明顯變化,如圖 6(a)、(b)所示;當(dāng)注入功率達(dá)到37 dBm時(shí),LNA的S參數(shù)和功率參數(shù)掃描結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,受測(cè)LNA的HPM毀傷閾值約為37 dBm,當(dāng)HPM注入功率小于毀傷閾值時(shí),LNA性能不受影響,不發(fā)生線性變化或干擾、降級(jí)等非線性影響;當(dāng)HPM注入功率高于毀傷閾值時(shí),LNA受到永久性損傷,性能失效。

3.2 損傷機(jī)理驗(yàn)證

對(duì)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(cè)正常,對(duì)FET拆解,利用電子顯微鏡觀測(cè)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(guò)大產(chǎn)生大量熱量,在短時(shí)間熱量快速積累造成器件燒毀。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先理論分析了HPM對(duì)低噪聲放大器的毀傷機(jī)理,然后構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了低噪聲放大器的HPM注入毀傷實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行一定的改進(jìn)和優(yōu)化,能夠更高效地進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)分析表明:

(1) 該型雷達(dá)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(jí)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(jié)論將為該型雷達(dá)裝備抗HPM毀傷效能評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐,并為高功率微波防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。