双级PIN限幅器的微波脉冲响应机理及规律

基于双级限幅器中两个PIN二极管的多物理场仿真模型与限幅器中其他电路元器件的SPICE模型,搭建了Si基双级PIN限幅器的场路协同仿真模型,利用这一模型对微波脉冲作用下限幅器中两级PIN二极管的温度响应特性进行了仿真.在此基础上对限幅器在不同频率、幅值微波脉冲信号作用下内部发生熔化现象所需的时间与能量进行了仿真,并对这一过程进行了机理分析与响应特性规律总结.仿真结果表明,当限幅器中第一级PIN二极管内部最高温度已达到材料熔点时,第二级PIN二极管的温度变化幅度较小.限幅器内部发生熔化现象所消耗的时间与能量随信号幅值、频率的变化呈现出规律性关系,发生熔化现象所需的时间随信号幅值或频率的提升而减小;发生熔化现象所需的能量随频率的提升而降低,随幅值的变化存在极大值点;限幅器的响应特性对信号参数表现出了不同的敏感性.     

高功率微波作用下限幅器尖峰泄漏特性

针对限幅器在高功率微波(HPM)作用下的尖峰泄漏问题,基于搭建的HPM注入实验平台和电路仿真开展了研究。研究结果表明:当注入功率超过6 dBm时,限幅器会出现尖峰泄漏现象,限幅器泄漏尖峰的上升沿与脉宽随着注入功率的增加而减小,而绝对尖峰泄漏功率随注入功率的增加呈增长趋势,平顶泄漏功率呈近似"线性增加-缓慢下降-小幅增长"趋势。并且,实验结果显示:HPM脉宽与重频对限幅器尖峰泄漏特性基本无影响,其泄漏特性变化规律与单次脉冲的基本一致;尖峰泄漏能量随注入功率的增加而降低。     

微波脉冲频率与重频对限幅器热损伤效应的影响

基于PIN限幅器的电路与器件物理混合模式(Mixed-Mode)模型,考虑大功率微波作用下器件的高温强电场多物理过程,模拟分析了频率及重频等微波脉冲参数对限幅器热损伤过程的影响,数值模拟结果表明,不同频率的微波脉冲损伤PIN限幅器存在"拐点"频率,"拐点"频率的微波脉冲附近需要更多的能量(脉宽)损伤器件;重频脉冲前一个脉冲作用后,器件峰值温度近似负指数关系快速下降,器件处于高温时更容易损伤,热积累效应使重频脉冲较单个脉冲更容易毁伤器件。     

PIN限幅二极管结温对尖峰泄漏的影响

 建立了PIN二极管的Pspice子电路模型和热模型,模拟了PIN限幅器的瞬态特性。应用FORTRAN语言调用Pspice的仿真数据,计算了PIN二极管结温随输入脉冲变化的情况,讨论了PIN二极管的物理参数与温度的关系,结合结温的升高修改了Pspice软件中PIN二极管的子电路模型参数,模拟得到了不同结温下的瞬态响应曲线以及尖峰泄漏功率与脉冲频率、上升沿、结温的关系。模拟结果表明:输入脉冲的幅度越大,结温增长越快;在不同脉冲频率和上升沿情况下,升高的结温会导致限幅器尖峰泄漏功率增大。     

PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-热多物理场模型,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型,研究了不同峰值功率的电磁脉冲作用下限幅器的输入/输出特性,以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明:基于器件热效应影响载流子输运过程的电-热多物理模场型,模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/输出功率的结果与实验结果吻合较好;模拟大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式,与Wunsch-Bell半经验关系式符合较好。     

碳纳米管悬浮液的光限幅特性实验研究

 通过超声波降解法制备了多壁碳纳米管的水-表面活性剂悬浮液,测量了其对于1 064 nm,脉宽10 ns Nd:YAG调Q脉冲激光的光限幅曲线。实验发现：入射激光能量密度较低时,出射能量密度随入射能量密度的增加而线性增加;当入射能量密度为160 mJ/cm²时,出射能量不再线性增加并且逐渐趋近于光限幅器的嵌位输出值,约16 mJ,同时,对激光的透过率从71%下降到15%。通过Z扫描和探针光实验以及45°散射角下散射能量、散射率随入射激光能量变化曲线的测量,对碳纳米管悬浮液的光限幅机理进行了研究。结果表明：其限幅机理可能源于碳纳米管吸收激光能量后升华产生的膨胀的碳气泡对入射激光产生的非线性散射;另外,非线性折射对光限幅效果也有一定的作用。     

百纳秒脉冲下绝缘材料沿面闪络特性北大核心CSCD

为研究百纳秒脉冲下两种典型的绝缘材料(尼龙和有机玻璃)在气体中的沿面闪络特性,设计了百纳秒脉冲沿面闪络实验平台。通过实验研究了绝缘材料的闪络电压随气体气压、闪络距离、等物理因素的变化规律,实验表明:闪络电压随着气压的增加而增加,但是闪络场强随着闪络间距的增加而降低;在相同条件下,有机玻璃的闪络电压比尼龙高。同时通过沿面闪络实验,得到在百纳秒脉冲下不同气压、不同闪络间距的闪络电压值。     

高压氢气亚纳秒开关击穿特性

 在超宽谱脉冲产生辐射系统或脉冲功率源中,常用高压气体开关来产生快脉冲沿的高功率电磁脉冲。为了研究高压氢气亚纳秒开关的击穿特性,通过实验研究了氢气开关在高气压和短间隙距离条件下的击穿特性。开关输入脉冲的峰值幅度约220 kV,脉宽3～4 ns。氢气气压4～13 MPa,间隙距离0.4～1.2 mm。结果表明：开关击穿电压随气压升高而增加,且开关气压达到11 MPa后击穿电压随气压增加的趋势变缓;开关击穿电压随间距增加而增加,平均击穿场强随间距增加而减小,氢气开关平均击穿场强分布在3～7 MV/cm之间;开关导通时间随气压增加略有减小,随间隙距离增加有小幅增加。     

磁芯材料脉冲间叠加复位研究

 介绍了通过反向叠加长脉冲的方法,在双脉冲间隔小于1 μs的情况下对直线感应加速器磁芯进行的脉冲间复位实验,复位后波形幅度得到了明显改善,在最大伏秒值280 kV×100 ns的单脉冲感应腔上得到了两个伏秒值为200 kV×100 ns的感应脉冲。实验表明：当主脉冲脉宽小于100 ns,间隔大于500 ns时,采用脉冲间叠加复位的方法,将主脉冲叠加在一个反向的长脉冲上（脉宽大于10 μs,最大幅度约为主脉冲的20%）形成正负脉冲串,能有效提高感应加速腔磁芯的利用率,且对感应主脉冲没有明显影响,使单脉冲直线感应加速器的多脉冲改造成为可能。     

折射型光限幅器中参量的最优化设计研究

以衍射理论为基础,用箝位输出功率表征限幅器的限幅效果,推导了折射型光限幅器出射功率的表达式.数值计算了连续激光照射下,限幅器出射功率、限幅能力和最佳限幅位置的变化规律.结果表明：限幅器的出射功率随入射功率的增加衰减振荡,其振荡周期取决于介质相对于光束焦点的位置;限幅器的限幅能力随入射光束腰半径和光阑孔径的变大而减弱;入射功率范围固定,入射光束腰半径和光阑孔径增大时,介质的最佳限幅位置向入射光束的焦点靠近,但是在某些入射功率范围内会存在多个最佳限幅位置;光限幅器的箝位输出功率随光阑线性透过率的增加存在线性增加和非线性增加两个不同区域,实际应用中应在线性增加区域确定光阑孔径的大小.     

PIN限幅器PSpice模拟与实验研究

 从PIN二极管基区双极载流子扩散方程出发,通过拉普拉斯变换求解得到PIN二极管子电路模型,从而通过PSpice软件瞬态数值模拟得到了PIN限幅器的尖峰泄漏、平顶泄漏与脉冲功率、上升时间关系。对于I层厚度一定的限幅器,模拟与实验表明脉冲前沿越大,尖峰泄漏功率插入损耗越大,脉冲前沿过缓则可能没有尖峰泄漏现象;尖峰泄漏功率随着输入功率的增加而变大,但尖峰泄漏功率插损也随之增大;尖峰脉冲宽度与I层厚度、输入功率及脉冲前沿均有关系。限幅器尖峰泄漏与平顶泄漏模拟结果与实验数据基本一致。     

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。     

PIN限幅器的高功率微波单脉冲效应研究

基于PIN限幅器的等效电路模型,构建了PIN限幅器HPM效应ADS等效电路仿真模型,利用HPM注入实验和等效电路仿真相结合的方法,研究了单个微波脉冲作用下PIN限幅器的响应规律,获取了HPM作用结束后限幅器限幅持续时间与注入脉冲功率、脉宽的对应关系,并对限幅器的限幅持续过程进行了分析。仿真与实验结果表明:PIN限幅器限幅持续时间随着微波脉冲功率和脉宽的增大而变大,实验和仿真结果趋势一致,该研究使用的ADS等效电路模型可以应用于PIN限幅器的高功率微波瞬态响应特性分析研究。     

PIN限幅器微波脉冲热损伤温度特性

分析了微波对PIN限幅器的热损伤机理,基于器件物理模拟分析法,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了器件微波热效应模型,研究了频率为5.3,7.5,9.4 GHz的微波信号作用下,器件损伤过程中温度瞬态变化规律和瞬态温度分布规律。结果表明:PIN限幅器尖峰泄露阶段器件温度上升较快;稳态限幅后温度上升缓慢;临近热击穿状态,器件进入热电失控状态,峰值温度快速上升,最终器件因温度过高烧毁;PIN二极管中的I区或P区与I区之间的结边缘处,较容易烧毁。对PIN限幅器进行大功率微波注入实验,器件损伤实验结果与数值模拟结果吻合较好。     

组合脉冲内间隔对限幅器热损伤效应的影响

基于物理模型法研究PIN限幅器二极管的微波脉冲热效应,研究了间隔1~20 ns的两个微波脉冲构成的组合脉冲与单个长脉冲对于器件峰值温度的影响。仿真结果表明:带有间隔的组合脉冲相对于长脉冲温升更明显,不同型号二极管的最佳时间间隔不同,与I层厚度成正相关的作用。分析了脉冲间隔的热效应机理,是载流子恢复引起下一个脉冲的尖峰泄漏加速升温,以及P区温度升高使得本征载流子浓度增加引起电热正反馈共同作用的结果。     

电磁脉冲作用下PIN二极管的响应

采用自主开发的二维半导体器件效应模拟软件,对电磁脉冲作用下PIN二极管的响应进行了数值模拟研究,分析了PIN管在脉冲电压上升沿时间内出现的电流过冲现象。结果表明:过冲电流与高频下PIN二极管的电容性有关,过冲电流的峰值与上升沿时间有关,上升沿时间越短,峰值越大;PIN管的掺杂也会对过冲电流产生影响,P层、N层的掺杂浓度越高,过冲电流的峰值越大,过冲电流的波形下降越快;I层掺杂浓度对过冲电流也有一定影响,但并不显著。     

PIN二极管的高功率微波响应

 利用自行编制的半导体器件模拟程序mPND1D(采用时域有限差分方法，求解器件内部载流子所满足的非线性、耦合、刚性方程组)，对PIN二极管微波限幅器在高功率微波激励下的响应进行了计算，比较了不同条件下的计算结果，并对二极管微波响应截止频率作了探讨。计算结果表明:随着激励源幅值的升高，器件截止频率增大；随着脉冲长度减小，器件截止频率降低；随着器件恒定温度值升高，截止频率下降。     

高功率PIN限幅器设计及测试方案

 介绍了利用PIN二极管进行高功率无源限幅器的设计方法,分析了影响限幅器功率容量、限幅电平、尖峰泄露、响应速度及恢复时间等的因素。利用平面微带电路的形式,提出了无源检波式及主动式PIN限幅器设计,仿真结果表明:该无源检波式限幅器起限电平约为-3 dBm,脉冲功率容量60 dBm,限幅电平15 dBm左右。针对设计的限幅器,提出了用于测试限幅器性能的高功率实验平台。该平台采用双路双频耦合测量,具有很高的大小信号隔离度,能够进行高功率脉冲、连续波测试,在准确测量限幅器的功率容量、限幅电平、响应速度及恢复时间等指标方面具有很高的可靠性。