SGEMP等效脉冲电流注入波形研究.pdf
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1、第 21 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.21,No.10Oct.,2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologySGEMP等效脉冲电流注入波形研究李进玺,吴伟,程引会,王一雄,赵墨,郭景海(西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,陕西 西安 710024)摘要:采用电磁范数对系统电磁脉冲(SGEMP)脉冲电流注入(PCI)波形参数的确定方法进行研究。负载分别为高阻和低阻时,对 SGEMP 敏感端口响应典型波形进行电磁范数参数化表征,综合考虑等效
2、波形的上升时间、峰值、携带的能量和电荷量与响应波形的差异情况,开展了 PCI 等效波形参数研究。仿真结果表明,方波等效波形可以很好地模拟出响应波形,等效波形与响应波形的峰值一致,频谱特征近似;等效波形的上升时间、携带的能量和电荷量等参数通过调整脉宽即可实现与响应波形一致。因此,可采用电磁范数对 SGEMP 响应波形进行参数化表征等效,获得的等效波形容易在实验室生成,从而为采用电流注入方法开展 SGEMP 研究提供一种新的途径。关键词:系统电磁脉冲;电流注入;电磁范数;波形等效中图分类号:O482.7 文献标志码:Adoi:10.11805/TKYDA2021265Study on the eq
3、uivalent pulse current injection waveform of SGEMPStudy on the equivalent pulse current injection waveform of SGEMPLI Jinxi,WU Wei,CHENG Yinhui,WANG Yixiong,ZHAO Mo,GUO Jinghai(National Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi an,S
4、haanxi 710024,China)AbstractAbstract:The determination method of Pulse Current Injection(PCI)waveform parameters of System Generated Electromagnetic Pulse(SGEMP)is studied by using electromagnetic norm.When the load is high and low resistance respectively,the typical response waveform of SGEMP is do
5、uble exponential waveform and Gaussian waveform.Considering the difference between the rise time,the peak value,the energy and the charge carried by the equivalent waveform and the response waveform,the equivalent waveform parameters of pulse current injection are studied.The results show that the s
6、quare wave equivalent waveform can simulate the response waveform according to the characteristics of the response waveform and electronic system.Therefore,it is possible to use electromagnetic norm to parameterize the equivalence of SGEMP response waveform,and the equivalent waveform can be easily
7、generated in laboratory,which provides a new way for the study of SGEMP by the current injection method.KeywordsKeywords:System Generated Electromagnetic Pulse;current injection;electromagnetic norm;waveform equivalence现代电子设备受电磁脉冲威胁严重,电磁脉冲因其高峰值、大能量、上升时间短等特点,会对电子装备中的核心器件造成不可逆的损伤;系统电磁脉冲(SGEMP)是脉冲 X 射线
8、引起的电子系统效应之一,与电子系统相连接的线缆瞬态辐照响应是 SGEMP 效应主要研究内容,线缆受到 X 射线辐照后产生的 SGEMP 对以半导体器件为核心的各种电子装备构成了严重的威胁1。波形等效主要是寻求一种实验室容易获得或者理论上能够生成的波形,利用其与目标响应波形特征参数数值相接近的特点,模拟系统在原环境中的响应。现阶段国内关于波形等效的研究大多集中于高空电磁脉冲2-4,利用范数对脉冲波形的幅值、上升时间和脉宽等参数定性地对复杂波形进行等效简化,此种方式并未对波形等效性做更深入准确的研究。由于大面积、高注量的 X 射线环境难以获取,无法直接利用 X 射线源对电子系统开展 SGEMP 效
9、应研究5-6,因此,需要寻求一种有效的替代研究途径。本文采用了电磁范数对典型线缆的 SGEMP 响应波形进行了参数化表文章编号:2095-4980(2023)10-1239-05收稿日期:2021-06-23;修回日期:2021-08-06太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷征,将 SGEMP 研究中敏感端口的响应以不同参数的方波进行等效,用这种能够在实验室容易获得的波形来替代X 射线线缆 SGEMP 响应,以此作为采用电流注入方法开展 SGEMP 研究的依据。1范数的概念及电磁脉冲参数范数作为向量或矩阵的一种数字特征,可以用来定量描述复杂波形的特征值,对于时域脉冲波形f(t),通常所用的 p
10、 范数可以表示为:f(t)p=(-+|f(t)pdt)1p1p(1)无穷范数的定义为f(t)=max|f(t)|。范数用在电磁脉冲效应研究领域,不同的特征值代表着不同的含义。常用的电磁脉冲波形参数主要包括前沿、脉宽、峰值、最大变化率、携带的总电荷和能量,后面 4 种参数对应的范数分别为范数、一阶微分的范数、1 范数和 2 范数。2波形等效方法一般情况下,电子系统中的电路和器件对干扰脉冲的峰值最为敏感,同时,电路和器件的类型和功能不一样时,其对干扰脉冲的上升沿、携带的能量和电荷量也表现出不同程度的敏感性;因此,波形等效中,主要考虑等效脉冲的峰值和上升时间与目标脉冲源相同、等效脉冲峰值和包含的能量
11、与目标脉冲源相同、等效脉冲峰值和携带的电荷量与目标脉冲源相同这 3 种情况,依据上述 3 种情况,以典型端口高阻和低阻 2 种状态下的SGEMP 响应波形为源波形6-11,参照范数的定义提取波形的特征参数,开展注入等效波形参数研究。2.1 高阻状态线缆响应波形等效线缆两端负载 R=100 k,受 X 射线辐照时,负载响应电流的典型波形6如图 1 所示,波形类似于双指数脉冲,图 2 为其对应的频谱波形。Fig.1 Current waveform of the wire at R=100 k图1 R=100 k时线缆两端的电流波形Fig.2 Current spectrum waveform o
12、f the wire at R=100 k图2 R=100 k时线缆两端的电流频谱波形Fig.3 Equivalent square waveform图3 等效方波 Fig.4 Spectrum of equivalent square wave图4 等效方波频谱1240第 10 期李进玺等:SGEMP等效脉冲电流注入波形研究当等效波形与目标波形的峰值、上升时间相近时,等效方波及其频谱如图 3、图 4 所示,比较图 2 和图 4 可以看出,两脉冲的频率主要集中在 10 MHz 以下,等效方波与源波形频谱分量相似程度很高。当等效波形与目标波形的峰值、能量作用方根相近时,图 5 给出了等效波形与目
13、标波形的比较,表 1 给出了等效波形与目标波形特征参数的比较。当等效波形与目标波形的峰值、整流总脉冲相近时,图 6 给出了等效波形与目标波形的比较,表 2 给出了等效波形与目标波形特征参数的比较。2.2 低阻状态线缆响应波形等效当线缆两端负载 R=10 k,其受 X 射线辐照时,负载响应电流的典型波形6如图 7 所示,波形类似于高斯脉冲,图 8 为其对应的频谱波形。当等效波形与目标波形的峰值、上升时间相近时,等效方波及其频谱如图 9、图 10 所示,比较图 8 和图 10 可以看出,两脉冲的频率主要集中在 10 MHz 以下,等效方波与源波形频谱分量相似程度很高。当等效波形与目标波形的峰值、能
14、量作用方根相近时,图 11 给出了等效波形与目标波形的比较,表 3 给出了等效方波与目标波形特征参数的比较。Fig.7 Current waveform of the wire at R=10 k图7 R=10 k时线缆两端的电流波形 Fig.8 Current spectrum waveform of the wire at R=10 k图8 R=10 k时线缆两端的电流频谱波形Fig.5 Comparison of equivalent square wave with source waveform图5 等效方波与源波形的比较Fig.6 Comparison of equivalent
15、square wave with source waveform图6 等效方波与源波形的比较表1 源波形与等效波形特征参数的比较Table1 Comparison of characteristic parameters of source waveform and equivalent waveformsourcesquarepeak/A1.2751.275tr/ns19.06619.065tFWHM/ns157.261139.290maximum change rate/(As-1)6.7281075.351107charge/(As)2.76210-71.77610-7energy(A2
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