强电磁环境下电子元器件效应实验研究

许黎明，闫二艳，马弘舸

（1.海军装备研究院，北京 100161；2.中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900）

未来空域的电磁环境既有自然界的雷电、静电等干扰源，又有强烈的人为干扰源，如大功率雷达、电子干扰设备、超宽带、强电磁辐射干扰机等，使空域的电磁环境变得异常复杂。各类自然和人为因素所产生的强电磁环境，必将严重地危及电子、信息化装备和人员安全[1]。

强电磁环境主要由各种类型电磁脉冲构成，主要包括：1）雷达、电磁干扰、电子战发射的电磁波；2）核电磁脉冲；3）高功率微波；4）雷电等。表1列举了不同电磁脉冲参数和作用效果。

因此，强电磁环境是各种强辐射源发射的功率密度或能量密度高到足以对军用或民用设备中的关键电子元器件发生反转、干扰、退化或损伤的空域，其形式可能为单脉冲、重复脉冲、调制脉冲或连续波。电子设备关键电子元器件在强电磁环境下的效应实验研究显得越来越重要。

表1 不同电磁脉冲参数和作用效果表Table 1 Different electromagnetic pulse parameters and effects

1 强电磁环境下电子元器件效应

电磁脉冲对电子设备的耦合途径可分为“前门耦合”和“后门耦合”2 种方式，强电磁脉冲可以通过前门和后门2种渠道耦合进入电子系统并对其产生干扰、破坏作用，一旦电磁脉冲进入到电子系统内部，就可能对电路实施干扰，或者对电子元器件造成物理损伤。电子系统内部敏感元器件成为电磁脉冲效应的关键，强电磁脉冲对电子元器件损伤的情况，一般是烧毁集成固态器件，或者使电路中某个元件的设计参数不起作用而导致电子系统的功能性损伤。对电子元器件而言，在电磁脉冲产生的过压或电涌的冲击下，可能出现的损伤包括开路、短路、晶体管增益下降[2]。

2 强电磁环境下电子元器件效应实验

通过电磁脉冲效应实验确定电子系统中敏感元器件的效应阈值，可为电子系统敏感度分析及电磁防护提供参考数据，同样也是预估相似电子系统的效应阈值有效的研究途径。

雷达、卫星通信系统接收机的射频前端部分主要是完成信号放大、混频等相关功能，微波单元器件属于必不可少的器件。微波信号从“前门”耦合损伤接收机，实际上是损坏接收机前端的微波单元器件。微波单元器件包括多种微波无源和有源器件，常见的有低噪声放大器、收发开关（TR管）、限幅器、混频器等，其中低噪声放大器、限幅器较易受损。

图1 注入实验原理Fig.1 Schematic diagram of injected experimentation

对微波元器件的效应实验主要采用注入法。注入法主要用于研究元器件、单元电路或某些组件的效应问题，可以获得元器件级效应物的效应阈值，如图1所示。瑞典、美国马里兰大学以及LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）采用注入法较系统地研究了HPM 对电子元器件效应以及系统敏感度评估，值得借鉴[4—5]。在注入时，微波作用于效应物的通道为前门，注入信号频率范围一般在1～18 GHz，脉宽范围一般在 20～500 ns，1～100 Hz 不同重频条件下，注入典型波形如图2 所示，图2 为典型的脉冲检波波形。注入法效应实验避开了复杂的耦合环节，获得的效应阈值比较准确，可以用于效应机理、效应规律研究以及对系统前门效应的预估。

图2 注入实验典型波形Fig.2 Typical waveform of injected experimentation

微波效应实验系统由微波辐射源、效应物和监测系统等组成。效应物主要为低噪声放大器和限幅器。微波源产生并辐射电磁波；监测系统对效应物状态、辐射源状态进行监视，在注入实验中对效应物的注入功率进行测量，为实验结果分析提供数据。

2.1 低噪声放大器效应实验系统和效应判据

低噪声放大器（LNA）注入实验系统原理如图3所示。实验中将微波源输出的微波，经微波衰减器调节至注入功率的大小，经定向耦合器注入到效应物注入点；定向耦合器的耦合信号经检波器检波输入记录仪器，经换算得到注入效应物的功率值。将实验测量效应物在微波脉冲作用下产生永久损伤的效应阈值作为敏感度的度量，通过功率诊断和波形监测得出。

图3 低噪声放大器（LNA）注入效应实验系统原理Fig. 3 Schematic diagram of injected effect experimentation of LNA

低噪声放大器损伤判据：实验前后用网络分析仪测试LNA模块的增益，观察增益变化，结合具体系统性能变化判断其损伤级别。对于LNA 单元模块，当模块的增益下降达到3 dB时，器件性能降级，初步判断其输出信号已不能满足后级电路的要求。但是，对于具体的具有一定功能的系统，其电子元器件失效的定量判据根据使用方所处的使用角度和功能的不同而不同。例如，对于高质量等级的LNA 其增益可能下降达到10 dB以上，才会影响其系统性能变化；对于具有测角功能的系统，还要考虑LNA自身相位的变化。因此，在涉及具体具有一定功能系统中关键电子元器件的失效判据时，要根据系统的具体功能和使用精度来判断。

2.2 限幅器效应实验系统和效应判据

限幅器微波注入实验，考察不同微波脉冲宽度、不同波段作用下微波限幅器的泄漏和透射特性，并测量其干扰和损伤值。实验系统如图4所示。

图4 限幅器组件微波注入效应实验系统原理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区。在微波脉冲的作用下，限幅器存在上升沿峰值信号泄漏（前沿泄漏），即高的功率脉冲渡越限幅器现象，其泄漏功率将可能对下级电路产生干扰甚至损伤，这是在实验中应予以关注的问题。同时，高脉冲功率可能直接导致限幅器功能损伤，使其不能正常工作。

3 实验结果和现象分析

通过上述实验系统对LNA和限幅器进行了相关注入实验，得到一些典型实验前后增益变化图形和试验损伤图，如图5—图6所示。对于具有测角功能的系统，其LNA实验前后不仅要关注增益变化，还要关注相位等参数的变化。

图5 电子元器件损伤效应现象Fig.5 Microphotograph of electronic components damage

LNA和限幅器在强电磁脉冲L波段—Ku波段不同频率、脉宽在20 ～500 ns，1～100 Hz 不同重频条件下出现的损伤效应如下：

1）LNA 损伤阈值在1～100 W，主要表现为增益下降、相位出现变化等，试验现象主要有烧毁开路、击穿短路等。

图6 LNA模块和限幅器试验前后增益的变化Fig. 6 Typical gain fluctuation curves of LNA module and limiter before and after experimentation

2）限幅器损伤阈值在100 W～10 kW，主要现象表现为增益下降等，试验现象主要有烧毁开路、击穿短路等。

4 结语

通过构建易损毁电子元器件强电磁环境注入效应实验系统，对强电磁环境电子元器件效应阈值进行了研究分析，并对实验的电磁效应现象和效应判断进行了阐述和分析。电子系统的性能下降或损伤由其薄弱环节决定，实验得到的数据和规律为电子系统敏感度分析和电子设备抗强辐射加固提供参考数据，并可预估电子系统的效应阈值。

[1]刘尚合.武器装备与电磁环境效应[J].电磁兼容性技术，2006，5（3）：1—7.

[2]贺云汉.系统高功率微波加固设计指南[M].四川：中国工程物理研究院应用电子学研究所，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.