某型雷达低噪声放大器的HPM毁伤效应研究

许 一,孟藏珍,项建涛,许红波,胡 欣,3

(1.空军预警学院,湖北 武汉 430019;2.解放军95969部队,湖北 武汉 430019;3.解放军93498部队,河北 石家庄 050000)

0 引 言

随着高功率电磁脉冲技术的发展成熟,高功率微波武器(HPMW)已成为严重威胁雷达装备安全的新型攻击武器。高功率微波(HPM)能以“前门耦合”和“后门耦合”方式进入雷达装备内部,以电压或电流的形式对电子元器件造成干扰、破坏和直接烧毁。低噪声放大器(LNA)是雷达接收机内部的重要组成,在雷达系统中处于天线后第一级的位置,具有噪声系数低、信号灵敏度高等特点,非常容易受到高功率微波前门耦合攻击,失去基本硬件功能,甚至导致雷达装备整体瘫痪。因此,研究高功率微波对LNA的毁伤效应,对于提高雷达装备的高功率微波防护能力具有重要意义。

目前,研究人员已开展了大量针对低噪声放大器的高功率微波毁伤效应的理论和实验研究。文献[1]～[2]建立了LNA电磁脉冲效应仿真模型。文献[3]～[4]对低噪声放大器中的半导体器件进行了强电磁脉冲效应仿真研究与试验验证。文献[5]～[12]针对低噪声放大器的HPM毁伤效应开展了仿真分析和实验研究。综上可知,当前有关强电磁脉冲对低噪声放大器损伤效应的研究较完善,但在实际工作中,不同低噪声放大器因材料不同、设计不同,受HPM影响特性不同,毁伤机理也不尽相同。为探究某型雷达低噪声放大器的HPM毁伤效应,为该型雷达装备的抗HPM毁伤效能评估和防护设计提供一定的数据基础,本文开展了该型低噪声放大器的HPM注入毁伤实验,通过理论分析和实验测试,探究该型LNA器件的毁伤机理和毁伤阈值。

1 HPM对低噪声放大器的毁伤机理

1.1 低噪声放大器的HPM效应

高功率微波对低噪声放大器的影响可分为线性效应和非线性效应2种。线性效应指的是HPM功率大于正常信号的幅度,但还没有使LNA器件饱和或损伤,LNA器件仍然工作在正常的线性范围内,对器件物理性能和指标不会产生影响。非线性效应是指HPM功率远远大于正常信号的幅度,导致LNA器件工作在非线性状态,或引起器件的节点烧毁、沟道击穿,对器件的物理性能产生严重影响,是高功率微波对LNA器件的基本破坏机制[13]。

1.2 低噪声放大器的毁伤机理

半导体器件是低噪声放大器的核心器件,也是对HPM最敏感的部件。在HPM作用下,半导体器件的不同部分可能产生不同的损伤机制,但常见的失效模式主要分为3种:(1)金属线烧毁;(2)氧化层介质击穿;(3)二次击穿。

1.2.1 金属线烧毁

半导体器件内部存在很多用于互相连接模块和引脚的金属引线。在HPM的作用下,由于金属引线中的大电流密度而产生大量的热,局部温度急剧上升,达到金属的熔点,引起金属触点、连接线烧融产生开路,相邻的金属线互连产生短路等现象。

1.2.2 氧化层介质击穿

在HPM作用下,氧化层介质击穿是半导体器件绝缘区毁伤的主要因素。

半导体器件内氧化层厚度随着器件尺寸的不断缩小变得越来越薄,但器件的电场强度仍然不变,导致氧化层沟道区的电场显著增强。载流子在强电场中极易形成热载流子,被栅极氧化层的电荷陷阱俘获并累积,这将导致器件特性和电路性能随HPM的不断作用逐渐退化。当积累的电荷链穿通氧化层形成导电通道,便产生击穿,最终引起器件的失效[14]。

1.2.3 二次击穿

半导体器件的二次击穿分为热二次击穿和电二次击穿2种。

热二次击穿和半导体器件的过热点有关,主要是因为在大电压作用时器件内部热量分布不均匀,电流密度和电场强度在某点达到最大,该点的温度迅速升高,形成热斑(过热点),从而使得半导体器件出现不可恢复的毁伤现象。该现象一般出现时间为μs或ms级。

电二次击穿主要是在高电场强度和大电流密度的影响下,半导体器件内部载流子发生雪崩式倍增导致二次击穿,造成器件永久性损坏的现象。该现象一般出现时间为ns级[14]。

2 HPM注入毁伤实验

2.1 毁伤实验平台设计

为了研究高功率微波对某型雷达低噪声放大器的毁伤效应,本文设计了由信号源、功放、可调直流电源、LNA、同轴衰减器、矢量网络分析仪组成的HPM注入毁伤实验平台,如图 1所示。

图1 S波段LNA注入毁伤实验框图

该实验平台充分利用矢量网络分析仪的高集成度优势,具有搭建简单、集成度高、测试时间短等特点,相较于常规测试方案,显著提高了实验的测试效率和测试精度。

2.2 受测器件性能指标

某型雷达低噪声放大器由输入、输出隔离器和多级场效应管放大器组成,如图 2所示。

图2 某型雷达低噪声放大器组成示意图

该型LNA具有噪声系数低、增益高等特点,其基本参数如表 1所示。

表1 LNA基本参数

多级场效应管放大器是由装接在微带电路板上的砷化镓场效应管(FET)及直流偏置电路组成,具有灵敏度高、耐功率性差等特点,电路原理如图3所示。

图3 多级场效应管电路原理图

2.3 测试信号参数

实验注入脉冲信号源对标某型高功率微波导弹信号,采用工作频带内点频信号进行注入。点频频率为2.75 GHz,脉宽为1 μs,重复频率50 Hz,每次注入1 min。注入脉冲信号波形如图4所示。

图4 注入脉冲信号时域和频域波形

2.4 实验内容

(1) 对实验仪器和设备进行检测与校准,测量仪器及线路耗损误差,并计算测试补偿方法,确保实验精确度;

(2) 连接实验设备,对LNA供电;

(3) 使用矢网对LNA进行S参数、功率参数测试并记录数据;

(4) 功放连接LNA,开启微波信号源,对LNA注入脉冲信号,通过矢网实时监测LNA增益变化;

(5) 注入后用矢网对LNA进行S参数、功率参数测试,记录LNA参数的变化数据;

(6) 步进方式信号源功率,重复(4)～(5)步操作;

(7) 当矢网监测LNA的增益发生明显变化时,停止注入信号,对LNA进行S参数、功率参数测试并记录数据;

(8) LNA器件静置1 min,再次进行S参数、功率参数测试并记录数据。

3 实验结果分析与讨论

3.1 实验结果分析

当不同功率信号注入后,矢网监测LNA器件增益变化,如图5所示。

图5 LNA器件增益变化示意图

当HPM注入功率较小时,LNA的增益基本保持在35 dB左右,没有发生线性或非线性变化,表明器件性能在该阶段不受注入信号影响,没有产生线性效应或干扰、降级等影响;当注入功率增加到37 dBm时,LNA的增益突然降低,工作电流明显增加,静置一段时间后,LNA的增益没有恢复,表明器件受到永久性损伤。

LNA损坏前后S参数、功率参数扫描结果对比如图6所示。

图6 LNA损坏前后S参数、功率参数扫描结果对比

图7 GaAs FET异常位置微观图像

当HPM注入功率低于37 dBm时,不论注入功率大小,LNA的S参数和功率参数扫描结果保持稳定,没有明显变化,如图 6(a)、(b)所示;当注入功率达到37 dBm时,LNA的S参数和功率参数扫描结果表示,其增益明显降低且噪声增大,如图 6(c)、(d)所示。

上述实验结果分析表明,受测LNA的HPM毁伤阈值约为37 dBm,当HPM注入功率小于毁伤阈值时,LNA性能不受影响,不发生线性变化或干扰、降级等非线性影响;当HPM注入功率高于毁伤阈值时,LNA受到永久性损伤,性能失效。

3.2 损伤机理验证

对受损后的LNA拆解发现,器件金属线路没有发生烧融现象,各类电阻、电容检测正常,对FET拆解,利用电子显微镜观测发现,器件内部栅极和源极之间出现明显的烧融,如图 7所示。由此可知,HPM作用下,该型LNA内的FET器件在源极和栅极之间因电压和电流过大产生大量热量,在短时间热量快速积累造成器件烧毁。

4 结束语

本文首先理论分析了HPM对低噪声放大器的毁伤机理,然后构建实验平台,并进行了低噪声放大器的HPM注入毁伤实验。通过对实验平台进行一定的改进和优化,能够更高效地进行测试。实验分析表明:

(1) 该型雷达LNA的毁伤阈值为37 dBm;

(2) 若HPM注入功率低于LNA毁伤阈值,LNA性能不受影响,不发生线性变化或干扰、降级等非线性影响;

(3) 若HPM注入功率高于LNA毁伤阈值,LNA内的FET器件内部栅源之间发生热烧融,造成LNA受到永久性损伤,性能失效。

此结论将为该型雷达装备抗HPM毁伤效能评估提供数据支撑,并为高功率微波防护设计提供参考依据。