微波注入反相器基本电路的非线性效应

采用理论分析和微波注入实验相结合的方法,分别研究了以74HC04和74LVCU04A两种芯片为核心的反相器基本缓冲及数模转换电路的微波效应问题,通过反相器闩锁过程对非线性扰乱进行了机理分析,并利用微波注入实验详细分析了非线性扰乱效应的微波有效功率阈值及其随频率、脉冲宽度的变化。实验结果表明:在固定环境温度条件下,有效注入功率大于33 dBm,频率在3 GHz以下的微波均可使74HC04效应电路的非线性扰乱强度达到10%以上;有效注入功率大于30 dBm,频率在3 GHz以下的微波均可使74LVCU04A效应电路的非线性扰乱强度达到10%以上。相同非线性扰乱强度的注入有效功率阈值近似随频率的提高而增大。非线性扰乱阈值随注入微波信号脉宽变化明显,拐点为40~70 ns不等,与反相器中的互补型金属氧化物半导体器件寄生三级管的导通电流积累有关。     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理（英文）

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的"下降-上升",当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加,损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加, 损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

P波段微波注入反相器模数转换电路的响应

 利用设计的三反相器模数（A/D）转换电路,开展了P波段微波注入实验。采用眼图观测法对电路的线性响应进行了有效测量,推导了实验线路中微波注入效率公式,利用一种实时温度检测电路来验证芯片工作状态的稳定性,并利用统计检验的方法分析了不同芯片及电路板等对实验数据获取的影响,从而保证了实验的有效性和可信度。重点研究了注入微波的幅值、频率、脉宽及重复频率等参数对反相器正常工作的影响。实验结果表明:当注入微波信号脉宽大于70 ns时,电路信号在微波脉冲结束后,相邻脉冲脉宽变化10%的非线性干扰功率阈值,比使电路信号噪声容限降低50%的功率阈值大4~6 dB,电路信号脉宽变化30%的功率阈值比脉宽变化10%的大2~3 dB,在功率小于32 dBm的实验中得到的最大非线性干扰为脉宽变化约40%。非线性干扰阈值随注入微波信号脉宽变化明显,拐点为40~70 ns。注入微波的重复频率对微波干扰阈值影响很小。     

低噪声放大器有意电磁干扰效应

 低噪声放大器(LNA)是高功率微波“前门”效应典型薄弱器件之一。通过SPICE效应电路建模、模拟计算和注入实验,研究了LNA在不同微波脉宽、功率参数下其增益压制效应规律。模拟结果与实验数据获得良好一致,表明基于SPICE电路模型微波效应研究方法的有效性。研究表明,LNA增益压制脉宽随注入微波脉冲脉宽的增大具有饱和效应,该饱和值基本等于LNA直流偏置电路RC时间常数,并且出现饱和现象对应注入微波脉宽拐点约为150~250 ns。最后,给出了LNA微波脉冲效应定性物理解释和机理探讨。     

高温合金不同脉宽超快激光作用下多脉冲去除阈值

实验研究了激光脉冲宽度和脉冲个数对镍基高温合金材料去除阈值的影响,分别在290 fs,1 ps和7 ps脉宽的激光下,使用1,10,50,100,300,500和1000个不同能量的激光脉冲辐照高温合金样品表面。实验结果表明,烧蚀坑尺寸会随脉冲数的增加而增加,而脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响。通过烧蚀坑直径的平方值与激光脉冲能量之间存在的对数关系,得到了不同脉冲宽度下镍基高温合金的多脉冲材料阈值。3种不同脉宽下的高温合金多脉冲去除阈值都存在显著的累积效应。根据去除阈值计算得到290 fs,1 ps和7 ps脉宽下的累积效应系数分别为0.88,0.86和0.78。     

脉冲激光辐照氮化硅陶瓷损伤阈值的光谱测量

氮化硅陶瓷具有耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优异性能, 可应用于金属材料和高分子材料难以胜任的极端工作环境。但具备这些优良特性的同时也给其加工带来了不便,传统的磨削加工方法效率低,设备损耗严重, 激光辅助加工为其提供了一种新途径。将等离子体光谱法和显微成像法相结合,对脉冲激光辐照氮化硅陶瓷的损伤阈值进行了测量,并分析了损伤机理。实验选用热压烧结氮化硅陶瓷为靶材,参考ISO21254国际损伤阈值测试标准搭建试验系统,采用1-on-1法利用Nd3+∶YAG固体脉冲激光分别在纳秒和微秒脉宽下辐照氮化硅陶瓷,两种脉宽分别选取10个能量密度梯度进行激光辐照,每个能量密度辐照10个点。利用光纤光谱仪采集光谱信息,利用金相显微镜获取显微图像信息,将光谱结果与显微成像结果对比分析, 发现纳秒脉宽下材料一旦损伤光谱上就会出现等离子体峰,通过分析光谱中等离子体峰,元素指认是否含有材料中特征元素即可判断损伤,为了区别空气电离击穿同时测量了空气等离子体光谱对比分析剔除干扰。微秒脉宽下显微图像观察到刚开始损伤时,光谱中只出现较强热辐射谱线并未出现等离子体谱线,进一步增加激光能量密度,光谱中会出现少量等离子体峰,因此不能直接以等离子体峰判断材料损伤阈值。利用金相显微镜观察损伤形貌,纳秒脉宽下在损伤区域内部观察到明显的烧蚀冲击状损伤,光谱呈现出大量等离子体谱线,说明纳秒激光辐照氮化硅损伤机制主要为等离子体冲击波引起的力学损伤效应。微秒脉宽在辐照区域边缘发现热烧蚀痕迹,损伤区内观察到大量熔融物,出现明显热辐射光谱,说明微秒激光辐照氮化硅损伤机制主要是由于长脉宽热积累引起的热损伤效应,随着能量密度增加热辐射谱上叠加有等离子体峰,等离子体峰值强度与损伤程度一致。利用零几率损伤阈值法对两种方法测得结果进行了拟合,分析发现等离子体光谱法更适用于纳秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为0.256 J·cm-2;显微成像法适用于微秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为6.84 J·cm-2。     

高功率微波窗内外表面闪络击穿流体模拟研究

建立理论模型,将电磁场时域有限差分方法与等离子体流体模型结合,编制一维电磁场与等离子流体耦合程序,数值研究了3 GHz高功率微波窗内外表面闪络击穿的不同物理过程.研究结果表明:外表面闪络击穿中,输出微波脉宽缩短(未完全截止),窗体前均方根场强呈驻波分布,波节与波腹位置不变,窗体外表面形成有一层高密(约10~(21)·m~(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体(扩散缓慢),入射波可部分透过该薄层等离子体,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;降低初始等离子体密度、厚度、入射波场强及缩短入射波脉宽等方式,可不同程度地改善输出脉宽缩短效应.内表面闪络击穿中,窗体前均方根场强亦出现驻波分布f但波节与波腹位置随时间变化),等离子体向波源方向运动;强释气下,输出脉宽缩短(未完全截止),形成多丝状高密(约10~(21)·m~(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体区域(扩散缓慢),间距1/4微波波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、低场强下,脉宽缩短有所改善(但最终截止),形成多带状致密(约10~(18)·m~(-3)量级)略厚(mm-cm量级)等离子体区域(扩散较快),间距1/4波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、高场强下,脉宽缩短严重(很快截止),形成块状高密(约10~(21)·m~(-3)量级)较厚(约cm量级)等离子体区域(扩散迅速),脉宽缩短主要源于等离子体反射效应.     

9.33 GHz高功率脉冲微波对IAR20鼠肝细胞和L-02人肝细胞增殖的影响

研究了9.33 GHz高功率脉冲微波对IAR20鼠肝细胞和L-02人肝细胞增殖的影响,利用噻唑蓝比色法测量细胞增殖并对实验数据进行拟合,得到脉冲个数、场强和脉宽与细胞增殖之间的关系。当脉冲微波场强与脉宽保持不变,脉冲微波细胞效应随脉冲个数呈现非线性的指数递增规律。当脉冲微波的脉冲个数、脉宽一定时,场强越大,细胞增殖被抑制的程度越大;当脉冲个数、场强不变,脉宽越大,细胞增殖受到抑制的作用越明显,即脉冲微波细胞效应与场强和脉宽成正比。相同脉冲微波参量对不同种类细胞增殖的影响是不同的,对IAR20鼠肝细胞的影响比对L-02人肝细胞的影响略大。     

碳纤维阴极对输出脉宽及能量的影响

 在反射三极管实验平台上，通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比，研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响。实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns，较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%；对输出微波脉宽面积近似积分，得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273，表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右。分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低，延缓了阴阳极间隙的闭合，从而增加了输出微波脉宽，提高了微波输出能量。     

强电磁干扰对达林顿管的损伤效应与机理

建立了PNP型达林顿管的二维电热模型,对处于有源放大区的达林顿管的集电极注入高功率微波(HPM)和强电磁脉冲(EMP)时的瞬态响应进行了仿真。结果表明:HPM注入下,器件内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,温度升高过程发生在信号的正半周,靠近达林顿管发射极的晶体管发射结边缘是最易毁伤处;EMP注入下,其损伤机理与HPM注入时的正半周时相似,器件内部峰值温度一直上升,易毁伤部位与HPM注入时相同。得到了损伤功率阈值和损伤能量阈值与损伤脉宽的关系,这两种干扰注入下的损伤能量阈值-脉宽关系和损伤功率阈值-脉宽关系公式相似,并且在相同脉宽下,HPM注入下的损伤能量阈值大于EMP注入下的损伤能量阈值。     

引信高功率微波电磁辐射效应数据的FCM分析

高功率微波(HPM)电磁脉冲对引信辐照实验的数据分析是研究其电磁效应中的一个重要问题,数据分析的主要困难在于HPM电磁效应数据的高维复杂性。通过聚类算法设计,采用模糊C均值聚类(FCM)算法对某无线电引信的高功率微波电磁效应数据进行分析处理,利用其类内相似和类间相异的原则,经迭代运算,实现HPM对无线电引信效应数据的脉宽、峰值功率、功率密度等参数间的识别和分类。结果表明:采用FCM算法能够得到HPM对某引信的最佳聚类中心,即致使引信失效的最佳干扰阈值,证明了算法的有效性。     

向外发射同轴型虚阴极振荡器研究

在高功率微波源研究领域提出了一种新型虚阴极器件——向外发射同轴型虚阴极振荡器.对其相关束流特性进行了理论分析,得到了同轴空间径向传输空间电荷限制电流,以及虚阴极产生的条件和电子束运动的基本规律.基于数值模拟得到的结果,向外发射同轴型虚阴极振荡器不仅表现出较高的能量转换效率,而且有利于增加虚阴极器件产生高功率微波的脉宽,同时还可以应用于低频段高功率微波源.这种虚阴极器件的可能输出微波方式也进行了讨论 关键词： 虚阴极 高功率微波 脉冲功率 电子束二极管     

高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.     

高功率微波大气击穿区域分布

大气击穿是高功率微波(HPM)大气传输研究最主要的内容。一方面高功率微波辐射天线近场以振荡场形式存在,在某些局部点形成场强的峰值分布,导致天线近场击穿、天线口径面介质击穿等一系列复杂的问题;另一方面,随着单台微波源功率的大幅提高和功率合成技术的发展,天线远场区的大气击穿问题越来越突出。如何判别是否存在大气击穿,如何确定判断的依据,都是需要解决的问题。论文提出依据击穿阈值和天线辐射场与高度关系曲线的变化规律进行判断。当HPM初始辐射场小于该区域大气击穿阈值,且上述两条曲线之间存在交点,即说明存在HPM辐射天线未击穿而传输路径近场区或远场区可能满足大气击穿条件的情况,这一现象也在相关实验中得到了证实。     

基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究

综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型,基于高功率微波混合大气传输模型,提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型,定义了单脉冲高功率微波击穿阈值.理论研究结果表明:考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后,大气击穿时对应的等离子体频率明显变大;大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大,在30-60 km区域存在一个极小值.开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究,得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值,且与理论结果一致性较好.     

多级PIN限幅器高功率微波效应研究

基于PIN二极管电热自洽耦合模型,构建了两级PIN限幅器高功率微波(HPM)效应电路模型。根据模拟模型设计加工了两级限幅器实验样品,限幅器输入、输出特性注入实验数据与模拟计算结果基本一致,验证了多级限幅器模型的有效性,表明该多级PIN限幅器模型能够应用于HPM效应模拟。针对不同HPM波形参数进行了HPM效应模拟,计算结果表明:随着注入功率的增大,脉宽增宽,前级厚I层PIN二极管结温升比后级薄I层PIN二极管结温升要高,因此厚I层PIN二极管更易受到损伤;而频率和前沿参数对结温升影响较小。     

HPM效应实验中区间删失数据的处理与统计分析

在HPM效应实验中经常可以获得区间删失数据,为了能够合理利用这类数据对HPM效应进行有效分析,需要对它进行处理。根据电子器件的微波失效机理和实验现象,基于插值方法的思想,在充分利用删失数据信息情况下建立了不同阶插值精度的数据处理方法。理论分析可知,高阶精度处理方法要优于低阶精度方法。此外,根据构建的区间删失数据,通过统计分析可知,处理后数据与原始数据在统计意义上没有显著差异,可用于HPM效应研究,为数据的可靠分析提供了有利支撑。     

垂直相交高功率微波大气击穿的理论研究

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解, 对垂直相交高功率微波电离大气产生等离子体的过程进行了模拟研究. 对于相干(同频)垂直相交高功率微波束, 只有当初始自由电子出现在(或到达)强场(干涉加强)处, 自由电子才会被加速并与本底气体发生碰撞电离, 在放电的开始阶段, 等离子体区域主要沿着强场区运动, 并逐渐形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域. 这个带状等离子体区域足够长以后, 由于其对电磁波的吸收和反射, 其将等离子体两侧的两束微波分割开. 随着时间的推移, 在等离子体附近的强场区, 不断出现新的等离子体带. 比较发现, 当其他条件相同时, 相干微波束产生的等离子体区域比非相干微波束大. 关键词： 相交高功率微波束 大气击穿     

高功率微波作用下热载流子引起n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管特性退化研究

高功率微波(HPM)通过使半导体器件特性退化和功能失效,从而干扰电子系统无法正常工作. 针对金属氧化物半导体(MOS)器件的HPM效应, 建立了高功率微波引起n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)特性退化的物理过程与模型. 器件仿真结果中nMOSFET的输出特性曲线显示栅极注入HPM引起器件特性退化,包括阈值电压正向漂移、 饱和电流减小、跨导减小等;结合物理模型分析可知, HPM引起的高频脉冲电压使器件进入深耗尽状态, 热载流子数目增多,热载流子效应导致器件特性退化. MOS器件的HPM注入实验结果显示,器件特性曲线、器件模型参数变化趋势与仿真结果一致, 验证了HPM引起nMOSFET特性退化的物理过程与模型.