高功率微波脉冲对微带电路的影响

16卷3期2000年9月 微　波　学　报JO U RN AL O F M I CRO W AV ESV ol.16N o.3　Sep.2000高功率微波脉冲大气击穿及其对能量传输的影响Air Breakdown of High Power Microwave Pulse andIts Effect on Transmitted Energy段耀勇　陈雨生(西北核技术研究所,西安710024)DUA N Yaoyong,CHEN Yusheng(N orthwest Institute of N uclear Technology,Xi'a n710024)【摘要】　本文应用较宽范围的电子与大气中性分子相互作用参数研究了高功率微波脉冲的大气击穿;定义高功率微波脉冲的逃逸时间;分析传输能流密度与输入功率密度的关系。

研究了大量参数对输出能量的影响。

关键词:　高功率微波脉冲,大气击穿,传输能量Abstract:　In this pa pe r,air br ea kdo wn by hig h po we r micr ow av e pulse is modeled using the pa rame ters in com par ativ ely wide regio n fo r th e inte ractio n betw een elec tro ns and air neutra lmo lecules.Escaping time for high pow er micro wav e pulse is defined,and the r elation betw eentr ansmitted energ y density and incident pow er density is anly zed.T he effec ts o f a qua ntity o fpa rame ters o n the t ransmit ted energ y a re studied.Key terms:　H igh pow er micro w av e pulse,Air br ea kdow n,T ra nsmitted energ y一、引 言随着高功率微波源的发展,高功率微波脉冲大气传输及其击穿一直被是研究的课题之一。

第27卷第10期强激光与粒子束V o l .27,N o .102015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM SO c t .,2015微波脉冲频率与重频对限幅器热损伤效应的影响*赵振国1,4, 周海京1,2,4, 马弘舸3,4, 王 艳3,4(1.中物院高性能数值模拟软件中心,北京100088; 2.北京应用物理与计算数学研究所,北京100088;3.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900;4.中国工程物理研究院复杂电磁环境重点实验室,四川绵阳621900) 摘 要: 基于P I N 限幅器的电路与器件物理混合模式(M i x e d -M o d e )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P I N 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㊂ 关键词: 载波频率; 重频; 热积累损伤; P I N 限幅器中图分类号: T N 385; T 974 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201527.103239外界大功率微波脉冲通过天线㊁孔缝㊁线缆等进入电子设备,作用在敏感半导体器件或集成电路芯片上,对其产生扰乱或损伤,进而影响电子设备系统正常工作㊂P I N 限幅器广泛应用在雷达电子侦察㊁通信等系统射频前端电路中,是保证系统在强电磁脉冲环境下正常工作的重要部件㊂但研究发现[1-3],一定功率的电磁脉冲也能使P I N 二极管热击穿烧毁,造成限幅器本身的降级或失效㊂因此微波脉冲参数对限幅器热损伤效应机理与规律研究对电子信息系统电磁敏感性分析以及相关组件防护加固设计具有重要的参考意义㊂目前以开展的模拟与实验结果表明,强电磁脉冲作用下P I N 二极管毁伤主要表现为局部高温的热失效模式,该过程涉及器件的高温强电场特性[4-6]㊂电路与器件物理混合模式(M i x e d -M o d e )模型通过联合求解电路方程㊁半导体物理方程以及热传导方程,并考虑温度和强电场对载流子输运的影响,能够描述器件内部的微观物理特性,深入分析器件的内部工作原理,瞬态热损伤机理过程㊂电路与器件物理混合模式模型比较适合强电磁脉冲作用下器件高温强场特性的热损伤效应机理的研究㊂本文利用P I N 限幅器的电路与器件物理混合模式模型,考虑大功率微波作用下器件的高温强电场特性,建立了器件的强电磁脉冲效应数值模型㊂研究频率与重频等强电磁脉冲参数对限幅器热损伤效应的影响,并分析其热损伤效应机理与规律㊂1数值模型与验证F i g.1 C i r c u i t o f P I Nl i m i t e r s i m u l a t i o n 图1 仿真中P I N 限幅器电路图依据限幅器微带电路结构,利用S pi c e 电路描述语言,在T C A D 仿真器中建立电路如图1所示,其中D 1为PI N 二极管,R 2负载阻抗50Ω,L 1,L 2为P I N 二极管焊接金丝等效电感,L 3为直流电感,S 为信号源,内阻R s 为50Ω㊂外界电磁脉冲通过系统前门耦合或直接注入系统端口感应出电压或电流信号,相关理论和实验研究表明[7-8],微波脉冲耦合进入带状电缆引起的电压信号近似于一个低阻尼正弦电压信号,且微波带宽越窄,感应出的电信号与微波信号频率越接近㊂因此,S 信号源采用正弦电压信号形式等效耦合进入微带线中的电磁信号,该电磁脉冲信号表达式为U =U 0[s i n (2πf t )+φ](1)式中:U 0为电磁脉冲幅值,f 为脉冲频率,φ为初始相位,这里取初始相位为零,即不考虑初始相位影响㊂与普通P N 结二极管相比,在P 区与N 区之间,增加一个低掺杂浓度的Ⅰ区㊂S K YWO R K S 公司的C L A 4601/C L A 4602型P I N 二极管是常用限幅二极管,具有典型台面式结构,Ⅰ区厚度1~2μm ㊂仿真模型中采用Ⅰ区厚度约为2μm ,阳极直径30μm ㊂通过器件工艺仿真获得器件模型更为精确,利用工艺仿真工具S e n t a u r u sP r o c e s s ,在磷掺杂浓度的衬底(N 层)上外延生长一层厚度约为2μm 的低掺杂浓度本征层(Ⅰ层),在本征层上通过高温硼离子注入,形成P 层,再经过高温退火最终仿真形成器件掺杂浓度分布,如图2~3所示㊂F i g .2 D o p i n gp r o f i l e o f P I Nd i o d e 图2 P I N二极管的载流子掺杂分布F i g.3 S t r u c t u r e o f P I Nd i o d e i n s i m u l a t i o n 图3 仿真中的P I N 二极管二维模型(局部) 考虑大功率微波作用下器件的高温强电场特性进行物理模型和参数选择,基于有限元算法(F E M )采用了热动力学输运模型充分考虑晶格温度的影响,联立求解热传输方程㊁泊松方程以及载流子连续性方程,因此能较为准确地模拟注入功率较大时器件可能发生自热效应的特性㊂当晶格温度上升时,载流子迁移率㊁产生-复合率等模型受到影响,因此采用该模型有助于提高模拟精度㊂同时考虑高温强场作用下的速度饱和效应㊁载流子退化的影响㊂基于该模型计算限幅器在高功率脉冲作用下的输入输出响应,热烧毁分布特征与实验进行了对比,一致性较好[5-6]㊂2 仿真结果与分析2.1 频率与器件损伤效应机理为了研究微波频率与器件微波脉冲热效应的关系,选取1~10G H z 之间的1.3,2.85,3.6,5.308,7.5,9.4G H z 频率等常见窄带微波信号注入Ⅰ区宽度约2μm 的P I N 限幅器中,分析频率与器件热效应关系㊂图4为不同频率㊁100n s 脉宽㊁58d B m 脉冲作用下器件峰值温度变化图;图5为不同频率㊁58d B m 脉冲烧毁器件所需的脉冲宽度关系图㊂F i g .4 F r e q u e n c y v s d e v i c e p e a k t e m pe r a t u r e 图4 频率与器件峰值温度变化(Ⅰ区宽度2μm)F i g .5 F r e q u e n c y v s d e v i c e d a m a ge p u l s ew i d t h 图5 频率与器件烧毁脉冲宽度(Ⅰ区宽度2μm )同样选取1.3,2.85,3.6,5.308,7.5,9.4G H z 频率窄带微波信号注入,但改变P I N 器件模型Ⅰ区宽度约5μm 的器件,分析频率与器件热效应关系㊂图6为不同频率㊁100n s 脉宽㊁60d B m 脉冲作用下器件峰值温度变化图;图7为不同频率㊁60d B m 脉冲烧毁器件所需的脉冲宽度关系图㊂数值模拟结果表明:不同频率的微波脉冲损伤P I N 限幅器存在拐点 频率, 拐点 频率的微波脉冲附近强激光与粒子束F i g .6 F r e q u e n c y v s d e v i c e p e a k t e m pe r a t u r e 图6 频率与器件峰值温度变化(Ⅰ区宽度5μm)F i g .7 F r e q u e n c y v s d e v i c e d a m a ge p u l s ew i d t h 图7 频率与器件烧毁脉冲宽度(Ⅰ区宽度5μm )需要更多的能量损伤器件,相应地,器件内出现1688K 熔点峰值温度时所需的脉宽较大㊂根据L e e n o v 模型理论[9],在频率较高时,P I N 器件Ⅰ区微波阻抗与微波频率的关系近似满足Z =1.16f0.26(2)即随着微波频率的增加,微波阻抗变大㊂在一定功率微波注入情况下,器件产生的热量Q 近似描述为Q =I 2Z (3) 如果将注入微波看作理想信号源,在较短的时间内,可以假设电流I 基本不变,结合式(2)㊁式(3),在频率较高时,随着载波频率增加,器件内Ⅰ区产生的热量增加,因此在一定脉宽内峰值温度上升较快㊂在频率较低时,载波频率周期与器件载流子寿命时间(5~10n s )可以比拟时,这种情况下L e e n o v 模型理论不再成立㊂器件在一定脉宽的脉冲作用结束后,随着载波频率的增大,器件最终峰值温度减小,相同功率微波脉冲作用下,损伤器件所需的脉宽增加㊂2.2重频热积累效应F i g .8 V a r i a t i o no f d e v i c e p e a k t e m pe r a t u r e af t e rH P M p u l s e i n je c t i o n 图8 高功率微波脉冲作用后器件峰值温度变化(50μs 内)采用Ⅰ区宽度约2μm 的器件模型,分别利用50d B m 和58d B m 峰值功率,9.4G H z ,100n s 脉宽的微波脉冲注入器件,通过电极热阻考虑计算器件的散热过程㊂其中,在50μs 时间的峰值温度变化曲线如图8所示㊂在微波脉冲作用后,其散热过程先快后慢,峰值温度与时间近似负指数关系㊂其中50d B m 脉冲注入后快速散热过程持续约1μs ,从最高峰值温度的480K 降到了350K ,之后进入缓慢的散热过程,从350K 降到310K 大约需要500μs (图中给出前50μs 的温度变化);56d B m 脉冲注入后快速散热过程持续约4μs ,从最高峰值温度的1280K 降到了380K ,之后进入缓慢的散热过程,从380K 降到310K 大约需要25m s (图中给出前50μs 的温度变化)㊂ 采用Ⅰ区宽度约2μm 的器件模型,58d B m 峰值功率,9.4G H z ,100n s 脉宽的微波脉冲注入器件,用不同的时间间隔表示其重频特性㊂图9(a )㊁(b )分别为时间间隔4μs 和2μs 的脉冲作用下器件的峰值温度特性,从图中可以看出,时间间隔为2μs 时,第二个脉冲使器件峰值温度升高了1874K ,时间间隔4μs 时,第二个脉冲使器件峰值温度升高了1700K ㊂第一个脉冲作用后,经过不同时间间隔,使第二个脉开始作用时处于不同温度;较高的峰值温度条件使得第二个脉冲作用时间内的峰值温度升高更高㊂进一步验证初始温度对微波脉冲热损伤器件的影响,设置不同器件初始温度,采用56d B m 峰值功率,9.4G H z ,100n s 脉宽的微波脉冲注入器件,器件峰值温度变化如表1所示,其中T 0为初始温度,T 1为脉冲作用过程中的峰值温度㊂随着器件初始温度的升高,器件在同样脉冲作用下ΔT 变大,即处于高温度中的器件温升大,更容易毁伤,因此热积累效应使重频脉冲较单个脉冲更容易毁伤器件㊂赵振国等:微波脉冲频率与重频对限幅器热损伤效应的影响F i g .9 T h e r m a l a c c u m u l a t i o ne f f e c t s u n d e r p u l s e r e p e a t i n g ra t e 图9 重频脉冲作用下器件热积累效应表1 不同初始温度温升仿真结果T a b l e 1 V a r i a t i o n o f d e v i c e p e a k t e m pe r a t u r e r e s u l t s of s i m u l a t i o n s T 0/K T 1/K ΔT =T 1-T 023358134830069639635080745740091551545010405904 小 结本文基于电路与器件多物理混合模式(M i x -M o d e )模型,考虑大功率微波作用下器件的高温强电场特性,研究频率与重频等强电磁脉冲参数与器件损伤效应规律,并对其机理进行了分析㊂结果表明:(1)不同频率的微波脉冲损伤P I N 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;(2)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㊂本文的结论对深入分析微波脉冲参数对限幅器热损伤效应机理与规律,以及P I N 限幅器微波防护研究具有参考意义㊂参考文献:[1] B e r aSC ,B h a r a d h w a j PS .I n s i g h t i n t oP I Nd i o d eb e h a v i o r l e a d s t o i m p r o v e dc o n t r o l c i r c u i t [J ].I E E ET r a n s o nC i r c u i t sa n dS y s t e m s ,2005,52(1):1-4.[2] O b r e j aV V N ,N u t t a l lKI .O n t h eh i g h t e m p e r a t u r eo p e r a t i o no fh i g hv o l t a g e p o w e rd e v i c e s [R ].S e m i c o n d u c t o rC o n f e r e n c e ,C A S2002P r o c e e d i n g s I n t e r n a t i o n a l .2002(2):253-256.[3] 李勇,宣春,谢海燕,等.电磁脉冲作用下P I N 二极管的响应[J ].强激光与粒子束,2013,25(8):2061-2066.(L iY o n g ,X u a nC h u n ,X i e H a i y a n ,e t a l .R e s p o n s e o f P I Nd i o d e t o e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e .H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e 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g n e t i cE n v i r o n m e n tL a b o r a t o r y,C A E P,M i a n y a n g621900,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do n t h eP I Nl i m i t e r c i r c u i t/d e v i c e p h y s i c sm i x e d m o d em o d e l,c o n s i d e r i n g t h eh i g he l e c t r i c f i e l da n dh i g h t e m p e r a t u r e d e v i c e sm u l t i-p h y s i c a l f e a t u r e su n d e r h i g h-p o w e rm i c r o w a v e,w e s i m u l a t e t h e i n f l u e n c eo f f r e q u e n c y a n d m i c r o w a v e p u l s e r e p e t i t i o n r a t e o n t h e r m a l d a m a g e p r o c e s s o f P I Nl i m i t e r.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t d i f f e r e n t f r e q u e n c y m i c r o-w a v e p u l s e s d a m a g i n g t h eP I Nl i m i t e r e x i s t a t u r n i n gp o i n t f r e q u e n c y.M i c r o w a v e p u l s e s n e a r t h e t u r n i n gp o i n t f r e q u e n c y r e-q u i r em o r e e n e r g y o r p u l s ew i d t h t o d a m a g e t h e d e v i c e.A f t e r o n e p u l s e f u n c t i o n o n t h e d e v i c e,t h e p e a k t e m p e r a t u r e o f t h e d e v i c e d e c l i n e s f a s t a n d i t i s s i m i l a r t o n e g a t i v e e x p o n e n t r e l a t i o n s h i p.I t i s e a s i e rw h e n t h e d e v i c e i s i n a h i g h t e m p e r a t u r e.H e a t a c c u m u-l a t i o ne f f e c tm a k e s i t e a s i e r o nd a m a g i n g P I Nl i m i t e r t h a n t h e s i n g l e p u l s em i c r o w a v e.K e y w o r d s: m i c r o w a v e f r e q u e n c y;p u l s e r e p e a t i n g r a t e;h e a t a c c u m u l a t i o nd a m a g e; P I Nl i m i t e rP A C S:85.35.G v;44.10.+i。

微波脉冲的原理和应用概述微波脉冲是一种短时、高频的电磁波形式，具有广泛的应用前景。

本文将介绍微波脉冲的原理以及其在通信、雷达、医学等领域的应用。

原理微波脉冲是通过高频电磁场的短时激励产生的。

其原理如下：1.电磁波生成：通过电磁波发生器产生高频电磁波，通常使用微波频段的信号源。

2.脉冲发生：通过脉冲调制器对连续的电磁波进行调制，使其变为短时的脉冲信号。

3.功率放大：经过脉冲放大器对脉冲信号进行放大，以增加其功率。

4.辐射传输：经过天线或波导传输到目标区域，进行辐射。

5.接收信号：目标区域接收到微波脉冲信号，并将其转化为电信号。

6.信号处理：通过信号处理器对接收到的信号进行滤波、调制等处理。

7.应用反馈：将处理后的信号用于不同领域的应用，如通信、雷达等。

应用微波脉冲在各个领域都有广泛的应用，下面将分别介绍其在通信、雷达和医学领域的应用。

通信领域微波脉冲在通信领域有着重要的应用，主要体现在以下几个方面：•高速数据传输：微波脉冲信号具有较宽的带宽，可以实现高速的数据传输，因此在无线通信系统中应用广泛。

•雷达系统：微波脉冲信号可以在雷达系统中被用来传输和接收信号，用于目标探测和跟踪。

•无线传感网络：微波脉冲信号可以用于组成无线传感网络，实现对环境信息的采集和传输。

•宽带通信：由于微波脉冲信号具有较宽的频带，可以实现宽带通信，提供高速的数据传输速率。

雷达领域雷达是利用微波脉冲信号进行目标探测和跟踪的系统。

微波脉冲在雷达领域的应用主要体现在以下几个方面：•目标探测：通过发送微波脉冲信号并接收其反射信号，可以实现对目标的探测，并获取目标的位置和运动信息。

•目标跟踪：通过不断发送和接收微波脉冲信号，可以实现对目标的跟踪，用于目标追踪和导航。

•雷达成像：通过对接收到的微波脉冲信号进行处理和分析，可以实现雷达成像，即将目标的空间分布图像化。

医学领域微波脉冲在医学领域也有着重要的应用，主要体现在以下几个方面：•医学成像：微波脉冲可以用于医学成像，如微波成像、微波磁共振成像等，用于检测和诊断疾病。

微波技术与微波电路设计微波技术是一门涉及电磁波在微波频段（300MHz至300GHz）的传输、控制和应用的学科。

随着现代通信、雷达、卫星通信和无线网络技术的发展，对微波技术及其应用的需求也越来越高。

而微波电路设计则是微波技术中的重要组成部分，通过设计和优化微波电路，可以实现信号的传输、放大、滤波和调制等功能。

一、微波技术的基本原理微波技术是基于电磁波的传播和辐射原理，其频段介于无线电波和红外线之间。

微波技术具有高频段、宽带、大容量、高可靠性等特点，使其在通信、雷达、航空航天等领域得到广泛应用。

微波技术的基本原理包括：1. 微波的传输特性：微波在传输过程中受到反射、折射和散射等影响，需要通过各种器件和结构来实现微波信号的传输和控制。

2. 微波的辐射特性：微波通过天线进行辐射，根据辐射方向和形式的不同，可以实现点对点通信或广播传输。

二、微波电路设计的基本原则微波电路设计的目标是在保证信号质量的前提下，实现信号的放大、滤波、调制等功能。

微波电路设计需要遵循以下基本原则：1. 高频特性分析：微波电路的高频特性与低频电路有所不同，需要使用稳定的高频参量进行分析和设计。

2. 传输线理论：微波传输线是微波电路设计中常用的元件，需要了解传输线的阻抗匹配、衰减和延迟等特性。

3. 电磁场分布和功率传输：微波电路存在较强的电磁场，设计时需要考虑电磁场的分布和功率传输的效率。

三、微波电路设计的组成和技术微波电路设计主要包括以下几个方面的技术：1. 微带线技术：微带线是微波电路设计中常用的传输线结构，具有简单、便捷和灵活的特点。

通过设计微带线的宽度、厚度和介质参数，可以实现不同的阻抗匹配和传输特性。

2. 微波滤波器设计：微波滤波器是微波电路中重要的功能元件，用于对信号进行滤波和选择。

常用的微波滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

3. 微波放大器设计：微波放大器用于放大微波信号的幅度和功率。

常见的微波放大器包括双极性晶体管放大器、场效应晶体管放大器和集成微波放大器等。

高功率电磁脉冲产生技术与应用摘要：伴随电磁脉冲产生技术发展起来的先进脉冲功率技术(即皮秒开关技术与300ps–2.5ns超短脉冲成形线技术),可以用来驱动冷阴极电子枪,探索产生峰值电流为102kA数量级、脉冲宽度为102ps–2.5ns数量级的超强超短电子束脉冲与超高分辨率X射线闪光照像,这在核武器库存管理与国防装备应用研究工作中具有非常重要的应用价值。

所以,相对论型高功率电磁脉冲产生技术研究一直为各国核技术领域的科学家所关注。

关键词：电磁脉冲技术,电磁脉冲辐射,高功率微波技术,脉冲功率技术引言也许世界上还有很多让我们觉得不可思议的或自然发生、或人为造成的恐怖和危险现象，也许有待于研究并需要做出防护措施的还有很多方面，但相信以下这些内容会让大家对电磁脉冲现象有一个更为直观的认识。

1高功率电磁脉冲产生技术产生相对论型电磁脉冲辐射的基本原理可以概括如下。

首先,采用马克斯发生器产生一个1MV,1μs数量级的电压脉冲;然后,利用纳秒脉冲成形线技术将这个电压脉冲压缩到1MV,10ns数量级;最后,利用皮秒脉冲成形线技术进一步将这个电压脉冲压缩到500kV–1MV,300ps–2.5ns数量级,并经过脉冲传输线与微波天线发射出去。

在此脉冲压缩过程中,通过采用布卢姆脉冲成形线技术(BlumleinPulseFormingLine),或采用脉冲成形线阻抗不匹配技术与电容不匹配技术,以便最大限度地克服脉冲电压减小现象.也就是说,在脉冲压缩过程中,脉冲的缩短是以牺牲脉冲能量为代价的。

由于电磁辐射脉冲在理论上是一个矩形脉冲,这种脉冲在数学上称之为冲击函数(ImpulseFunction)或狄拉克δ(t)函数(DiracDeltaδ(t)Function),因此在核科学技术研究领域美国空军实验室有时也将这种超宽带微波辐射脉冲称之为冲击辐射(ImpulseRadiation)。

在实际的工程设计中,有的实验室采用特斯拉脉冲变压器来替代马克斯发生器,以便实现更高重复频率工作;有的实验室采用布卢姆莱因脉冲成形线(BlumleinPulseFormingLine,BlumleinPFL)以便提高电磁辐射脉冲的峰值电压和峰值功率。

高功率微波工作原理
高功率微波（HPM）的工作原理是利用微波的高频率和高功率来实现高效
的能量传输。

微波是一种电磁波，其频率范围在300MHz到300GHz之间。

高功率微波技术利用微波的高频率和高功率，通过天线、波导、微带线等传输介质将微波能量传输到目标位置。

高功率微波源是高功率微波技术的核心部件，其工作原理是通过电子束、固态器件或者激光等方式产生微波信号，并通过毫米波电路进行放大和辐射。

其中，电子束器件例如磁控管和行波管常用于大功率雷达等应用；而固态器件如晶体管和半导体器件则适用于通信、生物医学以及材料加工等领域。

高功率微波源的关键技术主要包括频率稳定性、功率调节、脉冲输出等方面。

频率稳定性要求源的输出频率在稳定范围内保持一致，以确保可靠的通信和检测；功率调节则能够根据实际需求进行动态调整，提高系统的灵活性；而脉冲输出技术则使得高功率微波源在雷达、电子战等领域发挥重要作用。

高功率微波源在多个领域有着广泛的应用。

在通信领域，高功率微波源可用于卫星通信和宽带无线网络传输，为实现高速、稳定的数据通讯提供支持。

在材料加工行业，高功率微波源的大功率辐射能力可用于快速加热、焊接和
表面处理等工艺。

此外，高功率微波源还在生物医学、环境监测和安全检测等领域发挥着独特作用。

共面波导和微带线是在高频通信和雷达系统中常用的传输线路结构。

它们在传输电磁波信号时都存在一定的损耗，影响着高频信号的传输质量。

在本文中，我们将探讨共面波导和微带线在高频的损耗问题，分析其原因和影响，并提出相应的改进方法和技术。

一、共面波导在高频的损耗1.1 电磁波在共面波导中的传输特性共面波导是一种采用金属板作为导体，介质板作为介质的传输线路结构。

在高频情况下，电磁波在共面波导中的传输特性受到了多种因素的影响，其中包括电磁波与金属板的耦合、介质材料的损耗、边缘效应等。

1.2 共面波导中的电磁波损耗来源共面波导中的电磁波损耗主要包括导体损耗、介质损耗和边缘效应等。

其中，导体损耗是由于金属板的电阻导致的能量消耗，介质损耗是由介质材料的吸收和散射导致的能量损失，边缘效应是由于共面波导边缘的电磁场扩散导致的能量损耗。

1.3 共面波导损耗的影响因素共面波导损耗受到多种因素的影响，包括工作频率、板材质料、板厚、金属的电导率、介质材料的损耗因数等。

这些因素会影响共面波导中的电磁波传输特性和损耗程度。

1.4 改进共面波导损耗的方法针对共面波导中的损耗问题，可以通过优化金属板和介质材料的选择、改进导体结构、减小边缘效应等方法来降低损耗，提高传输效率。

二、微带线在高频的损耗2.1 电磁波在微带线中的传输特性微带线是一种常用的高频传输线路结构，其主要特点是采用金属板与地面板之间的介质作为传输介质。

在高频情况下，电磁波在微带线中的传输特性受到了电磁波与介质之间耦合、金属板材料的损耗等因素的影响。

2.2 微带线中的电磁波损耗来源微带线中的电磁波损耗主要包括金属板的导体损耗、介质材料的损耗和边缘效应等。

其中，金属板的导体损耗是由于金属板的电阻导致的能量消耗，介质材料的损耗是由介质材料的吸收和散射导致的能量损失，边缘效应是由于微带线边缘的电磁场扩散导致的能量损耗。

2.3 微带线损耗的影响因素微带线损耗受到多种因素的影响，包括工作频率、板材质料、板厚、金属的电导率、介质材料的损耗因数等。

高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究工程中不需要模式转化器，因而在高功率微波系统中得到了广泛应用。

我国在高功率微波技术方面的研究开始的时间较晚，而且研究进展较为缓慢，在研究过程中出现了一定的接收脉冲信号装置、出现了不同类型的脉冲天线，其中就有专门在高功率微波辐射中应用的脉冲天线，不过由于我国技术较为落后、研究起步迟，在不同的研究领域与国际上其它国家相比，存在着明显的不足，因此在今后较长时间内还需要不断地开拓创新。

2时域脉冲天线理论的性能参数研究时域天线属于超宽带天线中的一个分支，狭义上的时域天线指的是脉冲天线或者是瞬态天线，下面就时域脉冲天线理论的性能参数分析如下：2.1能量方向性系数时域脉冲天线在总电磁能能力方面，需要使用应用信号能量进行定义，其计算式如下：上式中的前半部分表示的是天线辐射的能量，后半部分表示的是天线辐射的总能量，整个式子表示的是能量方向性系数，根据上式可知，脉冲的持续时间与能量方向性系数有关系，不过，大多数情况下，脉冲持续时间过长并不是有益的，因而通过波形畸变指标的研究反映出天线的保真度。

2.2天线增益天线增益可采用下式表示：上式中Etrans（t）表示的是天线的辐射电场，单位为V/m，Z0表示的是自由空间中的波阻抗，单位为Ω，t0表示的是脉冲波前馈入天线的时刻，单位为s，由于脉冲信号具有时域性，通常计算的天线增益仅限于某一空间位置，在具体的实验中，某一方向的辐射能力可以采用某一位置上接收的天线辐射电场Etrans（t）表示。

2.3波形的保真度脉冲持续时间过长并没有多大的益处，大部分情况下还需要采取措施改变这一现状，所时域脉冲天线辐射需要具备一定的信号保真度，也就是脉冲与辐射场波形间的差别。

在信号保真度研究中，重要的两个参数就是相位中心以及群延迟。

具体的如下：2.3.1相位中心相位中心反映出的是无线模型在脉冲信号不失真情况下接收以及发射的能力，但是大多数情况下，脉冲发射的宽度较小，一般处于微秒级别，部分甚至处于纳秒数量级，由于数量级非常小，天线相位中心出现的微小变化对于整个系统而言影响较大，最终造成了天线辐射完成的时域波形出现了失真。

高功率微波脉冲对微带电路的影响0 引言所谓“高功率微波脉冲”是指微波的脉冲峰值率大于100 MW 以上，频率在0．5～300 GHz 之间的电磁脉冲。

高功率微波(High Power Microwave，HPM)是随着脉冲功率技术的实用化而迅速发展起来的，而通信和电子战的应用需求以及近代微波理论的迅速发展也对它起到了推动作用。

高功率微波主要应用在电子战中。

众所周知，传统的电子战是利用电子干扰和电子欺骗来阻止或削弱敌人对电磁频谱的有效使用，而在新定义的电子战概念中，还包括使用定向能等摧毁性武器，即从以电磁信息为基础的“软杀伤”阶段到以电磁能量为基础的“硬杀伤”阶段，电子战的作战目标已不限于攻击敌方用于发射和接收辐射电磁波的电子装备和系统，而是通过直接攻击敌方人员、设施和装备，达到削弱、瓦解和摧毁敌方总体战斗力的目的。

高功率微波武器是三大定向能武器之一，它与其他定向能武器相比有其独有的优点，不仅可以与雷达兼容构成一体化系统，实施低功率探测，跟踪目标，对目标进行干扰，还可以迅速提高功率，对目标实施硬杀伤摧毁，或者对敌目标的电子设备实施破坏，具有软硬杀伤兼备的特点，因此高功率微波武器在目前和未来电子战应用中是对付电子设备和武器系统的新一代电子战武器装备，它的出现是电子战技术发展的一次质的飞跃。

根据高功率微波的应用特点，研究高功率微波脉冲对电子设备的影响具有重要意义。

1 高功率微波对集总元件的影响研究集总元件是电子系统的基石，了解集总元件(尤其是半导体器件)的毁伤机理，进而研究高功率微波照射对整个系统的作用机理，是一个切合实际的思路，所以研究集总元件的毁伤机理是十分必要的。

以下将通过实例说明高功率脉冲对各集总元件的影响。

如图1 所示，微带线导带宽0．75 mm，介质层高1 mm，介质介电常数εr=13．0，导电率。

微波能损导致FPGA器件故障研究近年来，随着电子设备的不断发展，FPGA（Field Programmable Gate Array）已经成为了数字电路设计中不可或缺的一部分。

然而，与此同时，FPGA器件的故障问题也日益突出，尤其是在微波能损方面。

本文将深入研究微波能损对FPGA器件的影响与故障机制，以期为解决和预防该问题提供参考和指导。

首先，我们需要了解什么是微波能损。

微波能损可以被定义为介质中微波信号转换成热能的过程。

对于FPGA器件来说，微波信号的存在会导致局部的能量传输和吸收，进而引起器件温度的上升。

这种温升会影响FPGA器件的性能，甚至导致其故障。

因此，研究微波能损对FPGA器件的影响至关重要。

微波能损对FPGA器件的影响主要表现为以下几个方面：1. 功耗增加：微波信号的吸收会转化为热能，导致FPGA 器件的内部温度升高。

对于电子器件而言，温度升高意味着功耗增加。

当FPGA器件的功耗超过设计规格，可能会导致电压下降、信号延迟增加等问题，甚至引发系统崩溃。

2. 时序偏移：FPGA器件中各部分之间的数据传输是基于时序的，在微波能损的作用下，器件的温度升高会导致电子元件的特性参数发生变化，因此时钟信号的传输延迟会发生偏移。

这种时序偏移可能导致数据错误和时序故障。

3. 电子元件热应力：微波能损引起的高温会对FPGA器件中的电子元件产生热应力。

电子元件在长时间高温下，可能发生热膨胀和热应力累积，导致结构变形、焊接材料破裂等现象。

这些故障不仅会影响器件的性能，还会影响设备的可靠性和寿命。

为了更好地研究和解决微波能损导致的FPGA器件故障问题，我们可以从以下几个方面进行研究：1. 器件结构与材料优化：研究不同材料在高温环境下的性能变化、热传导等特性，并优化器件的结构设计，以提高FPGA器件的抗微波能损能力。

2. 温度感知与控制：开发温度感知技术，实时监测FPGA器件的温度变化，并采取合适的控制策略，降低器件温度，减少微波能损的影响。

高功率微波脉冲大气击穿概率研究近年来，高功率微波脉冲（High-power microwave pulses, HPMP）技术作为一种新兴的无线电频谱武器，对军事和民用领域都带来了巨大的影响。

在军事应用中，高功率微波脉冲可用于干扰敌方通信系统、导航系统和雷达系统，具有极高的毁伤力和隐蔽性，因此备受重视。

然而，高功率微波脉冲在大气中击穿的机理及概率一直是研究的热点问题之一。

首先，了解高功率微波脉冲在大气中击穿的机理对于研究其击穿概率至关重要。

根据现有研究，高功率微波脉冲在大气中击穿主要依靠电离和复杂相互作用过程。

当脉冲能量超过一定阈值时，电离和击穿现象会发生。

高功率微波脉冲向大气传输时，会与大气中的分子和电子发生碰撞和耦合作用，从而使得能量密度达到破坏分子结构的程度，进而引发击穿现象。

因此，大气中的物理化学特征和环境条件，如气体组分、气压、湿度等，对高功率微波脉冲的大气击穿概率起着重要的影响。

其次，深入研究高功率微波脉冲的大气击穿概率对于技术应用和安全评估具有重要的指导意义。

在技术应用方面，准确预测和评估高功率微波脉冲在不同大气环境下的击穿概率，可以为制定合理的系统参数和安全阈值提供依据。

例如，当军事系统使用高功率微波脉冲时，需要考虑目标周围的大气条件，确定合适的输出功率和工作参数，以确保系统的有效性和安全性。

在安全评估方面，如果能够在实验室中控制和模拟不同环境下的大气条件，进行高功率微波脉冲的击穿概率实验研究，可以为军事和民用应用的安全性评估提供科学依据，避免潜在的危险。

最后，为了深入研究高功率微波脉冲的大气击穿概率，我们需要采用多种手段和方法进行实验和模拟研究。

实验上，可以通过设计合适的实验装置和条件，在控制的环境下对不同大气条件下的击穿概率进行测量和分析。

同时，利用现代化的电磁仿真软件，可以模拟和计算不同大气条件下的高功率微波脉冲在空间中的传播和击穿现象，进一步分析其概率。

相结合的实验和模拟研究，将有助于揭示高功率微波脉冲在大气中击穿的机理和规律，提高对其概率的理解和预测能力。