基于效应数据的微波器件HPM效应分析及建模方法

　　在高功率微波(High Power Microwave,HPM)效应研究过程中,如何充分利用元器件的效应数据来分析电子系统的效应问题,是我们目前研究的重点内容之一。建立微波器件的HPM效应数学模型,可以应用于数字武器的HPM效应仿真,也可以应用于HPM效应数据库的分析和评估。利用计算机仿真技术,以微波器件的HPM效应模型为中介,对系统级的效应目标进行效应评估,不仅可以节省时间和精力,而且可以节省大量的实验经费,尤其是对于大型昂贵的复杂系统,具有重要的现实意义。

　　1　微波器件的HPM效应现象

　　微波器件通常是二端口网络,用来传输微波信号,在HPM作用下其输入输出信号发生变化。要建立微波器件的等效模型,首先要找到效应参量来尽可能完整地表征这些变化,而避免陷入描述千变万化的效应现象中。从目前的微波器件效应实验结果看,HPM对其输出的影响主要表现在以下4个方面[1-2]:

　　(1)输出幅度变化:由于HPM的饱和压制,或者因HPM对器件造成损伤导致其插入损耗变化,造成输出幅度变化,通常是下降(见图1(a))。可以使用衰减因子L/dB来表示,为器件建立衰减模型。

　　(2)输出脉宽变化:由于大功率HPM导致器件击穿,截断微波脉冲形成“尾蚀”,导致输出脉宽变窄(见图1(b))。例如TR放电管放电时,会有一个“尖峰”,可能还有一个“平台”,可以分别用^τout,-τout表示其宽度,对应的衰减为^L和-L。输出脉宽统一用τout/ns来表示,为器件建立脉宽模型。

　　(3)输出脉冲相位变化:HPM使经过器件的微波脉冲的相位前移或后移(见图1(c)),使用相移参数Φ/(°)表示,建立相移模型。

　　(4)对信号造成压制:由于HPM的饱和压制作用或对器件造成瞬时干扰,使通过器件的正常信号受到压制,信号经过一段时间后才完全恢复幅度(见图1(d))。这个时间用参数T/μs表示,建立压制时间模型。在实际建模过程中,所需的压制时间参数可能是部分压制时间、完全压制时间、完全恢复时间或者它们的组合。

　　2　效应参量模型

　　对上述4种效应现象使用物理参量来描述,暂且称为效应参量,对每个效应参量建立相应的模型,组合后得到完整的微波器件HPM效应模型。4个效应参量都是HPM输入参数的函数,效应模型函数形式为

  （1）

式中:Pin为输入微波功率;τin为输入微波脉宽;f为微波频率;fr为重复频率。

　　式(1)是个四输入四输出的多维函数,如果使用查表或插值的方法进行建模,那么所需要的实验数据量是极其庞大的,假设每条曲线获取10个数据点,那么一个完整的器件实验需要获取4×104个数据,这是人力、物力和时间上不能实现的。另外,获取破坏性阈值所损耗器件数量也非常大,因此这种方法不具可操作性。