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。     

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。     

高功率微波对毫米波引信耦合效应分析

针对高功率微波对毫米波引信的前门耦合效应问题,利用电磁仿真软件对某型毫米波调频连续波引信模型进行辐照试验,并与引信前端限幅电路结合进行联合仿真。在此基础上,继续设计正交试验,对信号参数影响水平进行分析。通过仿真试验发现,在高功率微波信号频率和引信工作频率对准的情况下,辐照场强峰值为60 kV/m时,天线末端耦合电压最大可达188 V;当辐照场强峰值为40 kV/m时,改变辐照信号特征参数,发现长脉宽信号更容易导致限幅器的热击穿效应;信号上升时间会影响天线末端耦合电压波形复杂程度,当信号峰值、脉宽一定时,上升时间为5 ns的输入信号导致的尖峰泄漏电压约为5.94 V,而当上升时间为0.1 ns时,尖峰泄漏电压为18.4 V,并且限幅电路更快达到饱和状态;通过正交试验发现,信号上升时间对尖峰泄漏峰值电压的影响最大,信号峰值对其的影响次之。     

级联式高功率微波限幅防护装置

针对单级等离子体限幅器在防护高功率微波时可能出现的功率泄漏问题,提出等离子体限幅器与PIN限幅器在矩形波导中级联的新型防护装置.以功率为10 GW、频率为1 GHz高功率微波为例,通过计算单级等离子体限幅器的泄漏功率,分析比较了单级等离子体限幅器和级联式防护装置的防护性能.结果表明:对于单级等离子体限幅器不同情况的泄漏(即入射高功率微波场强小于限幅器击穿阈值场强和限幅器响应时间较长两种情况),采用级联式防护措施后,其泄漏功率被抑制在0.40 W以下.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

温度对PIN二极管限幅器功率响应特性的影响

通过求解PIN二极管基区双极载流子扩散方程得到了限幅器Pspice等效电路模型, 根据PIN二极管物理参数与温度的关系, 数值计算得到了PIN二极管限幅器在多个温度点的功率响应特性, 发现温度的升高会使限幅器内部损耗增加, 加剧限幅器内部热损伤。并利用恒温控制系统进行了实验验证, 实验结果与数值计算结果相符合。实验还发现高温热冲击可能使限幅器限幅能力大幅下降, 可能成为通信系统的重大安全隐患。     

脉冲宽度对PIN限幅器微波脉冲热效应的影响

通过数值求解半导体方程组仿真了高功率微波脉冲作用下的PIN二极管,研究了高功率微波脉冲的脉冲宽度对其烧毁的影响。发现脉冲宽度在ns至μs量级时,脉冲功率随脉冲宽度上升而下降,并且近似成反比。在此基础上,基于PIN二极管的Leenov模型和电路的戴维南定理对其机理进行了分析。在脉冲宽度由ns向μs量级变化中,器件热效应由绝热加热转为有热传导的加热;与此同时,其实际吸收功率由与入射功率成正比转为与入射功率开方成正比;此二者共同作用导致了脉冲宽度对烧毁影响。     

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。     

脉冲宽度对PIN限幅器微波脉冲热效应的影响

通过数值求解半导体方程组仿真了高功率微波脉冲作用下的PIN二极管,研究了高功率微波脉冲的脉冲宽度对其烧毁的影响。发现脉冲宽度在ns至μs量级时,脉冲功率随脉冲宽度上升而下降,并且近似成反比。在此基础上,基于PIN二极管的Leenov模型和电路的戴维南定理对其机理进行了分析。在脉冲宽度由ns向μs量级变化中,器件热效应由绝热加热转为有热传导的加热;与此同时,其实际吸收功率由与入射功率成正比转为与入射功率开方成正比;此二者共同作用导致了脉冲宽度对烧毁影响。