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電子系統高功率電磁效應 版權信息
- ISBN：9787030700483
- 條形碼：9787030700483 ; 978-7-03-070048-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
電子系統高功率電磁效應 內容簡介
本書全面介紹了高功率電磁環境的種類及產生機理、全球范圍內的環境模擬試驗設備及其設計原理、系統耦合機制及解析計算方法、系統損傷效應的物理機理、危害分類和防護設計方法等內容。高功率電磁環境、電磁耦合、電子系統中的傳導電壓和電流等主題，在多數文獻中通常是分開講分開研究的，實際上系統防護設計必須能夠同時考慮上述全部因素。盡管系統高功率電磁環境效應的防護難度并不是很大，花費并不是很高，但是確實需要專門的知識和工程經驗，而這些通常不包含在大學課程或一般工程技術培訓課程內。若不具備這些知識，復雜系統的防護任務挑戰極大。
電子系統高功率電磁效應 目錄
目錄
叢書序
譯者序
前言
致謝
第1章 引言 1
1.1 現代社會對電子系統的依賴 1
1.2 HPEM環境綜述 1
1.3 HPEM效應綜述 3
1.4 電磁干擾及其影響簡史 3
1.5 體系層級 4
1.6 小結 7
參考文獻 8
第2章 HPEM環境 9
2.1 簡介 9
2.2 雷電 12
2.2.1 概述 12
2.2.2 雷電輻射環境 17
2.3 核電磁脈沖 17
2.3.1 HEMP輻射環境 18
2.3.2 HEMP傳導環境 23
2.3.3 HEMP的公開記錄 24
2.3.4 HEMP環境總結 24
2.4 高功率射頻定向能環境 25
2.4.1 HPRFDE系統的現狀 26
2.5 蓄意電磁干擾環境 29
2.5.1 IEMI技術能力小組 30
2.5.2 IEMI環境概述 33
2.5.3 HPRFDE和IEMI使用的案例 34
2.6 HPRFDE和IEMI環境的分類 36
2.6.1 窄波段 37
2.6.2 寬波段 40
2.6.3 超波段 42
2.7 小結 44
參考文獻 44
第3章 HPEM耦合與相互作用 52
3.1 電磁耦合與相互作用模型 52
3.2 拓撲概念 55
3.3 傳遞函數 57
3.3.1 天線傳遞函數 57
3.3.2 自由空間波傳播 60
3.3.3 耦合/輻射效率 60
3.3.4 透射 64
3.3.5 孔縫泄漏 66
3.3.6 傳導耦合 67
3.3.7 電耦合、容性耦合和磁耦合 67
3.3.8 容性耦合 68
3.3.9 感性耦合 69
3.4 系統殼體內部場變化 70
3.5 總體響應 71
3.5.1 器件、設備、系統、網絡和基礎設施 71
3.5.2 耦合：HPEM環境類型的函數 71
參考文獻 73
第4章 HPEM試驗設備和技術概述 75
4.1 簡介 75
4.1.1 場景的一般考慮 76
4.1.2 HPEM環境模擬的一般考慮 78
4.1.3 SUT的一般考慮 79
4.1.4 小結 79
4.2 HPEM效應試驗中的不確定性 80
4.3 HPEM效應試驗方法和裝置 81
4.3.1 HPEM輻射試驗 81
4.3.2 HPEM輻射試驗設施和HPEM環境模擬 83
4.3.3 HPEM輻射環境測量 98
4.3.4 測量鏈路 98
4.3.5 HPEM傳導試驗 100
4.3.6 傳導HPEM環境的測量 106
4.4 受試系統的激勵和觀察 107
4.5 效應數據表示形式 108
4.6 實際HPEM效應試驗的其他考慮因素 112
4.7 小結 113
參考文獻 114
第5章 HPEM效應機理 118
5.1 簡介 118
5.2 術語 118
5.3 器件和電路級效應 120
5.3.1 整流 120
5.3.2 噪聲 121
5.3.3 干擾或阻塞 122
5.3.4 飽和 122
5.3.5 工作點漂移 123
5.3.6 虛假信息 123
5.3.7 瞬態翻轉 123
5.3.8 混沌效應 124
5.3.9 損傷和破壞 125
5.3.10 公開發布的器件級和電路級效應數據 127
5.4 設備、系統和網絡級效應 128
5.5 HPEM信號指示器 137
5.5.1 瞬態或時域信號指示器 137
5.5.2 頻域信號指示器 140
5.5.3 脈沖連續波信號 143
5.5.4 響應指示器的使用 147
5.6 影響HPEM效應機理的信號指示器 151
5.6.1 重頻脈沖效應：充電和加熱 151
5.6.2 重頻脈沖效應：熱損傷 153
5.6.3 重頻脈沖效應：截獲概率 154
5.6.4 頻譜密度引起的效應 156
5.6.5 效應帶寬理論的意義 159
5.7 小結 162
參考文獻 164
第6章 HPEM效應的分類及意義 167
6.1 簡介 167
6.2 電磁效應分類 168
6.2.1 基于物理機制的效應分類 168
6.2.2 基于持續時間的效應分類 170
6.2.3 基于危害程度的效應分類 171
6.3 小結 172
參考文獻 173
第7章 HPEM防護概念和方法 174
7.1 簡介 174
7.2 屏蔽拓撲防護概念 174
7.2.1 屏蔽拓撲建模 175
7.2.2 屏蔽機理 177
7.3 利用非線性器件的傳導防護 186
7.3.1 限幅防護方法 186
7.3.2 非線性器件的分析總結 211
7.4 HPEM彈性和探測 212
7.4.1 一種基于風險分析的方法 213
7.4.2 彈性方法 214
7.4.3 HPEM探測 216
7.5 HPEM標準 223
7.5.1 HPEM標準組織 223
7.6 小結 225
參考文獻 225
第8章 總結與展望 231
參考文獻 235
術語縮略語表 236
作者簡介 240
叢書序
譯者序
前言
致謝
第1章 引言 1
1.1 現代社會對電子系統的依賴 1
1.2 HPEM環境綜述 1
1.3 HPEM效應綜述 3
1.4 電磁干擾及其影響簡史 3
1.5 體系層級 4
1.6 小結 7
參考文獻 8
第2章 HPEM環境 9
2.1 簡介 9
2.2 雷電 12
2.2.1 概述 12
2.2.2 雷電輻射環境 17
2.3 核電磁脈沖 17
2.3.1 HEMP輻射環境 18
2.3.2 HEMP傳導環境 23
2.3.3 HEMP的公開記錄 24
2.3.4 HEMP環境總結 24
2.4 高功率射頻定向能環境 25
2.4.1 HPRFDE系統的現狀 26
2.5 蓄意電磁干擾環境 29
2.5.1 IEMI技術能力小組 30
2.5.2 IEMI環境概述 33
2.5.3 HPRFDE和IEMI使用的案例 34
2.6 HPRFDE和IEMI環境的分類 36
2.6.1 窄波段 37
2.6.2 寬波段 40
2.6.3 超波段 42
2.7 小結 44
參考文獻 44
第3章 HPEM耦合與相互作用 52
3.1 電磁耦合與相互作用模型 52
3.2 拓撲概念 55
3.3 傳遞函數 57
3.3.1 天線傳遞函數 57
3.3.2 自由空間波傳播 60
3.3.3 耦合/輻射效率 60
3.3.4 透射 64
3.3.5 孔縫泄漏 66
3.3.6 傳導耦合 67
3.3.7 電耦合、容性耦合和磁耦合 67
3.3.8 容性耦合 68
3.3.9 感性耦合 69
3.4 系統殼體內部場變化 70
3.5 總體響應 71
3.5.1 器件、設備、系統、網絡和基礎設施 71
3.5.2 耦合：HPEM環境類型的函數 71
參考文獻 73
第4章 HPEM試驗設備和技術概述 75
4.1 簡介 75
4.1.1 場景的一般考慮 76
4.1.2 HPEM環境模擬的一般考慮 78
4.1.3 SUT的一般考慮 79
4.1.4 小結 79
4.2 HPEM效應試驗中的不確定性 80
4.3 HPEM效應試驗方法和裝置 81
4.3.1 HPEM輻射試驗 81
4.3.2 HPEM輻射試驗設施和HPEM環境模擬 83
4.3.3 HPEM輻射環境測量 98
4.3.4 測量鏈路 98
4.3.5 HPEM傳導試驗 100
4.3.6 傳導HPEM環境的測量 106
4.4 受試系統的激勵和觀察 107
4.5 效應數據表示形式 108
4.6 實際HPEM效應試驗的其他考慮因素 112
4.7 小結 113
參考文獻 114
第5章 HPEM效應機理 118
5.1 簡介 118
5.2 術語 118
5.3 器件和電路級效應 120
5.3.1 整流 120
5.3.2 噪聲 121
5.3.3 干擾或阻塞 122
5.3.4 飽和 122
5.3.5 工作點漂移 123
5.3.6 虛假信息 123
5.3.7 瞬態翻轉 123
5.3.8 混沌效應 124
5.3.9 損傷和破壞 125
5.3.10 公開發布的器件級和電路級效應數據 127
5.4 設備、系統和網絡級效應 128
5.5 HPEM信號指示器 137
5.5.1 瞬態或時域信號指示器 137
5.5.2 頻域信號指示器 140
5.5.3 脈沖連續波信號 143
5.5.4 響應指示器的使用 147
5.6 影響HPEM效應機理的信號指示器 151
5.6.1 重頻脈沖效應：充電和加熱 151
5.6.2 重頻脈沖效應：熱損傷 153
5.6.3 重頻脈沖效應：截獲概率 154
5.6.4 頻譜密度引起的效應 156
5.6.5 效應帶寬理論的意義 159
5.7 小結 162
參考文獻 164
第6章 HPEM效應的分類及意義 167
6.1 簡介 167
6.2 電磁效應分類 168
6.2.1 基于物理機制的效應分類 168
6.2.2 基于持續時間的效應分類 170
6.2.3 基于危害程度的效應分類 171
6.3 小結 172
參考文獻 173
第7章 HPEM防護概念和方法 174
7.1 簡介 174
7.2 屏蔽拓撲防護概念 174
7.2.1 屏蔽拓撲建模 175
7.2.2 屏蔽機理 177
7.3 利用非線性器件的傳導防護 186
7.3.1 限幅防護方法 186
7.3.2 非線性器件的分析總結 211
7.4 HPEM彈性和探測 212
7.4.1 一種基于風險分析的方法 213
7.4.2 彈性方法 214
7.4.3 HPEM探測 216
7.5 HPEM標準 223
7.5.1 HPEM標準組織 223
7.6 小結 225
參考文獻 225
第8章 總結與展望 231
參考文獻 235
術語縮略語表 236
作者簡介 240
展開全部
電子系統高功率電磁效應 節選
第1章 引言 1.1 現代社會對電子系統的依賴 當今社會越來越依賴基于半導體技術的各種電子系統，F代電子技術發展的規模與速度都是史無前例的。 然而，隨著電子技術復雜性的提高，電子系統功能的可靠性和安全性必將面臨新的風險。本書中詳細描述的一個風險因素是高功率電磁（high-power electromagnetic，HPEM）環境及其對電子系統的效應。 1.2 HPEM環境綜述 HPEM環境包括自然的和人造的各種電磁現象。雷電是自然發生的電磁現象，而核電磁脈沖（nuclear electromagnetic pulse，NEMP）、高功率射頻（high-power radio frequency，HPRF）（包括射頻廣播、雷達、高功率射頻定向能（high-power radio frequency directed energy，HPRF DE）和蓄意電磁干擾（intentional electromagnetic interference，IEMI）都是人造的電磁現象。電磁波譜見圖1.1。 圖1.1 電磁波譜本書重點關注的是從幾赫茲到幾十吉赫茲電磁波譜低端區域的 HPEM現象，即射頻（radio frequency，RF）波和微波①。電磁波譜低端區域的電磁波沒有足夠的能量引起電離，因此稱為非電離輻射。 HPEM環境可以被認為是一個強電磁現象集合，強到能夠在電力電子系統中引起電磁干擾。國際電工委員會將電磁干擾 [1]定義為能夠導致器件、傳輸通道或系統性能降級的某種電磁騷擾。 現今，人們對 HPEM環境的技術含義和特性已經有了更深的理解，并對各種 HPEM環境的頻譜進行了分析，給出了基于頻譜的 HPEM環境分類方法 [2]，見圖 1.2。這種分類方法由 Giri和 Kaelin在 1996年提出并且經過多次修訂，在后續章節中將做更詳細的闡述。 圖 1.2 HEMP、LEMP和 HPRF DE/IEMI波形頻譜 LEMP為雷電電磁脈沖； EMI/EMC為電磁干擾/電磁兼容；E1 HEMP為高空電磁脈沖一期；EME為電磁環境 系統的物理尺寸會影響 HPEM環境與系統的相互作用，從而造成不同的電磁干擾和效應。HPEM環境與電子器件、電路、設備和系統之間的電磁耦合與頻率密切相關，是頻率的函數。通常，大范圍互連的網絡和基礎設施主要受 HPEM環境的低頻成分（約 100MHz以下）影響；而與外界隔離的電子設備，只要不和基礎設施相連接，主要受幾百兆赫茲以上的高頻 HPEM環境影響。原因在于效應過程取決于電磁耦合，而電磁耦合取決于波長。該內容將在后續章節中詳細介紹。 ① GJB 72A—2002規定：射頻在電磁頻譜中介于音頻和紅外線之間，是用于無線電發射的頻率。目前應用的射頻范圍是 9kHz～3THz。我國將分米波、厘米波和毫米波稱為微波，頻率范圍是 300MHz～300GHz？梢娚漕l的頻率范圍包括微波。——譯者 1.3 HPEM效應綜述 HPEM環境對電子器件、設備或系統造成的效應或影響，可分為自然的、偶然的和有目的的三種情形。HPRF DE或 IEMI發生器所產生的 HPEM環境往往是精心設計的，目的就是故意造成電子系統的失靈、中斷或損傷。一般來說，術語 HPRF DE與脈沖功率技術的軍事應用有關，而 IEMI往往是非軍事的惡意行為。這些環境會影響軍事裝備和民用基礎設施的正常運行。 研究人員已經系統地研究了 HPEM環境導致的失靈、中斷和損傷效應。要實現 HPEM效應的表征和量化，需要對 HPEM環境與系統之間的電磁耦合及相互作用做深入的研究。特定系統的效應表征量可能是一個變動范圍很大的量，這是因為 HPEM效應對許多變量非常敏感。良好的實驗以及建模和分析對于減小效應表征量中的不確定度至關重要。盡管如此，在評估 HPEM效應時仍需要進行大量的判斷或解釋。一旦理解了效應機理，那么下一個目標就是通過電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）設計或電磁加固、防護或彈性恢復方案，降低系統對 HPEM環境的敏感性，從而減小高功率電磁的風險或危害。 1.4 電磁干擾及其影響簡史 19世紀 90年代末馬可尼進行**次無線電通信實驗，人們就知道了存在無線電干擾現象。然而，關于無線電干擾的技術論文直到 20世紀 20年代才出現 [3]，這與無線電發射機和接收機的發展速度一致。無線電干擾在很大程度上是一個同信道干擾問題（即一個無線電臺干擾另一個無線電臺的接收），原因在于這段時間還沒有建立關于無線電頻帶限制的法律法規。 在此期間，其他自然電磁現象也造成了無線電干擾問題。自然干擾源的例子有雷電（直接和間接效應，有時稱為雷電電磁脈沖（lightening electromagnetic pulse，LEMP）、靜電放電（electrostatic discharge，ESD））和沉淀靜電（precipitation static，P-static）。 20世紀 30年代，來自電機、電氣鐵路和電子標牌等電氣設備的無線電干擾開始對無線電信號接收造成嚴重影響。這些電氣設備可以稱為發射源，或者更具體地稱為無意干擾源，因為它們引起的無線電干擾不是其主要功能的一部分。這種干擾是開關電弧產生的諧波或諧振電路中的自激振蕩等二次效應引起的。 由于世界貿易需要在電磁干擾管理方面開展國際合作，1906年成立了兩個標準委員會，即國際電工委員會（IEC）和國際無線電干擾特別委員會（International Special Committee on Radio Interference，CISPR）。 然而，隨著雙極晶體管（20世紀 50年代）、集成電路（20世紀 60年代）和微處理器芯片（20世紀70年代）等高密度電子元器件的相繼出現，電磁干擾問題變得愈加嚴重。這一時期，軍事方面的考慮和需求極大地推動了電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）保護和緩解技術的發展，并統稱為電磁兼容技術[4]。 半導體的廣泛應用標志著電磁干擾和電磁效應的發展進入了一個新的階段。電子電路不僅能夠產生高幅度的電磁干擾，而且非接收器的電子電路也會受到電磁干擾的影響。絕大多數電磁干擾不是 HPEM環境引起的，而是來自鄰近或配套系統的溫和而非故意的電磁干擾。然而，隨著高功率電磁環境產生技術的發展，特別是雷達的發展，高功率電磁效應開始出現。 兩個非常重要的歷史事件證明了 HPEM對現代電子系統的影響，一個是美國 Forrestal航空母艦的案例 [5]；另一個是 1962年美國進行的 Starfish高空核爆炸試驗[6]的案例。此處提供這兩個案例的概要，更多細節和案例可在文獻[7]中獲得。 案例1：1967年，在越南海岸外，一架海軍噴氣式飛機降落在美國 Forrestal航空母艦上，在未經命令的情況下釋放了彈藥，擊中了甲板上一架全副武裝并正在加油的戰斗機，導致戰斗機爆炸， 134名水手喪生，航空母艦和飛機嚴重受損。這次事故是著陸飛機被艦載雷達輻照引起的，雷達產生的電磁干擾向飛機發送了一個錯誤的信號。調查顯示，飛機上的屏蔽終端退化，雷達信號觸發了固定操作程序。此次事件的結果是，對系統級 EMC標準進行了修訂，對電爆炸裝置做了特別的要求。 案例2：1962年 7月 8日夜間，TNT當量約為 1MT的 Starfish核裝置在約翰斯頓環礁上空約 400km處被引爆。從爆炸點到夏威夷瓦胡島（Oahu）的視線距離約為 1400km。瓦胡島的人們發現：無線電接收器的輸入電路出現問題；一架裝有拖曳式天線的飛機上，電涌放電器被意外觸發，30盞電燈同時失靈。 Forrestal航空母艦的災難是一場嚴重的悲劇。但是有一點必須指出， HPEM環境與設備的相互作用不會留下任何物理證據，這進一步導致對 Forrestal航空母艦事故實際原因調查的延遲和懷疑。盡管如此，這些事件促使軍方和民間機構開始關注 HPEM效應及其緩解技術，并建立了相應的標準和測試規范以解決這些問題。 1.5 體系層級 毫無疑問，以電子學為基礎的技術已經滲透到現代社會的各個層面，從整體復雜的基礎設施（如電子銀行）到個人手持電子設備（如手機）。 圖1.3中提出了一個貫穿本書的體系（系統的系統）層級結構。該層級結構對于理解耦合和 HPEM效應非常重要。 圖1.3 體系層級結構 下面介紹每個層級的特性。 1）器件 器件是任意有源模擬或數字電子元器件。為了使電子元器件發揮作用，必須將其安裝到一個電路中，這個電路至少能向該器件提供電源，可能還需提供輸入和輸出端口。器件通常是系統中實際發生 HPEM效應的點。由于必須復制電路的重要組成部分，在器件級進行 HPEM效應測試難度較大。 2）電路 電路是實現特定功能的一組電子元器件的集合。器件可以是模擬的或數字的，而電路通常同時包含這兩種類型的器件。盡管電路級 HPEM效應測試已經開展很久，但在電路級進行 HPEM效應評估仍然難以做到完全客觀，其中仍包含較大的主觀性。 3）設備 設備可視為由眾多電子元器件構成封裝在一個腔體內的電路集合，并帶有電纜端口。大多數 HPEM效應試驗基于設備樣品。通常，設備必須通過有線或無線方式連接到系統，以充分實現其功能。在設備級開展 HPEM效應評估工作通？尚行躁缽。 4）系統 系統是可以實現某個功能的多設備的集合，并有明確的邊界。系統級 HPEM效應評估通常是昀不抽象的，但是它們實際上很難實施，因為若系統的尺寸較大，可能需要大型且昂貴的試驗平臺。 在圖 1.3中，矩形虛線輪廓區域表示大型裝備平臺的邊界。裝備平臺通常是一個包含設備、系統或小型網絡（如辦公樓、數據中心或其他物理結構）的集合。在圖 1.3的層級結構中，裝備平臺可視為無源單元，因為它不會直接受到 HPEM效應的影響。然而，它可以通過衰減或耦合改變 HPEM環境的傳播過程。 5）網絡 網絡由相互連接的系統組成，這些系統可以是有線的，也可以是無線的。實踐中，對整個網絡進行 HPEM效應試驗是不現實的，更實際的做法是對組成網絡的系統和設備單獨進行測試，然后模擬激勵網絡的效應。 6）基礎設施 基礎設施是一個龐大的（幾十公里）互聯網絡，并履行一些重要的功能；A設施包含上述許多單元，其中一些單元可能只存在一段時間。當基礎設施執行一些至關重要的功能時，如在大都市地區配電，它被稱為關鍵基礎設施（critical infrastructure，CI）。在基礎設施層級進行 HPEM效應試驗一般是非常不切實際的。 在器件層級中，人們可以把微處理器和微控制器等核心器件看作電子系統的電子芯片或大腦。這些器件和其他設備支撐了層級結構的功能，直至昀高的基礎設施層級。昀近，有一種趨勢是使用電纜、光纖或者無線方式將器件、設備和系統連接或聯網在一起，以實現類似于基礎設施的功能。 圖1.4以圖解方式顯示了圖 1.2中每種 HPEM環境的波長如何映射到圖 1.3中的體系層級結構。 基礎設施對社會的重要性體現在“關鍵國家基礎設施”（critical national infrastructure，CNI）這一術語中。CNI的范圍大體上需要在國家或國土層面上定義。其中一個定義是國家運轉和提供日常生活所依賴的基本服務所必需的裝備、系統、場所和網絡 [8]。國家信息中心可分為以下部門：通信部門、應急服務部門、能源部門、金融服務部門、食物部門、健康衛生部門、運輸部門、水務部門。 不可避免，上述部門越來越依賴于電子技術的進步。事實上，社會對基
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