高功率电磁脉冲与电子系统相互作用理论与数值模拟方法研究

Due to the fast development of high power electromagnetic pulse (HPEMP) sources and the wide application of electronic systems in the economics and national defense fields, the interaction of external HPEMPs with electronic systems is becoming an increasing important topic. Because the interaction of HPEMPs with electronic systems is transient, complicated, stochastic, and nonlinear, it is difficult to solve this problem by using numerical simulation methods or experiments only. Surrounding the interaction of HPEMPs with electronic systems, this research subject does a deep and systematic research on the theoretical and numerical methods in the HPEMP effects on the system level. The research mainly includes: 1) the description and modeling of the randomness of the wires and subsystems inside electronic systems and the effect of the randomness on the coupling; 2) the equivalent transmission line models of complicated-type lines (twisted wires) and the equivalent SPICE models of external fields' coupling to these lines; 3) transmission line models of complicated-wiring lines and the study of their coupling with external fields; 4) providing the effects of above factors on the coupling with systems by using the transient electromagnetic topology; 5) experimental validation of the proposed models. This subject will accelerate the study of HPEMP effects on electronic systems greatly and can provide technical supports for the evaluation and protection of HPEMP interaction with electronic systems, which has a broad application prospect.

高功率电磁脉冲(HPEMP)源技术的快速发展和电子系统在经济和国防领域中的广泛使用，使得外部HPEMP与电子系统相互作用成为日益重要的研究课题。由于HPEMP与电子系统相互作用具有瞬态性、复杂性、随机性和非线性等特点，单独采用数值模拟方法和实验方法都难以解决。本课题围绕HPEMP与电子系统相互作用，开展系统级效应方面的系统深入的理论和数值模拟研究。研究内容主要包括:1)电子系统内线缆和子系统布放典型随机性的建模和描述以及对耦合的影响;2)复杂传输线类型（双绞线）的等效传输线模型和外场与它耦合的SPICE等效电路模型;3)布线结构复杂传输线的传输线模型及耦合研究;4)并结合电磁拓扑方法给出这些因素对系统级耦合的影响;5)最后进行实验验证。本课题将对电子系统HPEMP效应研究起很大的促进作用，为HPEMP与电子系统相互作用的评估和防护提供技术支持，具有广泛的应用前景。

高功率电磁脉冲（HPEMP）源技术的快速发展和电子系统在经济和国防领域中的广泛使用，使得外部HPEMP与电子系统相互作用成为日益重要的研究课题。HPEMP可以通过“前门”或“后门”耦合在内部半导体器件或集成电路端口上产生感应高电压或大电流，从而干扰或损伤电子系统。由于HPEMP与电子系统相互作用具有瞬态性、复杂性、随机性和非线性等特点，单独采用数值模拟方法和实验方法都难以解决。瞬态电磁拓扑方法是解决HPEMP与电子系统相互作用的一个有效方法。它可以满足相互作用中的瞬态性和非线性要求，然而目前的瞬态电磁拓扑方法只适用于均匀传输线，不能满足相互作用中的复杂性和随机性要求。.由于电子系统HPEMP效应的重要性以及现有方法的不足，本课题围绕HPEMP与电子系统相互作用，开展了系统级效应方面的深入系统的理论和数值模拟研究，建立了电子系统内线缆随机布放的典型模型，给出了外场与随机平移和随机转动传输线耦合均值的快速计算方法，建立了外场与双绞线传输线的等效传输线模型及相应SPICE等效电路模型，给出了外场与非均匀传输线耦合的分段均匀近似技术，建立了外场与不同参考面上的互联传输线的耦合模型，在此基础上，拓展了瞬态电磁拓扑方法，完成了瞬态电磁拓扑方法的编制，设计相应模型和方法的验证实验，通过与实验或其他方法的结果进行对比，有效验证了建立模型的有效性。.通过课题深入系统地研究，拓展后的瞬态电磁拓扑方法不仅包含了场与典型随机传输线的耦合模型，而且包含了场与非均匀传输线、双绞线等复杂传输线类型的耦合模型，有效地解决了HPEMP与电子系统相互作用中的复杂性和随机性问题。综上，本课题为HPEMP与电子系统相互作用建立了一套有效的理论和方法，为今后电子系统HPEMP效应研究提供了有效地理论和数值分析手段。