半导体电磁防护限幅器的发展.pdf
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1、综述172023 年第 3 期 安全与电磁兼容0引言电磁脉冲武器产生的强电磁辐射具有辐射功率高、峰值场强高、杀伤范围大等特征,辐射频谱可从数兆到数十吉赫兹。目前,脉冲峰值功率已高达数十吉瓦,在十公里处峰值辐射场强达数万伏/米,能干扰、损伤甚至损毁电子信息系统1-3。高功率、超宽带等强电磁技术已经成熟并投入实战,且不断小型化、多样化,对信息化装备构成了越来越严重的威胁。电磁武器主要分为电磁脉冲(EMP)武器和高功率微波(HPM)武器。电磁脉冲武器主要通过瞬时高能的电磁脉冲侵入电子信息设备,产生极高的感应电压与电流,对设备造成毁坏4。现在研究的电磁脉冲武器的焦点为非核电磁脉冲弹5。高功率微波武器利
2、用高功率微波源产生峰值高达 100 GW、频率覆盖王磊 高级工程师。毕业于电子科技大学电磁场与微波专业,主要从事微波毫米波集成电路研究,在功放、大功率限幅器、低噪声放大器、开关、移相器、衰减器等电路方面取得突出成果,多项技术国内领先。作为重大专项负责人实现两片式 T/R产品突破,推行组件模块化、模块器件化、器件芯片化、芯片 3D 化,率先完成了 CMOS 芯片和 GaAs 芯片的三维堆叠芯片工程化,在此基础上实现具备领先优势的 T/R 器件化产品,负责研发的产品广泛应用于车载、舰载、机载、星载等重点项目工程中。摘 要:当前电磁环境日趋复杂,超宽带、高功率等强电磁技术已经成熟,对信息化装备构成了
3、越来越严重的威胁,限幅器的应用需求越发迫切。文章从半导体限幅器的防护原理及电路结构入手,结合电磁脉冲防护及高功率微波防护的典型应用,详细介绍了电磁防护限幅器的技术路线,对比了 Si、GaAs 限幅器的特性,指出兼具 Si 及 GaAs 限幅器优势的高频、低插损、耐高功率 GaN 限幅器将是未来电磁防护限幅器的发展趋势。关键词:电磁环境;限幅器;半导体;电磁防护;发展引用格式:王磊,周彪,邓世雄*,等.半导体电磁防护限幅器的发展 J.安全与电磁兼容,2023(3):17-23.WangLei,ZhouBiao,DengShixiong*,etal.ProgressonSemiconductorL
4、imitersforElectromagneticDefenseJ.SAFETY&EMC,2023(3):17-23.(inChinese)Abstract:Thecurrentelectromagneticenvironmentisbecomingincreasinglycomplex.Furthermore,techniquesincludingultrawideband(UWB)andhighpowermicrowave(HPM)aremuchmature.Electronicequipmenthasbeenunderseverethreaten.Electromagneticdefen
5、selimitersareurgentlyinneed.Startingwiththeprotectionprincipleandcircuitstructureofsemiconductorlimiter,andcombiningwiththetypicalapplicationofelectromagneticpulseprotectionandhighpowermicrowaveprotection,thetechnicalrouteofelectromagneticprotectionlimiterisintroducedindetail,andthecharacteristicsof
6、SiandGaAslimitersarecompared.Itispointedoutthatthehighfrequency,lowinsertionlossandhighpowerGaNlimiterwiththeadvantagesofbothSiandGaAslimiterswillbethedevelopmenttrendofelectromagneticprotectionlimitersinthefuture.Keywords:electromagneticenvironment;limiter;semiconductor;electromagneticdefense;devel
7、opment半导体电磁防护限幅器的发展ProgressonSemiconductorLimitersforElectromagneticDefense中国电子科技集团公司第十三研究所王磊 周彪 邓世雄*王乔楠 吕元杰 高长征基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFB3607600)Overview18SAFETY&EMC No.3 20231300 GHz 的无线电电磁波,高功率的微波束可干扰乃至摧毁敌方的敏感电子设备和通信系统。高功率微波武器的能量集中、方向性强、耦合效率高、杀伤力大,可将攻击目标高温烧毁6。高功率微波因功率高、频率高等特性,对电子设备的干扰和危害极大。图 1 给出了
8、几种电磁脉冲的频谱分布和简单介绍7。从图 1 电磁脉冲的频谱分布可见,能量最高的雷电主要在 10 MHz 以内,对射频系统的威胁较小,半导体器件的雷电防护报道较少8。高空核爆电磁脉冲(HEMP)频谱分布可以达到 300 MHz,部分武器装备的射频前端已经受到威胁,必须加以防护。HPM 和 HIRF 频谱主要在 300 MHz 以上,是射频系统的主要威胁。限幅器作为一种重要的微波控制器件已被广泛应用于各类射频、微波、毫米波接收系统中9。1限幅器基本原理1.1 PIN 二极管限幅原理图 2 为 PIN 二极管芯片剖面示意图及射频等效电路10-11。图 3 为 GaAs 垂直结构 PIN 二极管制备
9、过程中的连接示意图。文献 12 详细介绍了电荷控制理论及射频电导率调制效应。根据射频电导率调制效应,PIN 二极管等效为电流控制变阻器。I区电阻由公式(1)确定10。当 PIN 二极管正向偏置时,载流子和空穴同时注入到 I区,但不会立即复合,而是存活一定时间。这些存储电荷就可以降低 I 区电阻 RI,实现限幅功能13。2IA02WRI=(1)其中,W 为 I 区厚度(单位为 cm),A=2PN/(P+N)为双极迁移率,也就是空穴与电子的有效平均迁移率,P和 N分别为空穴与电子的迁移率,为载流子寿命,I0为正向导通电流。1.2 无源限幅器并联电感到地的无源限幅器,当信号周期小于 PIN二极管的渡
10、越时间时,依靠射频电导调制效应降低二极管的导通电阻,实现限幅功能。无源限幅器结构简单,耐功率水平较低,无法实现宽带匹配,且无法满足低频电磁防护的要求。无源限幅器原理图如图 4 所示。1.3 削波限幅器采用两颗二极管正反对背结构的削波限幅器,当信号周期小于二极管的渡越时间时,与无源限幅器原理类似,依靠射频电导调制效应降低二极管的导通电阻,实现限幅功能;当信号周期大于二极管的渡越时间时,利用二极管的反向导通特性实现削波限幅。削波限幅器结构简单,易于单片集成,可以实现宽带匹配,满足低频电磁防护的要求,但是耐功率水平较低。无源限幅器原理图如图 5 所示。1.4 检波限幅器采用检波二极管实现耦合检波的半
11、有源限幅器,可以利用检波直流加速 PIN 二极管导通,与无源限幅器和削波限幅器相比可以耐受更高的功率。检波限幅器结构复杂,耐功率水平高,无法实现宽带匹配,低频耦合电路难度较大,无法满足低频电磁防护的要求。检波限幅器原理图如图 6 所示。图 1 各种电磁脉冲的频谱范围图 2 PIN 二极管剖面示意图及射频等效电路图 3 GaAs 垂直结构 PIN 二极管连接示意图图 4 无源限幅器原理图图 5 削波限幅器原理图综述192023 年第 3 期 安全与电磁兼容1.5 对比无源限幅器、削波限幅器和检波限幅器等不同电路结构的限幅器在实际应用中有其特定的优势和不足,其对比见表 1。国内限幅器主要有 Si
12、和 GaAs PIN 限幅器两种,依据各自的优劣,适用于不同的限幅环境。不同工艺限幅器对比见表 2。2电磁防护限幅器的发展现状2015 年万双林等14报道了采用 PIN 二极管实现的电磁能量限幅表面结构,依靠 PIN 二极管与印制板的结合,在 0.81.6 GHz 范围内,插损小于 1 dB,隔离度大于 20 dB,其电路结构如图 7 所示。进行空间电磁防护设计,可有效提升电子设备的 EMP 及 HPM 防护能力。图 1 中,EMP 的能量多集中于 1 GHz 以下,采用无源限幅和检波限幅结构无法实现有效限幅,针对 EMP 的防护一般采用削波限幅的电路形式。中国电科十三所 2017 年成功研发
13、的 Si 基 P 波段EMP 防护限幅器,在 DC300 MHz 内插入损耗 0.4 dB,是国内首次采用PIN二极管实现射频通道EMP防护的限幅器。2018 年李亚南等15-17报道了利用 Si 基 PIN 二极管设计的 EMP 防护限幅器,采用四级 PIN 二极管管芯并联构成宽带低通滤波网络,在 1200 MHz 范围内,插入损耗 0.2 dB,实物如图 8 所示。这两种限幅器都可以耐受峰值电压 4 000 V、周期 16 ms、脉宽 1 s 的电磁脉冲,响应时间 1 ns,尖峰泄漏电压分别为 30 V 和 26 V。采用 GaAs 基 PIN 二极管实现 EMP 防护的限幅器国内未见报道
14、。2022 年中国电科十三所电磁防护团队成功开发出涵盖 1 MHz8 GHz 的系列化 1 000 V 量级EMP 防护限幅器产品,将工作频率由 P 波段提升至 C波段,大大提升了系统可靠性。图 1 中,HPM 的能量多集中于 1 GHz 以上,因此三种限幅器结构均可实现 HPM 的防护。2017 年彭龙新等18报道了采用 GaAs 基 PIN 实现的 X 波段单片高功率限幅器,利用已建立的大、小信号模型,优化了外延层的厚度和 PIN 二极管的表面结构,限幅器在 8.510.5 GHz 内,插入损耗 0.7 dB,可耐受峰值 100 W、脉宽 8 ms、占空比 40%的脉冲功率,预计可耐受脉宽
15、 10 s、占空比 0.1%、峰值超 200 W 的高功率微波,其拓扑结构如图 9 所示。表 1 不同电路结构限幅器对比限幅类型复杂度功率承受能力集成难易程度防护类型无源较低低较难HPM削波低低简单EMP/HPM检波高高难HPM表 2 不同工艺限幅器对比工艺类型插入损耗功率承受能力工作频率集成难易程度限幅类型Si高高低难无源、削波、检波GaAs低低高简单无源、削波图 6 检波限幅器原理图图 7 电磁能量限幅表面结构示意图图 8 EMP 防护限幅器Overview20SAFETY&EMC No.3 20232018 年黄丹19报道了采用 Si 基 PIN 二极管实现的X 波段混合集成高功率限幅器
16、,采用半有源检波限幅电路与无源限幅电路相结合的三级限幅电路,微波混合集成电路厚膜工艺,铝盒体封装,在 8.59.5 GHz 内,插入损耗 1.5 dB,可耐受峰值 100 W、脉宽 4 ms、占空比 10%的异步脉冲功率和 100 W 的同步连续波功率,预计可耐受脉宽 10 s、占空比 0.1%、峰值超 200 W的高功率微波,其电路原理图如图 10 所示。中国电科十三所 2019 年成功研发了 GaAs 基 S 波段高功率限幅器芯片,在 23 GHz 内插入损耗 0.6 dB,可耐受峰值 500 W、脉宽 10 s,占空比 0.1%的高功率微波,是国内可见报道的最高水平;2020 年又成功研
17、发了 Si 基 P 和 L 波段同轴型高功率微波限幅器,在0.32 GHz 内插入损耗 0.8 dB,可耐受峰值 1 000 W、脉宽 100 s、占空比 0.1%的高功率微波,填补了国内同轴气密封装高功率微波防护限幅器的空白,图 11 为限幅器实物20。2023 年中国电科十三所邓世雄等21报道了基于GaN 二极管耦合检波的大功率高线性限幅器,采用横向 GaN 肖特基二极管作为整流,半有源与无源限幅器相结合,在 9 mm9 mm2 mm 的表贴封装内,实现 100 W 连续波的耐功率能力,同时保持了较高的开启门限,是相关产品的首次报道,具有重要意义。图 12 为其原理图与实物。同年,中国电科
18、十三所邓世雄等22又报道了基于准垂直结构 GaN 肖特基二极管的 S 波段限幅器,采用 GaN 肖特基二极管作为整流,混合集成电路形式,铝盒体封装,在 24 GHz 频带内,可以承受脉宽 10 s,占空比 1%,峰值超过 1 000 W 的功率,是国内报道的电磁防护限幅器最高耐功率水平,其实物如图 13 所示。图 9 X 波段 GaAs 单片高功率限幅器图 10 X 波段混合集成高功率限幅器原理图图 11 同轴型高功率微波限幅器(a)原理图(b)实物图 12 基于 GaN 二极管的大功率高线性限幅器图 13 基于 GaN 二极管的 S 波段限幅器实物综述212023 年第 3 期 安全与电磁兼
19、容3电磁防护限幅器的新技术探索国外基于第三代半导体材料的新工艺、新结构尚未成熟,限幅器耐受功率等性能指标还要有较大提升才能用于强电磁防护23-25。2000 年以后,GaN PIN 二极管与 GaN SBD(肖特基二极管)成为国外提高二极管耐受功率的主要研究方向。与 Si PIN 二极管、GaAs PIN 二极管相比,GaN PIN二极管反向击穿电压高、衬底散热好,具备成为新的电磁防护限幅器的选项,对 GaN PIN 二极管的研究重点主要集中在降低正向导通电阻和提高反向击穿电压两 方面。2000 年 Zhu、T.G.等采用蓝宝石衬底,研制出一只直径 80 m、I 层 2 m 厚的 GaN PI
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