電磁脈沖對數(shù)字電路的輻照效應(yīng)研究

張 昆

（呼倫貝爾市廣播電視大學(xué)，內(nèi)蒙古 牙克石 022150）

0 引言

電磁脈沖具有較強穿透性，對電子設(shè)備的電路板會造成干擾，影響到電路系統(tǒng)正常運行，從而無法使用，當(dāng)電磁脈沖達到一定強度時，會損壞電子設(shè)備，甚至引發(fā)安全事故，所以要特別注意。加強電磁脈沖對電路的輻照耦合規(guī)律研究，為后期電路的設(shè)計提供參考，可以實現(xiàn)有效優(yōu)化。

1 雷電電磁脈沖場的模擬及試驗裝置

為了對分析雷電電磁脈沖場進行模擬，先要了解雷電電磁脈沖相關(guān)情況，選擇有界波電磁脈沖模擬器。有界波電磁脈沖模擬器的構(gòu)成比較復(fù)雜，包括多個部分，圖1為電磁脈沖模擬器，其中C1、C2、R1、R2分別是指充電儲能電容、放電電容、放電電阻及負載電阻。影響模擬器電磁特性的因素比較多，例如脈沖源的等效電感、電容等。對C2、R1和C1、R2值進行適當(dāng)調(diào)整，會影響到脈沖的波頭時間和半波寬度。本文提到的模擬器可以對兩種雷電電磁脈沖形式進行模擬。場強峰值在工作空間內(nèi)形成，用E來表示，脈沖源的放電電壓用UO來表示，二者之間是正比的關(guān)系，用hs來表示工作空間的高度，和場強峰值是反比的關(guān)系，用公式表示為E=UO/hs。

圖1 電磁脈沖模擬器

2 被試電路及試驗方案

被試設(shè)備選擇時要慎重，根據(jù)經(jīng)驗得知，要選用某裝備上的信息處理的串行數(shù)據(jù)分配電路，設(shè)備主要由兩部分組成，分別是控制信號產(chǎn)生電路和串行數(shù)據(jù)分配器，產(chǎn)生電路會產(chǎn)生方波振蕩信號的是控制信號，由分配電路接受。電磁脈沖會影響到控制信號，當(dāng)干擾電壓持續(xù)上升時，將會和非門電路產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，從而引發(fā)誤動作，無法進行正常的數(shù)據(jù)傳輸，輸出的數(shù)據(jù)是錯誤的。通過綜合考慮，本文試驗的輻照源選為1.2/50μs的雷電電磁脈沖，輻照干擾的耦合途徑選擇控制信號傳輸線，導(dǎo)向形狀選擇為矩形，線的長度和高度要在合理范圍內(nèi)，可以視為等效接受天線，能夠有效接受干擾，最終會疊加在與非門芯片的管腳上。引線線圈平面要和電場E的傳輸方向、磁場B的方向由一定要求，要保持垂直、相平行。當(dāng)雷電浪涌發(fā)生器放電時，電場對線圈會產(chǎn)生一定影響。采用標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測串行數(shù)據(jù)分配電路中和控制信號產(chǎn)生電路相連接的與非門，對不同場強下和非門輸入端的耦合結(jié)果進行分析，在本次試驗中，對不同強度、方向的場比較，從中可以得到重要結(jié)論，對于耦合規(guī)律的認識有很大幫助。

3 輻照耦合結(jié)果

3.1 電場強度改變對耦合結(jié)果的影響

與非門的選擇要具有代表性，這和最終結(jié)果的準(zhǔn)確性有著直接關(guān)系，確保質(zhì)量符合規(guī)定要求，可以滿足實際所需。對不同類型產(chǎn)品對比后決定采用美國某公司生產(chǎn)的與非門，作為試驗的研究對象。將非門的輸入端和產(chǎn)生控制信號的設(shè)備連接起來，可以看作是等效天線的接收端。變化脈沖電場的場強峰值E，與非門的輸入端和輸出端的感應(yīng)電壓的會呈現(xiàn)出波形變化，要仔細觀察，從中可以得到重要信息，從而有更加深入的了解。

分析與非門的輸入端和輸出端的感應(yīng)電壓的波形變化，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在開始的時候感應(yīng)電壓波形為高頻振蕩，后轉(zhuǎn)為低頻振蕩，隨著脈沖電場的場強峰值的增大，振蕩強度也會隨著增強。高頻振蕩和疊加在脈沖電場上升沿上的高頻振蕩的振蕩頻率和持續(xù)時間是一樣的，基于這一特點，可以了解場波形的前部振蕩和感應(yīng)信號的高頻振蕩出現(xiàn)關(guān)系密切。影響低頻振蕩的因素較多，對其產(chǎn)生一定影響。在干擾程度不變的情況下，uin是高、低電平時，感應(yīng)電壓峰值是一樣的，但波形卻存在顯著差異。當(dāng)uin是低電平的時候，通過觀察發(fā)現(xiàn)其感應(yīng)電壓波形的低頻振蕩衰減速度較慢，輸出端翻轉(zhuǎn)頻率較高，之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，原因是器件阻抗的大小不同。

感應(yīng)電壓值測試要在不同場強峰值條件下，對最終結(jié)果進行分析可以得出重要結(jié)論，脈沖電場的場強峰值的增大會影響到感應(yīng)電壓峰值，表現(xiàn)為線性增大趨勢，低頻振蕩持續(xù)時間也會變長，另外和非門的輸出端翻轉(zhuǎn)次數(shù)也會增加。

3.2 浪涌極性改變對耦合結(jié)果的影響

改變雷電浪涌極性，發(fā)現(xiàn)在不同場強峰值下，感應(yīng)電壓波形幾乎沒有發(fā)生變化，包括高頻振蕩和低頻振蕩。對浪涌極性改變前后進行對比，具有相同和不同之處，其中相同之處表現(xiàn)為器件接收到的U和E成線性上升趨勢，在場強峰值保持不變時，感應(yīng)波形的高頻振蕩和低頻振蕩持續(xù)時間基本相同，二者的振蕩頻率十分接近。不同之處表現(xiàn)為在負極性時，感應(yīng)波形的第一個脈沖是一負脈沖，而正極性時為一正脈沖。保持場強峰值不變，輻照脈沖源是負電場極性時的芯片U低于正極性時。感應(yīng)結(jié)果會受到極性改變的影響，當(dāng)放電極性發(fā)生變化時，電路對于電場的方向具有差異性，說明了天線形狀不同，導(dǎo)致了結(jié)果的不同。

3.3 EUT方向改變對結(jié)果的影響

讓引線線圈在電磁場中的方向發(fā)生變化，90°旋轉(zhuǎn)線圈平面，讓線圈和電場的傳輸方向保持平行，于磁場方向相垂直。電場和磁場對線圈會產(chǎn)生一定影響。對方向改變后的情況進行觀察，接受的電壓波形和改變極性前沒有太大差別，由高頻振蕩和低頻振蕩組成。方向改變之后，場強峰值不變情況下，隨著線性變化U會增大，之所以出現(xiàn)這種情況是因為電場和磁場對線圈產(chǎn)生了影響，U會變大情況。改變后方向，感應(yīng)電壓波形會有差異，高頻振蕩部分基本保持不變，但低頻振蕩部分卻變化明顯，主要表現(xiàn)為周期減小，而且衰減速度比較快。這說明了當(dāng)被試設(shè)備方向改變之后，會影響到U和波形。通過分析發(fā)現(xiàn)，EUT方向改變對結(jié)果影響較大，是一個非常重要的條件，因此要加強研究，逐漸形成正確認識。

3.4 與非門類型改變對耦合結(jié)果的影響

管腳會接收到感應(yīng)電壓，在這個過程中芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和阻抗特性對其會產(chǎn)生影響。考慮到這一點，變化被試設(shè)備，確保二者的感應(yīng)電壓波形沒有太大差異。在不同場強峰值條件下，開展感應(yīng)電壓峰峰值Upp測試，在場強峰值不變的情況下，改變后的被試設(shè)備Upp要低于之前的設(shè)備。為了弄清楚其中原因，需要測試工作波形，連接與非門輸入端和CD4047輸出端，注意采用并聯(lián)的方式，控制好供電電壓。對測試結(jié)果進行分析可以發(fā)現(xiàn)，器件的阻抗越高，接受能力就越強，在外部條件不改變的情況下，感應(yīng)的電壓值會更大。與非門類型比較多，通過試驗掌握其和耦合結(jié)果之間的關(guān)系，在運用時保證與非門選擇的合理性，可以滿足實際所需，確保發(fā)揮出有效作用，對于實際工作開展具有借鑒意義。

3.5 輸入阻抗變化對耦合結(jié)果的影響

輸入阻抗Rin對接受能力會產(chǎn)生影響，要進行深入研究，實際操作方法是改變和74HC00輸入端并聯(lián)的電阻值，當(dāng)場強峰值在某一值下脈沖電場下的感應(yīng)電壓波形。最終結(jié)果表明，Rin和U呈正相關(guān)，另外感應(yīng)波形的低頻振蕩強度和持續(xù)時間也會變大，和與非門輸出端的翻轉(zhuǎn)次數(shù)會變得更多。充分說明保持外部條件不變，因為天性的阻抗特性相同，因此接收電路的輸入阻抗和接受能力關(guān)系密切。多因素會影響電磁脈沖對電路的輻照耦合，主要包括接受天線形狀、阻抗特性等，因此要進行綜合考慮，有一個全面、深入的了解。在設(shè)計電路和安裝系統(tǒng)的時候，要對干擾電磁場及系統(tǒng)特性進行認真分析，為了保證達到最好效果，要采取減小干擾的措施。明確影響耦合結(jié)果的因素，在此基礎(chǔ)上對電路設(shè)計方案進行優(yōu)化，在原有基礎(chǔ)上實現(xiàn)突破，最大程度減少電磁脈沖的影響，有利于改善電路性能，具有更強抗干擾能力，實現(xiàn)正常的使用。

4 結(jié)束語

綜上所述，電磁脈沖會影響到數(shù)字電路的正常運行，要進行深入研究，有一個全面了解。本文通過探討，明確了影響輻照耦合結(jié)果的因素，在此基礎(chǔ)上進行改進，優(yōu)化數(shù)字電路設(shè)計理念，從而達到更好效果。電子設(shè)備普遍采用數(shù)字電路，加強電磁脈沖對其影響具有重要現(xiàn)實意義，不斷提升電子設(shè)備制造水平，為用戶帶來更好的體驗。