CN109298296A - 一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法 - Google Patents

一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于射频链路仿真领域，特别是一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是:它至少包括如下步骤：步骤1：获取场到天线耦合所产生波形的信息；步骤2：对射频链路各级器件分别建模；步骤3：建立低噪声放大器的分级损伤等效模型，预估损伤阈值；步骤4：依据步骤2和步骤3的结果，将射频链路前端器件进行级联，将步骤1建立的源作为注入源进行瞬态仿真；步骤5：检测输入端和射频链路前端各级器件的电流和电压，根据功率的量值和器件耐受参数来决定器件是否发生损坏；步骤6：引入损坏后的等效模型，重新进行链路仿真，检测整个电路输出端电流和电压，得到链路输出波形。它用于预估强电磁脉冲注入下射频链路受到损伤后，达到混频器前端的波形。

Description

一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真 方法
技术领域
本发明属于射频链路仿真领域，特别是一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，用于预估强电磁脉冲注入下射频链路受到损伤后，达到混频器前端的波形。
背景技术
随着电磁脉冲技术的发展以及电子设备集成化程度的提高，设备周围的电磁环境也变得越来越复杂，强电磁脉冲已经成为电子设备的重要电磁威胁。强电磁脉冲能量主要通过前门耦合和后门耦合两种途径进入射频链路。低噪声放大器是射频链路的最前端放大器，其内部的半导体器件特别容易被过大功率的电磁脉冲影响，发生降级甚至损坏，从而使整个射频链路对信号的响应发生改变，所以对强电磁脉冲作用下射频链路响应的研究就变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，利用低噪声放大器在不同功率下的损伤分级模型，对射频链路进行分级搭建，从而得出不同功率下的射频链路输出波形。
本发明的目的是这样实现的，一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是:它至少包括如下步骤：
步骤1：获取场到天线耦合所产生波形的信息；
步骤2：对射频链路各级器件分别建模；
步骤3：建立低噪声放大器的分级损伤等效模型，预估损伤阈值；
步骤4：依据步骤2和步骤3的结果，将射频链路前端器件进行级联，将步骤1建立的源作为注入源进行瞬态仿真；
步骤5：检测输入端和射频链路前端各级器件的电流和电压，根据功率的量值和器件耐受参数来决定器件是否发生损坏；
步骤6：引入损坏后的等效模型，重新进行链路仿真，检测整个电路输出端电流和电压，得到链路输出波形。
所述的步骤1包括：
步骤101：依据获取的场到天线耦合所产生波形，得到波形时域分布，依据波形时域判定波形的类别(波形的类别是高功率微波或核电磁脉冲)；
步骤102，基于ADS软件，将获得的时域波形进行注入源建模；
步骤103：将所建立的注入源时域波形按一定的时间步长进行取点，然后利用excel制作出注入源每个点的的时域波形参数表，导入ADS软件，利用Datasheet源调用时域波形表，完成注入源建模。
所述的步骤2包括：
步骤201：功率分配器建模，利用DesignGuide中的Passive Circuit控件调出功率分配器模型，输入设计参量指标，依据向导自动生成对应参量指标的功率分配器；
步骤202：射频耦合器建模，确定耦合器端口输入输出情况，利用MSUB设置微带线参数，通过Tools中的LineCalc计算微带线物理尺寸，完成符合设计指标的射频耦合器模型；
步骤203：滤波器建模，选择相应的滤波器类型，利用DesignGuide中的PassiveCircuit控件调出平行耦合微带线滤波器模型，输入设计参量，利用向导自动生成对应设计参量的滤波器；
步骤204：低噪声放大器的建模，选择相应的晶体管或场效应管，对确定的晶体管或场效应管进行直流分析，利用Transisior Bias中场效应管的偏置电路设计控件自动生成偏置电路；利用设计好的偏置电路，进行S参数仿真，在源极引入负反馈，利用史密斯圆图进行阻抗匹配网络的设计，对设计好的匹配网络进行优化，完成低噪声放大电路的建模。
所述的步骤3包括：
步骤301：设定在器件损伤过程中其分布电容、分布电感及器件自带模型基本参数不发生变化，基于ADS软件瞬态仿真器，对模型进行修正，使所建立的等效模型电压电流变化情况满足半导体器件损伤现象；
步骤302：利用S参数仿真低噪声放大器正常工作条件下的增益S21；通过瞬态仿真，逐渐增加注入源功率，直到低噪声放大电路增益下降1dB，从而确定该电路1dB压缩点的功率P1dB；在功率P1dB之前低噪声放大电路呈线性放大，在功率P1dB之后低噪声放大电路出现非线性响应；使注入源功率持续增加，观察晶体管三个极的电流变化，在达到一定功率时，栅极和源极电流增幅出现明显的增大，此时认为晶体管栅极和源极发生局部击穿；继续增加注入源功率，漏极电流从基本不变到突然出现增大，此时认为栅极和漏极间也发生了局部击穿；将上述结果与实验数据进行比对，量级上基本吻合，达到预估该低噪声放大电路损伤阈值的目的。
所述的步骤4包括：
步骤401：射频链路前端各器件的匹配部分都按照50Ω特征阻抗进行设计，将注入源、功率分配器、射频耦合器、滤波器和低噪声放大器直接进行级联，完成完整的射频链路建模。
步骤402：将图1所示注入源从射频链路前端注入，观察其经过每个器件的时域波形。
所述的步骤5包括：
步骤501：利用电流表和电压探针，检测输入端和射频链路前端各级器件的电压和电流，并计算功率，将达到低噪声放大器前端的功率与损伤阈值进行比对，从而判定低噪声放大器的损伤模式(损伤模式是击穿和热烧毁)。
所述的步骤6包括：
步骤601：根据步骤5中获得的低噪声放大器损伤模式，引入不同的损伤等效模型。
步骤602：对射频链路重新进行瞬态仿真，并检测输出端电流和电压波形，从而完成对射频链路前端输出波形的预估。
所述的波形的类别是高功率微波或核电磁脉冲。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1强电磁脉冲注入下射频链路损伤后仿真分析流程图
图2注入源的建模；
图3功率分配器建模；
图4射频耦合器建模；
图5带通滤波器建模；
图6低噪声放大器建模；
图7晶体管损伤等效模型初步建立；
图8晶体管损伤等效模型改进；
图9(a)栅源极击穿前后栅极电流变化；
图9(b)栅源极击穿前后源极电流变化；
图9(c)栅源极击穿前后漏极电流变化；
图10(a)栅漏极击穿前后栅极电流变化；
图10(b)栅漏极击穿前后源极电流变化；
图10(c)栅漏极击穿前后漏极电流变化；
图11 -30dBm时低噪放电路电压变化；
图12 2dBm时低噪放电路电压变化；
图13(a)损伤阈值判定；
图13(b)损伤阈值判定；
图13(c)损伤阈值判定；
图14完整射频链路组合；
图15功分器输入输出电流波形；
图16(a)输入端信号电流波形；
图16(b)输入端信号电压波形；
图17(a)功分器输出电流波形；
图17(b)功分器输出电压波形；
图18(a)射频耦合器输出电流波形；
图18(b)射频耦合器输出电压波形；
图19(a)滤波器输出电流波形；
图19(b)滤波器输出电压波形；
图20(a)低噪放输出电流波形；
图20(b)低噪放输出电压波形；
图21(a)未引入等效模型低噪放输入输出端电流波形；
图21(b)未引入等效模型低噪放输入输出端电压波形；
图22(a)引入等效模型低噪放输入输出端电流波形；
图22(b)引入等效模型低噪放输入输出端电压波形。
具体实施方式
为了说明强电磁脉冲注入下射频链路损伤后，得到输出波形方法的有效性，在此先说明在射频链路仿真中假设不发生变化的参数。本发明利用工作频率为1.575GHz的射频链路进行建模仿真，从而引入损伤等效模型得到链路输出波形。
实际射频链路损伤情况：在实际晶体管发生损伤后，其内部的分布电容、分布电感等参数会发生一定程度的变化。
仿真射频链路损伤情况：假设晶体管在发生损伤时，其内部分布电容、分布电感及其余建模所需参数不发生改变。
在仿真得到损伤后的射频链路输出波形过程中，低噪声放大电路的半导体晶体管往往是最容易发生损伤的部分，所以首先需要对晶体管的损伤机理和损伤模式进行分析。由于击穿现象会导致晶体管发生降级，但不会完全失去放大作用，所以在仿真时假设晶体管的所有建模参数不发生变化。
下面就本发明的步骤进行说明。
如图1所示，一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是:它至少包括如下步骤：
步骤1：获取场到天线耦合所产生波形的信息；
步骤2：对射频链路各级器件分别建模；
步骤3：建立低噪声放大器的分级损伤等效模型，预估损伤阈值；
步骤4：依据步骤2和步骤3的结果，将射频链路前端器件进行级联，将步骤1建立的源作为注入源进行瞬态仿真；
步骤5：检测输入端和射频链路前端各级器件的电流和电压，根据功率的量值和器件耐受参数来决定器件是否发生损坏；
步骤6：引入损坏后的等效模型，依据模型根据检测的前端电流和电压，得到链路输出波形。
所述的步骤1包括：
步骤101：依据获取的场到天线耦合所产生波形，得到波形时域分布，依据波形时域判定波形的类别(波形的类别是高功率微波或核电磁脉冲)；
步骤102：步骤102，基于ADS软件，将获得的时域波形进行注入源建模；
步骤103：将所建立的注入源时域波形按一定的时间步长进行取点，然后利用excel制作出注入源每个点的的时域波形参数表，导入ADS软件，利用Datasheet源调用时域波形表，完成注入源建模，如图2所示。
所述的步骤2包括：
步骤201：功率分配器的建模。
首先确定设计指标：
中心频率1.575GHz
带宽0.5GHz
各端口传输线特性阻抗50欧
利用DesignGuide中的Passive Circuit调出功率分配器模型，输入设计指标，利用向导自动生成对应指标的功率分配器，如图3。
步骤202：射频耦合器的建模。
首先确定设计指标：
中心频率：1.45GHz
在1.2GHz-1.7GHz范围内：
S11小于-20.83dB，S21大于-3dB，S31大于-3dB,S41小于-20dB
确定耦合器端口输入输出情况，利用MSUB设置微带线参数，通过Tools中的LineCalc计算微带线物理尺寸，完成符合设计指标的射频耦合器模型，如图4。
步骤203：滤波器的建模。
首先确定设计指标：
中心频率：1.575GHz
通带：1.378GHz～1.772GHz
阻带：0.8GHz～2.2GHz
带宽：0.394GHz
阻带内衰减最小30dB，通带内衰减最大2.6dB
选择相应的滤波器类型，利用DesignGuide中的Passive Circuit调出平行耦合微带线滤波器模型，输入设计指标，利用向导自动生成对应指标的滤波器，如图5。
步骤204：低噪声放大器的建模。
首先确定设计指标：
工作频段1.5～1.7GHz(中心频率1.575GHz)
噪声系数小于0.7
增益大于15dB
输入输出回波损耗小于-10dB
选择相应的晶体管，高频时一般利用的是赝高电子迁移率晶体管(pHEMT)，也就是场效应管的一种，这里我们选用安捷伦公司的ATF54143。了解晶体管的Datasheet，并对确定的晶体管进行直流分析，确定偏置电压Vdd＝5V，源漏极电压Vds＝3V，源漏极电流Ids＝40mA。利用Transisior Bias中场效应管的偏置电路设计控件自动生成偏置电路。利用设计好的偏置电路，进行S参数仿真，观察其稳定性StabFact与Mu，并在源极引入负反馈保证电路绝对稳定。利用史密斯圆图进行阻抗匹配网络的设计，对设计好的匹配网络进行优化，完成低噪声放大电路的建模，如图6。
所述的步骤3包括：
步骤301：基于半导体晶体管的损伤模式和损伤机理：栅极源极发生局部击穿后，栅极与源极电流增大，漏极电流略微减小；栅极与漏极发生局部击穿后，栅极电流向漏极分流，源极电流减小，漏极电流出现反向。
这里我们使用的是场效应管中的赝高电子迁移率晶体管(pHEMT)，建立低噪声放大器场效应管损伤等效模型，如图7。假设在场效应管损伤过程中其分布电容、分布电感及晶体管自带模型基本参数不发生变化，基于ADS仿真软件对模型进行修正。由于之前建立的损伤等效模型在仿真过程中没有出现场效应管损伤时应有的现象，所以考虑在并联电阻的基础上并联电感，如图8(图中模型1是正常情况和出现非线性效应情况下的晶体管模型，模型2是栅极与源极发生击穿时的晶体管模型，模型3是栅极与漏极也发生击穿时的晶体管模型，模型4是达到烧毁功率阈值时的晶体管模型)。
为了验证模型的合理性，基于ADS进行仿真分析。由于在正常情况下，栅极与源极、栅极与漏极之间的电阻为无穷大，所以在发生栅极与源极的击穿时，电阻急骤减小，这里我们假设并联电阻为200Ω，当发生击穿时，还会呈现一定的电感性，所以假设并联电感为1nH。当栅极与漏极也发生击穿时，栅极与源极击穿程度增加，这里我们假设栅极与源极的电阻变为50Ω，电感变为0.5nH，栅极与漏极的电阻为500Ω，电感为1nH，如图9，10(其中G为栅极，S为源极，D为漏极，5是损伤前的电流，6是结合损伤等效模型后的电流)，符合半导体晶体管损伤现象。
步骤302：首先利用S参数仿真出低噪声放大器正常工作条件下的增益S21。由于ADS仿真器的不同，会导致正常工作条件下低噪声放大电路瞬态仿真和S参数仿真所得增益有所区别，但差距不大。
通过瞬态仿真，首先计算-30dBm时的电路增益，从-30dBm开始逐渐增加注入源功率，直到低噪声放大电路增益下降1dB，从而确定该电路1dB压缩点的功率P1dB在2dBm左右，如图11，12。在该功率之前可以认为低噪声放大电路呈线性放大，在该功率之后低噪声放大电路出现非线性响应。
继续增大注入源功率，观察晶体管三个极的电流变化，在达到一定功率时，栅极和源极电流增幅出现明显的增大，此时可以认为晶体管栅极和源极发生局部击穿。
继续增大功率，漏极电流从基本不变到突然出现增大，此时可以认为栅极和漏极间也发生了局部击穿，如图13(其中G为栅极，S为源极，D为漏极)。
利用热区计算公式计算出pHEMT烧毁所需功率，并与实验数据进行比对，从而达到预估该低噪声放大电路损伤阈值的目的。
高功率微波调制的方波脉冲损伤阈值预估如下：
·2～3dBm出现非线性效应
·10～15dBm栅极和源极击穿
·15～20dBm栅极和漏极击穿
·30dBm左右栅极金属条及其下方半导体材料烧毁。
所述的步骤4包括：
步骤401：射频链路前端各器件的匹配部分都按照50Ω特征阻抗进行设计，将注入源、功率分配器、射频耦合器、滤波器和低噪声放大器直接进行级联，完成完整的射频链路建模，如图14。
步骤402：将图2所示注入源从射频链路前端注入，观察其经过每个器件的时域波形。
所述的步骤5包括：
步骤501：利用电流表和电压探针，检测输入端和射频链路前端各级器件的电压电流。信号源经过功分器将信号分为两个有90度相位差的波形，如图15所示，计算得知注入的高功率微波源功率为77.8dBm，如图16。经过功分器之后的单端输出功率为73.9dBm，如图17。信号经功分器输出，进入射频耦合器，得到输出波形如图18所示，其输出功率为60.4dBm，较经过耦合器之前衰减了13.5dB。随后信号进入微带线带通滤波器，其通过滤波器之后的输出峰值功率为33.1dBm，如图19所示，较经过滤波器之前衰减了27.3dB。信号经带通滤波器输出后，进入低噪声放大器。由于低噪放内部有源器件的存在，当输入信号功率超过一定阈值后，低噪声放大器会发生损伤。由于滤波器输出的峰值功率33.1dBm，达到了低噪声放大器的烧毁功率。
所述的步骤6包括：
步骤601：根据步骤5中低噪声放大器的损伤模式引入不同的损伤等效模型，由于达到晶体管烧毁功率，所以在栅极串联500Ω大电阻进行仿真。
步骤602：对射频链路重新进行瞬态仿真，得到信号通过低噪声放大器后的峰值功率为23.9dBm，如图20所示，较经过放大器之前衰减了9.2dB。图21和图22为引入等效模型前后，低噪放输入输出波形的变化，可以看出此时低噪声放大电路已经失去放大作用。
但是由于注入源的波形是由散点组成的，所以ADS瞬态仿真器在仿真时会根据设置的最大步长自动进行取点计算，这就会导致仿真器在取点时忽略了一些峰值点，从而使仿真结果偏小。

Claims (7)

1.一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是：它至少包括如下步骤：
步骤1：获取场到天线耦合所产生波形的信息；
步骤2：对射频链路各级器件分别建模；
步骤3：建立低噪声放大器的分级损伤等效模型，预估损伤阈值；
步骤4：依据步骤2和步骤3的结果，将射频链路前端器件进行级联，将步骤1建立的源作为注入源进行瞬态仿真；
步骤5：检测输入端和射频链路前端各级器件的电压，根据电压的量值和器件耐受参数来决定器件是否发生损坏；
步骤6：引入损坏后的等效模型，重新进行链路仿真，检测整个电路输出端电流和电压，得到链路输出波形。
2.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是：所述的步骤1包括：
步骤101：依据获取的场到天线耦合所产生波形，得到波形时域分布，依据波形时域判定波形的类别(波形的类别是高功率微波或核电磁脉冲)；
步骤102，基于ADS软件，将时域波形进行注入源建模；
步骤103：将所建立的注入源时域波形按一定的时间步长进行取点，然后利用excel制作出注入源每个点的的时域波形参数表，导入ADS软件，利用Datasheet源调用时域波形表，完成注入源建模。
3.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是：所述的步骤2包括：
步骤201：功率分配器建模，利用DesignGuide中的Passive Circuit调出功率分配器模型，输入设计参量指标，依据向导自动生成对应参量指标的功率分配器；
步骤202：射频耦合器建模，确定耦合器端口输入输出情况，利用MSUB设置微带线参数，通过Tools中的LineCalc计算微带线物理尺寸，完成符合设计指标的射频耦合器模型；
步骤203：滤波器建模，选择相应的滤波器类型，利用DesignGuide中的PassiveCircuit调出平行耦合微带线滤波器模型，输入设计参量，利用向导自动生成对应设计参量的滤波器；
步骤204：低噪声放大器的建模，选择相应的晶体管或场效应管，对确定的晶体管或场效应管进行直流分析，利用TransisiorBias中场效应管的偏置电路设计控件自动生成偏置电路；利用设计好的偏置电路，进行S参数仿真，在源极引入负反馈，利用史密斯圆图进行阻抗匹配网络的设计，对设计好的匹配网络进行优化，完成低噪声放大电路的建模。
4.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是：所述的步骤3包括：
步骤301：设定在器件损伤过程中其分布电容、分布电感及器件自带模型基本参数不发生变化，基于ADS软件瞬态仿真器，对模型进行修正，使所建立的等效模型电压电流变化情况满足半导体器件损伤现象；
步骤302：利用S参数仿真低噪声放大器正常工作条件下的增益S21；通过瞬态仿真，逐渐增加注入源功率，直到低噪声放大电路增益下降1dB，从而确定该电路1dB压缩点的功率P1dB；在功率P1dB之前低噪声放大电路呈线性放大，在功率P1dB之后低噪声放大电路出现非线性响应；使注入源功率持续增加，观察晶体管三个极的电流变化，在达到一定功率时，栅极和源极电流增幅出现明显的增大，此时认为晶体管栅极和源极发生局部击穿；继续增加注入源功率，漏极电流从基本不变到突然出现增大，此时认为栅极和漏极间也发生了局部击穿；将上述结果与实验数据进行比对，量级上基本吻合，达到预估该低噪声放大电路损伤阈值的目的。
5.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是：所述的步骤4包括：
步骤401：射频链路前端各器件的匹配部分都按照50Ω特征阻抗进行设计，将注入源、功率分配器、射频耦合器、滤波器和低噪声放大器直接进行级联，完成完整的射频链路建模。
步骤402：将图1所示注入源从射频链路前端注入，观察其经过每个器件的时域波形。
6.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是：所述的步骤5包括：
步骤501：利用电流表和电压探针，检测输入端和射频链路前端各级器件的电压电流，并计算功率，将达到低噪声放大器前端的功率与损伤阈值进行比对，从而判定低噪声放大器的损伤模式。
7.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲注入下射频链路的损伤分级等效建模及仿真方法，其特征是：所述的步骤6包括：
步骤601：步骤601：根据步骤5中获得的低噪声放大器损伤模式，引入不同的损伤等效模型。
步骤602：对射频链路重新进行瞬态仿真，并检测输出端电流和电压波形，从而完成对射频链路前端输出波形的预估。
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