射频前端半导体器件的微波脉冲损伤研究

When a microwave pulse couples into electronic systems, it might damage the semiconductor devices in the radio frequency front ends and lead the systems operating abnormally. This project will study it in depth. At first, taking consideration of the high temperature and intense field induced by a microwave pulse, the device-circuit united simulation will be fulfilled with the physical and numerical models of semiconductor devices and passive elements in the circuit configuration of radio frequency front ends. Secondly, the relations of the pulses' parameters such as the pulse width and the pulse repetition frequency, with the required powers of the microwave pulses damaging a PIN diode limiter module, low noise amplifier module and the total limiter-amplifier subsystem made of GaAs MESFET and HEMT, will be simulated respectively. At last, combing the physical mechanisms, device structures, semiconductor material properties, microwave pulse characteristics and the above simulated results, the analytical models on the microwave pulse effects of the above PIN diode limiter module, low noise amplifier module, and the total limiter-amplifier subsystem will be established theoretically. The above results will be validated numerically and experimentally. This study will let us more understand the physical process, damage mechanism, and give out the corresponding laws of the effects of microwave pulses on radio frequency front ends. The results of this project will provide useful references and foundations for the design of the electromagnetic compatibility and defense of electronic equipments.

微波脉冲耦合进电子系统后可能损伤射频前端中的半导体器件，导致系统不能正常工作，本项目将对此开展深入研究。首先，构建以半导体器件管芯的物理和数值模型为核心、无源电磁结构的等效电路为外电路的射频前端电路的物理和数值模型，实现半导体器件-电路的协同仿真，模型将考虑高温强场的作用；其次，数值模拟研究脉冲宽度、重复频率等微波脉冲参数与由典型半导体器件PIN管、GaAs MESFET、HEMT构成的限幅器、低噪声放大器模块及整个限幅放大系统损伤所需微波脉冲功率的关系的规律；最后，基于物理机制、器件结构、材料特性和微波脉冲的特点并结合数值模拟结果，研究建立上述限幅器、低噪声放大器及整个限幅放大系统的微波脉冲损伤效应的理论解析模型。同时，将对上述研究结果进行数值和实验验证。通过本项目的研究，将加深对微波脉冲作用射频前端的物理过程和损伤机理的理解，获取相关规律，为电子设备的电磁兼容和防护设计提供参考和依据。

微波脉冲耦合进电子系统后可能损伤射频前端中的半导体器件，导致系统不能正常工作，本项目对此开展了研究。首先，在建立了射频前端典型无源电磁结构（包括偶极子中心馈电的抛物面天线、多天线系统、远场干扰源和近场干扰源辐照两种情况下的非屏蔽多层印刷电路板电路、带天线的屏蔽电子系统）的电磁耦合SPICE等效电路模型和典型半导体器件PIN管、GaAs MESFET、GaAs PHEMT、SiGe HBT及其构成的限幅器、低噪声放大器的物理和数值模型并验证了模型的正确性后，构建了以半导体器件管芯的物理和数值模型为核心、无源电磁结构的等效电路为外电路的射频前端电路的物理和数值模型，实现了半导体器件-电路的协同仿真并验证了仿真结果的正确性和有效性，相关模型考虑了微波脉冲作用下可能出现的高温强电场效应；其次，利用本项目组实现的半导体器件-电路协同仿真器，数值模拟研究了微波脉冲热损伤由上述典型半导体器件构成的限幅器、低噪声放大器模块及整个限幅放大系统所需功率与脉冲宽度、重复频率和微波频率的关系的规律和损伤机理；最后，基于物理机制、器件结构、材料特性和微波脉冲的特点并结合数值模拟结果，研究建立了微波脉冲热损伤上述限幅器、低噪声放大器及整个限幅放大系统所需功率与脉冲宽度、重复频率的关系的解析理论模型并验证了模型的正确性和有效性。通过本项目的研究，加深了我们对微波脉冲作用射频前端的物理过程和损伤机理的理解，获取了相关规律，可为电子设备的电磁兼容和防护设计提供参考和依据。