電磁脈沖對數字電路的輻照效應研究

張 昆

（呼倫貝爾市廣播電視大學，內蒙古 牙克石 022150）

0 引言

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

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成比較復雜，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值進行適當調整，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系，用hs來表示工作空間的高度，和場強峰值是反比的關系，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

被試設備選擇時要慎重，根據經驗得知，要選用某裝備上的信息處理的串行數據分配電路，設備主要由兩部分組成，分別是控制信號產生電路和串行數據分配器，產生電路會產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，當干擾電壓持續上升時，將會和非門電路產生翻轉，從而引發誤動作，無法進行正常的數據傳輸，輸出的數據是錯誤的。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，導向形狀選擇為矩形，線的長度和高度要在合理范圍內，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。當雷電浪涌發生器放電時，電場對線圈會產生一定影響。采用標準的監測串行數據分配電路中和控制信號產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論，對于耦合規律的認識有很大幫助。

3 輻照耦合結果

3.1 電場強度改變對耦合結果的影響

與非門的選擇要具有代表性，這和最終結果的準確性有著直接關系，確保質量符合規定要求，可以滿足實際所需。對不同類型產品對比后決定采用美國某公司生產的與非門，作為試驗的研究對象。將非門的輸入端和產生控制信號的設備連接起來，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電壓的會呈現出波形變化，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電壓的波形變化，通過觀察發現，在開始的時候感應電壓波形為高頻振蕩，后轉為低頻振蕩，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信號的高頻振蕩出現關系密切。影響低頻振蕩的因素較多，對其產生一定影響。在干擾程度不變的情況下，uin是高、低電平時，感應電壓峰值是一樣的，但波形卻存在顯著差異。當uin是低電平的時候，通過觀察發現其感應電壓波形的低頻振蕩衰減速度較慢，輸出端翻轉頻率較高，之所以會出現這種現象，原因是器件阻抗的大小不同。

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

3.2 浪涌極性改變對耦合結果的影響

改變雷電浪涌極性，發現在不同場強峰值下，感應電壓波形幾乎沒有發生變化，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，感應波形的高頻振蕩和低頻振蕩持續時間基本相同，二者的振蕩頻率十分接近。不同之處表現為在負極性時，感應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。感應結果會受到極性改變的影響，當放電極性發生變化時，電路對于電場的方向具有差異性，說明了天線形狀不同，導致了結果的不同。

3.3 EUT方向改變對結果的影響

讓引線線圈在電磁場中的方向發生變化，90°旋轉線圈平面，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，之所以出現這種情況是因為電場和磁場對線圈產生了影響，U會變大情況。改變后方向，感應電壓波形會有差異，高頻振蕩部分基本保持不變，但低頻振蕩部分卻變化明顯，主要表現為周期減小，而且衰減速度比較快。這說明了當被試設備方向改變之后，會影響到U和波形。通過分析發現，EUT方向改變對結果影響較大，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果的影響

管腳會接收到感應電壓，在這個過程中芯片內部結構和阻抗特性對其會產生影響。考慮到這一點，變化被試設備，確保二者的感應電壓波形沒有太大差異。在不同場強峰值條件下，開展感應電壓峰峰值Upp測試，在場強峰值不變的情況下，改變后的被試設備Upp要低于之前的設備。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，注意采用并聯的方式，控制好供電電壓。對測試結果進行分析可以發現，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果之間的關系，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果的影響

輸入阻抗Rin對接受能力會產生影響，要進行深入研究，實際操作方法是改變和74HC00輸入端并聯的電阻值，當場強峰值在某一值下脈沖電場下的感應電壓波形。最終結果表明，Rin和U呈正相關，另外感應波形的低頻振蕩強度和持續時間也會變大，和與非門輸出端的翻轉次數會變得更多。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。在設計電路和安裝系統的時候，要對干擾電磁場及系統特性進行認真分析，為了保證達到最好效果，要采取減小干擾的措施。明確影響耦合結果的因素，在此基礎上對電路設計方案進行優化，在原有基礎上實現突破，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，實現正常的使用。

4 結束語

綜上所述，電磁脈沖會影響到數字電路的正常運行，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果的因素，在此基礎上進行改進，優化數字電路設計理念，從而達到更好效果。電子設備普遍采用數字電路，加強電磁脈沖對其影響具有重要現實意義，不斷提升電子設備制造水平，為用戶帶來更好的體驗。