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电磁耦合作用机理研究
发布时间:2022.08.08 来源:合美电子 浏览次数:535次

  随着科学技术的不断发展和人类活动的不断拓展,微电子技术、计算机技术应用到了社会生活的方方面面,大量技术含量高、内部结构复杂的电工、电子产品得到广泛应用,使之日益信息化和电磁敏感化。复杂电磁环境对人类产生的影响越来越引起人们的关注。因此,研究电磁的耦合作用机理具有重要的意义。

  一、电磁环境相关概念

  电磁环境是指存在于空间电磁现象的总和。各种人为电磁辐射和自然电磁辐射构成了复杂的电磁环境,其中人为电磁辐射包括移动电话机、无线电对话机、广播电视电台发射机、卫星、雷达等等,雷电、静电、地磁场、太阳黑子活动、宇宙射线等构成了自然电磁辐射源。
  电磁辐射作用的形成需要同时具备以下三个要素:
  电磁波源,指产生电磁波的元器件、设备、系统或自然现象;
  耦合通道,指把能量从波源耦合或传播到敏感设备上,并使该设备产生响应的通道或媒介;
  敏感设备,指对电磁波发生响应的设备。
  通常将这三个要素称为电磁耦合的三要素。

  二、电磁辐射的耦合方式

  (一)天线耦合
  全体暴露于电磁场的金属导体均可认为是天线,“前门”耦合(“front-door”coupling)就是指电磁脉冲或微波能量通过目标上的天线耦合到电子系统内。因此,可以按天线的设计特性计算耦合强度,当电磁波频率与天线设计频率相等时,耦合达到峰值。
  (二)孔缝耦合
  一般情况下,电子设备封装在由传导材料构成的容器中。由于设备散热通风、缺口、裂缝以及馈电、信号传输的需要,容器不可能密封,存在着不同类型的孔缝,这就为电磁辐射提供了耦合途径。“后门”耦合(“back-door”coupling)就是高能电磁脉冲能量通过目标上的孔洞、缝隙耦合进入系统,干扰或毁坏电子设备。当波长小于孔缝尺寸时,电磁波将毫无阻挡地进入屏蔽体内;当波长大于孔缝尺寸时,电磁波将被阻挡;当存在尺寸和电磁波长相比拟的孔缝时,电磁波的耦合就很严重,将产生共振。
  (三)电源线、传输线的耦合
  电源线是暴露在系统外面的长线,易受到电磁能量的攻击,既可接收干扰能量也可传送干扰能量。若有电源线或信号传输线从屏蔽壳体连接至系统内部,则接收、感应的电流将沿线传播进入屏蔽体。一般传播的是微波脉冲电流,即使电流不是从传输电缆芯线的引头引进,而是在外屏蔽层上感应,通过转移阻抗也会耦合至芯线,直接进入电子系统。对于微波,屏蔽电缆的转移阻抗也比射频大得多,因此微波可以通过电源线、传输线的编织屏蔽层进入芯线。
  (四)金属壳体的趋肤效应
  电磁波对金属壳体的穿透是通过趋肤效应实现的,电磁波在材料中的趋肤深度为
  式中f为电磁波的频率,和分别为金属壳体材料的磁导率和电导率。对于2GHz的微波信号,它在铜( =5.5×107S/m)和铝(=3.2×107S/m)中的趋肤深度分别为1.52 和2.82。而对于更高频率的微波信号,趋肤深度的值更小。
  三、电磁能量的作用机理
  电磁危害源对高新技术装备的影响,主要通过能量的传导耦合、辐射耦合发生作用的,其作用机理可以概括为以下四个方面:
  (一)热效应
  静电放电和高功率电磁脉冲产生的热效应一般是在纳秒或微秒量级完成的,是一种绝热过程。作为点火源和引爆源,瞬时引起易燃、易爆气体或电火工品爆炸,也可使系统中的微电子器件、电磁敏感电路过热,造成局部热损伤,电路性能变坏或失效,甚至导致库存物资燃烧爆炸。
  (二)射频干扰和“浪涌”效应
  电磁辐射引起的射频干扰,对信息化设备造成电噪声、电磁干扰,使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其“浪涌”效应对系统还会造成硬损伤,既可使器件或电路的性能参数劣化或失效,也可形成累积效应,埋下潜在的危害,使电路或设备的使用性降低。
  (三)强电场效应
  电磁危害产生的强电场(特别是静电场)不仅可使MOS电路的栅氧化层击穿或金属线间介质击穿,致使电路失效,而且会形成潜在性损伤,对系统自检仪器和敏感器件的工作造成影响。
  (四)磁效应
  静电放电、雷击闪电及类似的电磁脉冲引起的强电流可产生强磁场,使电磁能量直接耦合到系统内部,干扰电子设备的正常工作。

  参考文献:
  [1]刘尚合、武占成:电磁环境与高新技术武器装备[J].现代军事,2001.
  [2]邬雄:电场、磁场和电磁场的环境问题[J].电力环境保护,2007,(4).
  [3]高岩、于博:复杂电磁环境特性[J].四川兵工学报,2008,(1).
  [4]高斌、唐晓斌:复杂电磁环境效应研究初探[J].中国电子科学研究院学报,2008,(4).

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