強電磁環境下電子元器件效應實驗研究

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 應用電子學研究所，四川 綿陽 621900）

未來空域的電磁環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、電子干擾設備、超寬帶、強電磁輻射干擾機等，使空域的電磁環境變得異常復雜。各類自然和人為因素所產生的強電磁環境，必將嚴重地危及電子、信息化裝備和人員安全[1]。

強電磁環境主要由各種類型電磁脈沖構成，主要包括：1）雷達、電磁干擾、電子戰發射的電磁波；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和作用效果。

因此，強電磁環境是各種強輻射源發射的功率密度或能量密度高到足以對軍用或民用設備中的關鍵電子元器件發生反轉、干擾、退化或損傷的空域，其形式可能為單脈沖、重復脈沖、調制脈沖或連續波。電子設備關鍵電子元器件在強電磁環境下的效應實驗研究顯得越來越重要。

表1 不同電磁脈沖參數和作用效果表Table 1 Different electromagnetic pulse parameters and effects

1 強電磁環境下電子元器件效應

電磁脈沖對電子設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并對其產生干擾、破壞作用，一旦電磁脈沖進入到電子系統內部，就可能對電路實施干擾，或者對電子元器件造成物理損傷。電子系統內部敏感元器件成為電磁脈沖效應的關鍵，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器件，或者使電路中某個元件的設計參數不起作用而導致電子系統的功能性損傷。對電子元器件而言，在電磁脈沖產生的過壓或電涌的沖擊下，可能出現的損傷包括開路、短路、晶體管增益下降[2]。

2 強電磁環境下電子元器件效應實驗

通過電磁脈沖效應實驗確定電子系統中敏感元器件的效應閾值，可為電子系統敏感度分析及電磁防護提供參考數據，同樣也是預估相似電子系統的效應閾值有效的研究途徑。

雷達、衛星通信系統接收機的射頻前端部分主要是完成信號放大、混頻等相關功能，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、收發開關（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問題，可以獲得元器件級效應物的效應閾值，如圖1所示。瑞典、美國馬里蘭大學以及LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）采用注入法較系統地研究了HPM 對電子元器件效應以及系統敏感度評估，值得借鑒[4—5]。在注入時，微波作用于效應物的通道為前門，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。注入法效應實驗避開了復雜的耦合環節，獲得的效應閾值比較準確，可以用于效應機理、效應規律研究以及對系統前門效應的預估。

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

微波效應實驗系統由微波輻射源、效應物和監測系統等組成。效應物主要為低噪聲放大器和限幅器。微波源產生并輻射電磁波；監測系統對效應物狀態、輻射源狀態進行監視，在注入實驗中對效應物的注入功率進行測量，為實驗結果分析提供數據。

2.1 低噪聲放大器效應實驗系統和效應判據

低噪聲放大器（LNA）注入實驗系統原理如圖3所示。實驗中將微波源輸出的微波，經微波衰減器調節至注入功率的大小，經定向耦合器注入到效應物注入點；定向耦合器的耦合信號經檢波器檢波輸入記錄儀器，經換算得到注入效應物的功率值。將實驗測量效應物在微波脈沖作用下產生永久損傷的效應閾值作為敏感度的度量，通過功率診斷和波形監測得出。

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

低噪聲放大器損傷判據：實驗前后用網絡分析儀測試LNA模塊的增益，觀察增益變化，結合具體系統性能變化判斷其損傷級別。對于LNA 單元模塊，當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，其電子元器件失效的定量判據根據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，才會影響其系統性能變化；對于具有測角功能的系統，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中關鍵電子元器件的失效判據時，要根據系統的具體功能和使用精度來判斷。

2.2 限幅器效應實驗系統和效應判據

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。實驗系統如圖4所示。

圖4 限幅器組件微波注入效應實驗系統原理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。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象，其泄漏功率將可能對下級電路產生干擾甚至損傷，這是在實驗中應予以關注的問題。同時，高脈沖功率可能直接導致限幅器功能損傷，使其不能正常工作。

3 實驗結果和現象分析

通過上述實驗系統對LNA和限幅器進行了相關注入實驗，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，其LNA實驗前后不僅要關注增益變化，還要關注相位等參數的變化。

圖5 電子元器件損傷效應現象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的損傷效應如下：

1）LNA 損傷閾值在1～100 W，主要表現為增益下降、相位出現變化等，試驗現象主要有燒毀開路、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，主要現象表現為增益下降等，試驗現象主要有燒毀開路、擊穿短路等。

4 結語

通過構建易損毀電子元器件強電磁環境注入效應實驗系統，對強電磁環境電子元器件效應閾值進行了研究分析，并對實驗的電磁效應現象和效應判斷進行了闡述和分析。電子系統的性能下降或損傷由其薄弱環節決定，實驗得到的數據和規律為電子系統敏感度分析和電子設備抗強輻射加固提供參考數據，并可預估電子系統的效應閾值。

[1]劉尚合.武器裝備與電磁環境效應[J].電磁兼容性技術，2006，5（3）：1—7.

[2]賀云漢.系統高功率微波加固設計指南[M].四川：中國工程物理研究院應用電子學研究所，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.