强电磁脉冲对微波场效应管影响的仿真研究

袁乾臣，杨 欢，杨秀山，张子剑，陈 曦

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

强电磁脉冲对微波场效应管影响的仿真研究

袁乾臣，杨 欢，杨秀山，张子剑，陈 曦

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

微波场效应管（MESFET）构成的低噪声放大器电路常用于射频前端，是常见的射频模拟电路。该电路在强电磁脉冲作用下易烧毁，从而导致设备失效。使用半导体器件-电路联合仿真器对强电磁脉冲作用下的微波场效应管烧毁过程进行仿真，对失效机理开展研究，为进行强电磁脉冲防护提供依据。研究结果表明：强电磁脉冲达到一定的阙值会导致MESFET烧毁，该阙值与强电磁脉冲的上升时间有关，根据仿真结果可进行强电磁脉冲的屏蔽防护。

强电磁脉冲；微波场效应管；仿真

0 引 言

电子设备已广泛应用于现代社会，电磁干扰对电子设备造成的破坏和所带来的事故并不鲜见[1]，对于电磁干扰破坏的机理和电磁防护研究变得越发重要。强电磁脉冲作为一种重要的电磁干扰形式，其作用范围和危害巨大，有必要研究强电磁脉冲对于电子系统的危害，以指导相应的防护措施。本文针对强电磁脉冲对低噪声放大器中微波场效应管（Metal Epitaxial-Semiconductor Field Transistor，MESFET）的烧毁作用，使用半导体器件-电路联合仿真器仿真电磁脉冲上升时间对微波场效应晶体管放大电路的影响，并对仿真结果开展研究。低噪声放大器电路用于射频前端，是常见的射频模拟电路，对其中半导体器件的强电磁脉冲效应进行研究，有助于对强电磁脉冲烧毁上述电路机理的理解，对于强电磁脉冲的防护非常有意义。

1 仿真模型

1.1 MESFET模型与低噪声放大器模型

仿真使用半导体器件-电路联合仿真器，仿真器由电路仿真器和器件仿真器构成，两者通过器件电路耦合算法联合在一起。仿真器考虑了半导体的高温强电场效应，给定器件的内部结构（包括掺杂等）和电路拓扑（以网单形式输入），仿真器可以计算出电路各节点的电压电流和器件内部的状态（包括电场、载流子、温度分布等）。

仿真参考 NEC公司型号为 NE76118的 GaAs MESFET结构，对其中单个GaAs MESFET进行建模，MESFET模型的参数如表1所示。

MESFET构成的低噪声放大器的电路结构如图 1所示。电路工作在1.3 GHz附近，在1.25～1.35 GHz范围内增益大于11 dB，输入输出反射系数小于-12 dB，噪声系数小于0.85 dB。

表1 MESFET模型的参数

1.2 强电磁脉冲模型

仿真中强电磁脉冲波形[2]的脉冲半高宽取23 ns，上升时间分别取2.5 ns和10 ns。

脉冲半高宽 23 ns，上升时间 2.5 ns的波形，为IEC61000-2-9标准中给出的强电磁脉冲的波形，其电场强度可以用双指数函数表示：

式中0E为峰值场强；α，β分别为表征波形的下降沿和上升沿的数学参数；k为修正系数。波形参数如表2所示。

表2 上升时间2.5ns的强电磁脉冲波形参数（半高宽23ns）

脉冲半高宽为23 ns，上升时间10 ns的波形，为满足脉冲半高宽与上升时间比值不小于4.29[3,4]，通过分段函数，用两个双指数波形来表示。用一个上升时间10 ns，脉冲宽度46 ns的双指数波形最大值之前的部分来满足 10 ns上升时间的要求；用一个上升时间2.9 ns，脉冲宽度13.26 ns的双指数波形最大值之后的部分，并平移到前一个脉冲最大值时刻，满足整个脉冲23 ns脉冲宽度的要求，具体参数如表3所示。

表3 上升时间10ns的强电磁脉冲波形参数（半高宽23ns）

2种上升时间的强电磁脉冲波形如图2所示。

强电磁脉冲波形是对电场强度的描述，入射到电路中需要转换成电压。仿真中将强电磁脉冲等效为一个电压源，电场强度的1 V/m对应于这个电压源的1 V电压，因此入射强电磁脉冲的电场强度和这个电压源的电压在数值上是相等的。

2 MESFET烧毁的仿真与分析

微波场效应管构成的低噪声放大器的烧毁，主要有栅极烧毁和栅源间烧毁两种情况，针对这两种情况开展仿真。

GaAs材料的熔点为1 511 K[5]，电极采用金属铝，熔点为933 K[6]，仿真时根据材料和电极两者中的任意一个是否达到熔点作为器件是否烧毁的判断标准，分析得出MESFET烧毁的机理以及MESFET烧毁与强电磁脉冲、上升时间、峰值场强的关系。

2.1 栅极的烧毁仿真分析

如果入射电磁脉冲场强上升得足够高，将导致栅极电极先达到熔点而烧毁，通过仿真可得到栅极直接烧毁所需的最小峰值场强Ebreak1及烧毁时间tbreak1，仿真结果如表4所示。

表4 栅极烧毁仿真结果数据

仿真过程中，可以看到强电磁脉冲注入器件，先是短暂的电压振荡，之后栅极电压保持稳定，在电场的持续作用下，栅极上的持续电压导致栅极下的沟道具有极高的电场，沟道内有大量的电子产生，电子在电场的作用下能量增大，沟道内产生大量的热量，且位置靠近电极，最终电极熔化导致器件烧毁，栅极烧毁时刻MESFET内部热量产生的分布如图3所示。

低噪声放大器工作在1.3 GHz附近，而强电磁脉冲的能量主要集中在低频。因此电路对于入射的强电磁脉冲有很强的反射作用，上升时间越长，同等峰值场强的强电磁脉冲进入电路的电压越低。进入低噪声放大器电路中的电压与上升时间的关系如图4所示。上升时间越长，加在MESFET栅极上面的电压越低，栅极下沟道中电子获得的能量越小，则烧毁栅极需要的最小峰值场强Ebreak1越大，需要的烧毁时间tbreak1越长。

2.2 源栅间的烧毁仿真分析

如果入射强电磁脉冲的峰值场强低于阈值Ebreak1，也可能发生源栅间烧毁的情况。通过仿真可得到源栅间烧毁所需的最小峰值场强Ebreak2及烧毁时间tbreak2，仿真结果如表5所示。

表5 源栅极烧毁仿真结果数据

仿真过程中，可以看到栅极温度在上升到一定值后开始下降，当入射脉冲的场强达到峰值并逐渐下降时，MESFET沟道会发生夹断，且源极电压高于漏极电压。虽然沟道夹断但剩余的电子仍然会在电压的作用下积聚到源极，且沟道内的电场使电子获得能量，沟道内靠近源极的位置温度迅速升高，最终导致MESFET烧毁。源栅间烧毁时刻MESFET内部热量产生的分布如图5所示。

同样的，由于电路反射作用，上升时间长的强电磁脉冲，需要更大的峰值场强、更长的时间才能将MESFET烧毁。

3 基于MESFET烧毁仿真的防护

根据仿真结果，强电磁脉冲入射到微波场效应管构成的低噪声放大器中，有2种烧毁情况，2种情况对应着不同的机理。

a）当强电磁脉冲的峰值场强较高时，会直接将MESFET的栅极烧毁。这种烧毁情况所需的最低峰值场强较高（烧毁阈值较高），烧毁发生在强电磁脉冲达到峰值场强前，需要的时间较短。

b）当强电磁脉冲的峰值场强较低时，会烧毁微波场效应管沟道中靠近源极的位置。这种烧毁情况所需的最低峰值场强比第1种情况低很多（烧毁阈值较低），在脉冲达到峰值场强后再过一段时间才能将微波场效应管烧毁（入射脉冲的峰值场强为烧毁所需最低值的情况下），需要的时间比第1种情况长。

对于这2种烧毁情况，入射强电磁脉冲的上升时间越长，由于电路的反射，同等峰值场强的脉冲进入电路的电压就越低，引起的微波场效应管内部的发热就越小；上升时间越长，入射场强升高到同样值所需的时间越多，器件内部有更多的热量散发出去。因此，对于上升时间长的强电磁脉冲，需要更高的峰值场强、更长的时间才能将微波场效应管烧毁。

由于第2种情况的烧毁阈值较低，微波场效应管的烧毁阈值应取第2种情况的烧毁阈值，根据仿真结果数据，MESFET构成的低噪声放大器可承受上升时间tr=2.5 ns、最大峰值场强Emax小于1 550 V/m的强电磁脉冲，或上升时间tr=10 ns、最大峰值场强Emax小于Ebreak2（1 866 V/m）的电磁脉冲注入，可据此开展电磁脉冲防护工作。

假定MESFET构成的低噪声放大器电路的工作环境可能存在上升时间 tr=2.5 ns、最大峰值场强E=5×105V/m的强电磁脉冲干扰，采取屏蔽的方式进行电磁脉冲防护，则屏蔽应能达到的电磁衰减倍数为

进一步考虑裕度，可在低噪声放大器电路附近进行20 dB的电磁屏蔽衰减，可有效避免强电磁脉冲对低噪声放大器电路的损坏。

4 结束语

本文使用半导体器件-电路联合仿真器，在栅极烧毁和栅源间烧毁 2种情况下对强电磁脉冲作用下的MESFET烧毁过程进行仿真，分析了强电磁脉冲作用下的烧毁机理，确定了MESFET可承受的电磁脉冲强度。仿真结果可作为制定强电磁脉冲防护措施的依据，具有较大的应用价值。

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

[2] 谢彦召, 王赞基, 王群书. 高空核爆电磁脉冲波形标准及特征分析[J].强激光与粒子束, 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火箭因助推器电子设备故障发射中止

2017年9月6日，阿里安5火箭计划执行Intelsat-37e和Bsat-4a双星发射任务，但是在发射倒计时的最后时刻，芯级的火神 2液氢/液氧发动机刚刚点火启动时，箭载计算机检测到一枚固体助推器上的电子设备故障，中止了发射任务。阿里安航天公司表示“火箭中止发射的动作，完全符合发射程序设计，只有火箭上的设备100%正常运行时，才会进行发射”。同时，公司还表示两颗卫星都处于安全状态，仍在整流罩内。在调查故障原因的同时，阿里安航天公司将会泄出贮箱中的推进剂，并将火箭运回总装厂房。

阿里安航天公司初步确定在2017年9月底再次进行发射，具体时间要在明确故障原因之后给出，而且此次发射推迟不会对2017年的发射计划造成影响，后续发射任务都能够按计划进行。

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，工程师，主要研究方向为飞行器型号总体设计、电气系统总体设计等

（杨 开 摘译自https://spacenews.com/arianespace-resets-next-launch-to-late-september-after-finding-electrical-equipment-problem[2017-09-06]）