基于瞬态电磁拓扑的PCB电路系统高功率电磁脉冲效应方法研究

PCB circuits are the key parts of modern electronic systems. External high power electromagnetic pulses (HPEMP) can couple into systems through antennas, apertures, and wires, then couple onto PCBs via the direct conduction of wires and the radiation coupling of the interior fields, and generate interferences or damages to the circuits and devices on PCBs, which results in the influences on the whole electronic systems. The interaction of HPEMP with PCB circuits not only depends on the circuits and devices, but also relies on external HPEMPs and coupling paths, et al. Due to the insufficiencies of the existing methods, this project, based on the transient electromagnetic topology and combing with the circuit/device hybrid simulation method, develops SPICE models for typical PCB wiring excited by external fields, gives the method for the analysis of HPEMPs interaction with PCB circuits, and studies the effects of HPEMPs, cavity resonances, and PCB wirings on a typical PCB circuit.This Subject can provide technical means for the analysis of HPEMP effects on PCB circuits and technical supports for the PCB circuit design.

PCB电路是现代电子系统中的关键组成部分。外部电磁脉冲（High Power Electromagnetic Pulse, HPEMP）可以通过电子系统上的天线、孔缝或线缆等结构耦合进入系统内部，然后通过线缆的直接传导或者内部辐射场的辐射耦合进一步作用到系统内PCB上，并对PCB上的电路和器件产生干扰或损伤，从而影响整个电子系统。PCB电路系统HPEMP效应不仅与电路、器件有关，而且与HPEMP和耦合途径等因素有关。由于现有的研究方法还存在不足，本项目拟基于瞬态电磁拓扑方法，结合电路/器件混合模拟技术，推导外场激励下典型PCB布线的SPICE等效电路模型，从而建立一套能有效开展HPEMP与PCB电路系统相互作用研究的方法；并用建立的方法研究HPEMP特性、腔体共振和PCB布线等对典型PCB电路系统的影响。本项目能够为PCB电路HPEMP效应研究提供技术手段，为PCB电路设计提供技术支撑。

针对目前在PCB电路系统HPEMP效应研究方面还存在不足，本项目基于瞬态电磁拓扑方法和电路/器件混合模拟技术，推导外场激励下典型PCB布线的SPICE等效电路模型，建立一套能够有效开展HPEMP与PCB电路系统相互作用的研究方法，实现器件、电路和电磁结构的混合模拟，并用建立的方法研究HPEMP特性、腔体共振等对一个含有PIN限幅器的PCB电路系统的HPM效应的影响。通过研究表明：对PCB电路系统的HPEMP效应模拟，混合模拟方法比电路级混合模拟更准确；与戴维南等效和器件模拟相结合的方法相比，混合模拟方法具有相似的精度但具有更宽的适用范围。通过对一个含有PIN限幅器的PCB电路系统的研究表明：高功率微波（HPM）可以比高空核电磁脉冲（HEMP）对PCB电路系统造成更严重的危害，HEMP可以对PCB电路系统引起干扰而HPM可以对PCB电路系统引起损伤；对于同一个PCB电路系统，其含屏蔽腔和不含屏蔽腔时其对应的易损频率不同；当外部存在HPM时，系统内干扰的频率特点主要由外部HPM决定，当外部HPM消逝后，系统内剩余干扰的频率特点主要由系统腔体的共振频率特性来决定。