C band microwave damage characteristics of pseudomorphic high electron mobility transistor

The damage effect characteristics of Ga As pseudomorphic high electron mobility transistor(p HEMT) under the irradiation of C band high-power microwave(HPM) is investigated in this paper. Based on the theoretical analysis, the thermoelectric coupling model is established, and the key damage parameters of the device under typical pulse conditions are predicted, including the damage location, damage power, etc. By the injection effect test and device microanatomy analysis through using scanning electron microscope(SEM) and energy dispersive spectrometer(EDS), it is concluded that the gate metal in the first stage of the device is the vulnerable to HPM damage, especially the side below the gate near the source. The damage power in the injection test is about 40 d Bm and in good agreement with the simulation result. This work has a certain reference value for microwave damage assessment of p HEMT.     

GaN高电子迁移率晶体管强电磁脉冲损伤效应与机理

提出了一种新型GaN异质结高电子迁移率晶体管在强电磁脉冲下的二维电热模型,模型引入材料固有的极化效应,高场下电子迁移率退化、载流子雪崩产生效应以及器件自热效应,分析了栅极注入强电磁脉冲情况下器件内部的瞬态响应,对其损伤机理和损伤阈值变化规律进行了研究.结果表明,器件内部温升速率呈现出"快速-缓慢-急剧"的趋势.当器件局部温度足够高时(2000 K),该位置热电子发射与温度升高形成正反馈,导致温度急剧升高直至烧毁.栅极靠近源端的柱面处是由于热积累最易发生熔融烧毁的部位,严重影响器件的特性和可靠性.随着脉宽的增加,损伤功率阈值迅速减小而损伤能量阈值逐渐增大.通过数据拟合得到脉宽τ与损伤功率阈值P和损伤能量阈值E的关系.     

高功率微波介质窗表面矩形槽抑制二次电子倍增

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹,考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响,理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz,脉宽1μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验,试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率,在槽深(1.0mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化,仿真结果很好地验证了试验现象。     

高功率微波作用下高电子迁移率晶体管的损伤机理

本文针对高电子迁移率晶体管在高功率微波注入条件下的损伤过程和机理进行了研究,借助SentaurusTCAD仿真软件建立了晶体管的二维电热模型,并仿真了高功率微波注入下的器件响应.探索了器件内部电流密度、电场强度、温度分布以及端电流随微波作用时间的变化规律.研究结果表明,当幅值为20 V,频率为14.9 GHz的微波信号由栅极注入后,器件正半周电流密度远大于负半周电流密度,而负半周电场强度高于正半周电场.在强电场和大电流的共同作用下,器件内部的升温过程同时发生在信号的正、负半周内.又因栅极下靠近源极侧既是电场最强处,也是电流最密集之处,使得温度峰值出现在该处.最后,对微波信号损伤的高电子迁移率晶体管进行表面形貌失效分析,表明仿真与实验结果符合良好.     

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.     

高电子迁移率晶体管放大器高功率微波损伤机理

在TCAD半导体仿真环境中,建立了0.25 m栅长的AlGaAs/InGaAs高电子迁移率晶体管(HEMT)低噪声放大器与微波脉冲作用的仿真模型,基于器件内部的电场强度、电流密度和温度分布的变化,研究了1 GHz的微波从栅极和漏极注入的损伤机理。研究结果表明,从栅极注入约40.1 dBm的微波时,HEMT内部峰值温度随着时间的变化振荡上升,最终使得器件失效,栅下靠源侧电流通道和强电场的同时存在使得该位置最容易损伤;从漏极注入微波时,注入功率的高低会使器件内部出现不同的响应过程,注入功率存在一个临界值,高于该值,器件有可能在第一个周期内损伤,损伤位置均在漏极附近。在1 GHz的微波作用下,漏极注入比栅极注入更难损伤。     

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。     

介质表面高功率微波击穿中释气现象的数值模拟研究

建立了一个简单的高功率微波(HPM)介质表面击穿释气模型,并采用PIC(partiele-in-cell)-MCC(Monte Carlo collisions)方法,通过自行编写的介质表面击穿数值模拟程序对不同释气条件下的介质表面HPM击穿过程进行了数值模拟研究,得到了击穿过程中电子数量等的时间图像和不同释气速度下的击穿延迟时间.模拟结果表明,对于具有一定时间宽度的HPM脉冲,当介质表面气体脱附速度较小时,由于介质表面气体层形成太慢而不会发生击穿;只有当脱附速度大于一定值时,击穿才会发生且击穿延迟时间在一定范围内随着脱附速度的增加而缩短.最后,将数值模拟得到的介质表面HPM击穿数据,与单极性表面击穿的实验诊断图像进行了对比,两者的发展趋势符合很好. 关键词： 释气现象 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟     

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。     

外界条件在电磁脉冲对GaAs赝高电子迁移率晶体管损伤过程中的影响

结合器件仿真软件Sentaurus TCAD,建立了GaAs赝高电子迁移率晶体管器件的电磁脉冲损伤模型.基于此模型,从信号参数和外接电阻两个方面出发讨论了外界条件对器件电磁脉冲损伤效应的影响.结果表明,信号参数的改变能够显著影响器件的损伤时间:信号幅度通过改变器件的吸收能量速度来影响器件的损伤效应,其与器件损伤时间成反比;信号上升时间的改变能够提前或延迟器件的击穿点,其与器件损伤时间成正比.器件外接电阻能够减弱器件的电流沟道,进而延缓器件的损伤进程,且源极外接电阻的影响更加明显.     

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

真空高功率微波介质窗表面击穿破坏现象的研究进展

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面,介绍了国外最具代表性的研究成果,给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律,并提出相应的理论模型。在理论仿真方面,重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献,给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态,并提出了一个理论模型,从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。     

均压环在高功率微波辐射天线窗中的应用

为提高高功率微波（HPM）辐射天线的功率容量,设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变,电子运动轨迹也随之发生改变,改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时,CST模拟表明,均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器（BWO）实验中（输出微波为TM01模）,结果表明:在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时,普通天线窗输出脉宽为45 ns,而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。     

Modeling and understanding of the thermal failure induced by high power microwave in CMOS inverter

The thermal failure induced by high power microwave(HPM) in a complementary metal oxide semiconductor(CMOS) inverter is investigated and its dependence on microwave parameters is discussed in detail. An analytical model of the temperature distribution is established and the relationships between hotspot temperature and pulse width and between hotspot temperature and frequency are predicted, which reveals a more severe rise in temperature under the influence of microwave with longer width and lower frequency. The temperature variation mechanism and the theoretical temperature model are validated and explained by the simulation. Furthermore, variation trend of damage threshold with microwave parameters is derived theoretically, and the conclusions are consistent with simulation results and reported data.     

高功率微波输出窗内侧击穿动力学的PIC/MCC模拟研究

高功率微波在受控热核聚变加热、微波高梯度加速器、高功率雷达、定向能武器、超级干扰机及冲击雷达等方面有着重要的应用.本文针对高功率微波输出窗内侧氩气放电击穿过程,建立了二次电子倍增和气体电离的一维空间分布、三维速度分布（1D3V）模型,并开发了相应的PIC/MC程序代码.研究了气压、微波频率、微波振幅对放电击穿的影响.结果表明：在真空情况下,介质窗放电击穿只存在二次电子倍增过程;在低气压和稍高气压时,二次电子倍增和气体电离共存;在极高气压时,气体电离占主导.给出了不同气压下电子、离子的密度和静电场的空间分布.此外还观察到,在500 mTorr时,随着微波振幅或微波频率的变化,气体电离出现的时刻和电离产生的等离子体峰值位置有较大差异,尤其是当微波频率（GHz）在数值上是微波振幅（MV/m）的2倍时,气体电离出现的较早.     

重复频率高功率微波脉冲的大气击穿

 理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性，推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度，数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下，大气击穿时，透射过去的脉冲个数与微波功率的关系。模拟结果表明：当微波脉冲参数一定时，压强越小，透射过去的脉冲个数越少，大气越容易发生击穿；当压强一定时，脉宽越宽,微波频率越小，透射过去的脉冲个数越少，大气越容易发生击穿。     

Simulation of the relativistic backward wave oscillator with a sinusoidal guiding magnetic field

A simulation is carried out to investigate a relativistic backward wave oscillator (RBWO) with a sinusoidal guiding magnetic field. In the numerical simulation, a microwave output power of 1.33 GW at 9.57 GHz microwave frequency with 33% conversion efficiency is achieved. It is a significant attempt which is helpful for developing a practical high power microwave (HPM) source guided by a permanent magnetic field.     

Simulation of the relativistic backward wave oscillator with a sinusoidal guiding magnetic field

A simulation is carried out to investigate a relativistic backward wave oscillator （RBWO） with a sinusoidal guiding magnetic field. In the numerical simulation, a microwave output power of 1.33 GW at 9.57 GHz microwave frequency with 33% conversion efficiency is achieved. It is a significant attempt which is helpful for developing a practical high power microwave （HPM） source guided by a permanent magnetic field.     

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。     

电子弛豫过程对重复频率高功率微波大气击穿的影响

 研究了重复频率高功率微波脉冲作用下的大气击穿。分析了重复频率脉冲作用下电子的弛豫过程,对脉冲间隔时间内电子温度和自由电子密度的变化规律进行了研究,得出了电子温度弛豫时间远小于电子密度弛豫时间的结论。分析了电子弛豫过程的附着效应和复合效应,给出了高功率微波重复频率脉冲作用下发生大气击穿的条件和重复频率高功率微波大气击穿的电子数密度方程。