强电磁脉冲对带分布阵列孔缝机箱的毁伤效应研究

论文摘要

现代战争条件下,电子战的对抗与反对抗日趋激烈,强电磁脉冲技术经过数十年的发展,已渐趋成熟。电磁脉冲可通过核爆炸、雷电、高功率微波炸弹、电磁脉冲弹等方法产生,由于它对电子设备中晶体管、集成电路、电阻及电容、滤波器、继电器等电子元器件的毁伤特性,电磁脉冲弹成为了现在化信息战的杀手锏武器。电磁脉冲的耦合途径有“前门耦合”与“后门耦合”。一般情况下,通过“前门”耦合的能量容易被各种系统保护器件隔断,而失去对目标杀伤的作用。屏蔽箱体上都开有一些必不可少的孔缝,用作电源线的连接,通风散热,信息传输等。强电磁脉冲通过这些孔缝将严重干扰电子设备的正常工作,甚至可能烧毁电子器件。本文的主要研究内容是强电磁脉冲对带阵列分布孔缝机箱的毁伤效应研究。本文运用XFDTD软件仿真面积相同的不同阵列分布的孔缝、不同孔缝个数、不同上升时间、不同孔缝厚度、孔中心距以及孔阵偏移对箱体中心及孔中心场强的影响；通过仿真得出如下结论：在不影响箱体的屏蔽效能时,可以考虑按相邻孔中心连线呈正多边形同向分布的孔阵代替孔缝,这样开孔还避免了在箱体上开孔过大而影响箱体的结构强度。如果需要大幅度降低电磁脉冲的孔缝耦合能量,则将孔阵按垂直方向对称布置,此时箱体中心及孔中心最大场强与孔阵个数成对数关系。当屏蔽腔体的散热与电磁屏蔽问题存在矛盾时,最有效的方法是增加开孔面的厚度,同时增大孔的最大尺寸。孔阵在水平和垂直方向分别偏移时,箱体中心最大场强与偏移量成三次方变化,且关于偏移中心对称。在箱体上开孔时采用圆形孔与矩形孔混合使用的孔阵比单独孔型的孔阵屏蔽效果要好得多。在时域内主要研究了高斯脉冲耦合进机箱内部在PCB处的功率密度及能量对PCB的毁伤效应等。通过仿真分析得到了不同入射场强对最大功率密度值的影响规律,不同上升时间在不同毁伤情况时的临界最小入射场强研究了任意上升时间入射场强与耦合到箱体内部场强的关系,并推出了相关计算公式,在很大范围内都能将误差控制在2%以内。除此之外,还研究了入射场强方向对耦合进箱体内部场强的影响规律,并深入研究了机箱内部PCB板上的半导体元器件在电磁耦合时产生的能量毁伤研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 强电磁脉冲武器的国内外发展现状
• 1.4 国内外电磁脉冲后门耦合效应研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 电磁环境及强电磁耦合作用机理
• 2.1 引言
• 2.2 高功率超宽带电磁环境
• 2.3 电磁屏蔽原理简介
• 2.4 强电磁脉冲的作用效应及毁伤机理
• 2.4.1 强电磁脉冲在电子设备上的耦合作用与热电击穿效应
• 2.4.2 强电磁脉冲对计算机系统作用的宏观失效分析
• 2.4.3 强电磁脉冲作用下的半导体器件毁伤
• 2.5 本章总结
• 3 电磁仿真软件介绍
• 3.1 引言
• 3.2 时域有限差分法理论基础
• 3.2.1 麦克斯韦方程组
• 3.2.2 坡印廷矢量
• 3.2.3 波动方程
• 3.3 激励源的选取
• 3.4 时域有限差分法的Yee氏网格
• 3.5 时域有限差分法的数值计算稳定条件
• 3.6 时域有限差分法的吸收边界条件
• 3.7 本章小结
• 4 强电磁脉冲孔阵耦合效应研究
• 4.1 引言
• 4.2 仿真模型的建立
• 4.3 屏蔽体上孔阵的耦合效应时域分析
• 4.3.1 不同孔阵个数对箱体中心的场强影响
• 4.3.2 不同孔缝厚度对箱体中心场强的影响
• 4.3.3 孔中心间距对箱体中心最大场强分贝的影响规律
• 4.3.4 不同上升时间对箱体中心场强变化的影响
• 4.3.5 上升时间对箱体中心最大场强分贝及最大功率密度的影响
• 4.4 不同孔数及上升时间对孔缝耦合影响的时域分析
• 4.4.1 不同孔缝个数对孔缝中心场强的影响
• 4.4.2 不同上升时间对孔缝中心场强的影响
• 4.5 不同对称排列的孔阵对孔缝耦合的影响
• 4.6 位置偏移对孔阵耦合的影响
• 4.7 不同孔型的混合孔阵的耦合效应时域分析
• 4.8 本章小结
• 5 强电磁脉冲对计算机的毁伤效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 机箱内PCB板上易损件处的功率密度
• 5.2.1 主板上关键部位的功率密度
• 5.2.2 不同入射场强时最大功率密度的变化
• 5.2.3 任意上升时间对最大功率密度的影响
• 5.2.4 场强入射方向对最大功率密度的影响
• 5.3 半导体器件的能量毁伤
• 5.3.1 强电磁脉冲对MOS器件的毁伤
• 5.3.2 强电磁脉冲对二极管器件的毁伤
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 6.1 本文主要研究内容
• 6.2 本文不足及改进之处
• 致谢
• 参考文献