高功率脈沖對場效應管放大器性能影響的數值分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微波有源電路的數值模擬技術，特別是一種高功率微波對半導體有源 電路的影響分析的數值模擬方法。
【背景技術】
[0002] 隨著信息時代的到來和微電子技術的迅猛發展，微電子設備獲得了空前寬泛的 應用。電磁脈沖（EMP)是一種電磁沖擊波。從時域波形看，一般具有陡峭的前沿，寬度較 窄；從頻域看，則覆蓋了較寬的頻帶。高功率電磁脈沖峰值場強極高，上升時間極短，其能 量之大，作用范圍之廣，是其它電磁脈沖所無法比擬的，因而對各種軍用和民用的電子、電 氣設備與系統構成的威脅更為嚴重。因此，研究電磁脈沖對微電子設備的效應，保障各種 軍用或民用的電子信息系統在戰時的安全運行都具有非常重要的意義。這些廣泛的應用 迫使學者們提出了一系列的數值模擬計算方法，其中有限差分方法和基于微分方程的有限 兀法（J. J. H. Miller, An Introduction to the Numerical Analysis of Semiconductor Devices and Integrated Circuits, Boole Press, Dublin, Ireland, 1981)得到了廣泛的應 用。
[0003] 現代的放大器大多采用晶體管、場效應晶體管，在實際應用中，除了直流源和射 頻信號源引入的功率對器件產生影響外，外加高功率電磁脈沖輻射對器件性能的影響也 非常顯著。在這些高功率電磁脈沖作用過程中，輻射進入器件內部的電磁波與電子作用， 使得器件的介電常數、電導率和電子遷移率都不斷變化，可以在很短時間內提升器件內部 溫度，使得器件性能和可靠性降低，甚至導致器件快速失效。在高功率電磁脈沖的作用下， 場效應管內部的特性變化對場效應管放大器的性能好壞的起著關鍵的作用。在場效應管放 大器等平面微波集成電路的仿真設計領域，現行主要方法有：第一種采用等效電路模型來 替代真實的微帶線和各類集總元件，進行原理級微波電路的仿真。第二種是對輸入輸出電 路使用場分析模型進行精確的數值仿真，同時將網絡中的各種有源、無源器件以等效電路 模型的方式代入，合同仿真，即所謂的"場-電路耦合算法"。近年來，國內外有不少專家學 者已經嘗試將集總元件的等效電路模型仿真與FDTD和FETD算法仿真相結合，并且取得了 豐碩的成果。但是，在分析微波放大器件常用的等效電路方法中，器件被等效為兩根理想 無損耗傳輸線之間的各種集總原件的組合，這種方法的缺點在于：第一，電磁波在傳輸線 上的傳播被假設為準橫電磁波模式；第二，半導體器件活動粒子與電磁波的作用完全被忽 略。基于此，使用器件的物理模型進行仿真，引入半導體和電磁場全局模型，模擬整個器件 內部電磁場與活動粒子的作用過程是極其必要的。
[0004] 在分析微波放大器件常用的數值模擬方法主要有有限差分法和有限元法，有限差 分法格式簡潔，但不適合處理邊界復雜的問題。有限元方法能自動滿足介質間斷條件和第 三類邊界條件，而且適合處理邊界復雜問題。作為有限元法的衍生方法，擁有良好時域仿真 特性的時域譜元法成為進行場效應管放大器仿真的有力工具。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種高功率脈沖對場效應管放大器的影響，微波有源器件 電熱一體化分析的數值方法，從而實現快速得到器件在高功率脈沖作用下性能變化。
[0006] 實現本發明目的的技術解決方案為：高功率脈沖對場效應管放大器性能影響的數 值分析方法，步驟如下：
[0007] 第一步，場效應管放大器輸入與輸出集成電路的建模與分析。應用時域譜兀法分 析場效應管放大器的輸入與輸出的電路時，假設集總元件的尺寸與譜元法剖分單元的棱邊 尺寸可比擬，將集總元件設置在網絡中相應單元的棱邊上，在一條或若干條單元棱邊上賦 于集總元件的特性，同時使用波動方程計算電路中電場的分布。
[0008] 第二步，場效應管的建模與分析。建立漂移擴散模型的譜元法的表達式，使用非耦 合方法反復求解泊松方程和電流連續性方程直至電勢P收斂到所需要的精度。
[0009] 第三步，場效應管內部的熱分布的建模與求解。以場效應管內部各點在一定電壓 下產生的焦耳熱作為熱源，使用時域譜元法離散熱傳導方程，得到矩陣方程，其質量矩陣為 塊對角矩陣，即可快速求解出器件中的熱分布。
[0010] 第四步，場效應管放大器的全局仿真。由波動方程求解得到輸入與輸出端電路中 的電場分布，進而得到場效應管的各個端口的電壓分布，由此開始場應管的器件模擬。由場 效應管模擬得到場效應管內部的電流密度與電場的分布，計算出場效應管內部的熱分布， 以及在當前電壓下的各個電極的電流輸出情況。將這個電流重新導入到波動方程中，用于 計算下一個時間步的電路中的電場分布。
[0011] 本發明與現有技術相比，其顯著優點：（1)在對輸入與輸出電路進行場分析的基 礎上，對其中場效應管等有源器件進行器件模擬，相比使用器件的等效電路模擬，可以精確 的模擬器件內部的電子、電勢等的變化。（2)在電特性參數求解的基礎上，對器件內部的熱 特性進行求解，在高功率脈沖的作用下器件內部的熱變化一目了然。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明場效應管放大器的輸入與輸出電路建模示意圖。
[0013] 圖2是本發明場效應管截面的二維示意圖。
[0014] 圖3是本發明場效應管放大器的全局仿真流程圖。
【具體實施方式】
[0015] 本發明一種高功率脈沖對場效應管放大器性能影響的數值分析方法，步驟如下：
[0016] 第一步，場效應管放大器中輸入與輸出集成電路的建模與分析；建立輸入與輸出 集成電路的仿真模型，該模型由微帶線網路和各種不同的集總元件組成，建立一條微帶線 來表不場效應管放大器中的輸入與輸出集成電路的信號傳輸路徑，應用時域譜兀法對場效 應管放大器的輸入與輸出電路進行分析，使用曲六面體對其進行剖分；設集總元件的尺寸 與時域譜元法剖分單元的棱邊尺寸可比擬，將集總元件設置在網路中相應單元的棱邊上， 在一條或若干條單元棱邊上賦于集總元件的特性；在微帶線的兩端的棱邊上設置50 Ω的 電阻對微帶線進行匹配，并引入一階阻抗邊界條件作為吸收邊界；將集總元件以電流形式 引入，類比在電磁場波動方程中增加集總電流J t來表征集總元件的貢獻，得到電磁場波動 方程公式，即
【主權項】
1. 一種高功率脈沖對場效應管放大器性能影響的數值分析方法，其特征在于步驟如 下： 第一步，場效應管放大器中輸入與輸出集成電路的建模與分析；建立輸入與輸出集成 電路的仿真模型，該模型由微帶線網路和各種不同的集總元件組成，建立一條微帶線來表 不場效應管放大器中的輸入與輸出集成電路的信號傳輸路徑，應用時域譜兀法對場效應管 放大器的輸入與輸出電路進行分析，使用曲六面體對其進行剖分；設集總元件的尺寸與時 域譜元法剖分單元的棱邊尺寸可比擬，將集總元件設置在網路中相應單元的棱邊上，在一 條或若干條單元棱邊上賦于集總元件的特性；在微帶線的兩端的棱邊上設置50Ω的電阻 對微帶線進行匹配，并引入一階阻抗邊界條