第1章 引言
1.1 现代社会对电子系统的依赖
当今社会越来越依赖基于半导体技术的各种电子系统。现代电子技术发展的规模与速度都是史无前例的。
然而，随着电子技术复杂性的提高，电子系统功能的可靠性和安全性必将面临新的风险。本书中详细描述的一个风险因素是高功率电磁（high-power electromagnetic，HPEM）环境及其对电子系统的效应。
1.2 HPEM环境综述
HPEM环境包括自然的和人造的各种电磁现象。雷电是自然发生的电磁现象，而核电磁脉冲（nuclear electromagnetic pulse，NEMP）、高功率射频（high-power radio frequency，HPRF）（包括射频广播、雷达、高功率射频定向能（high-power radio frequency directed energy，HPRF DE）和蓄意电磁干扰（intentional electromagnetic interference，IEMI）都是人造的电磁现象。电磁波谱见图1.1。
图1.1 电磁波谱本书重点关注的是从几赫兹到几十吉赫兹电磁波谱低端区域的 HPEM现象，即射频（radio frequency，RF）波和微波①。电磁波谱低端区域的电磁波没有足够的能量引起电离，因此称为非电离辐射。
HPEM环境可以被认为是一个强电磁现象集合，强到能够在电力电子系统中引起电磁干扰。国际电工委员会将电磁干扰 [1]定义为能够导致器件、传输通道或系统性能降级的某种电磁骚扰。
现今，人们对 HPEM环境的技术含义和特性已经有了更深的理解，并对各种 HPEM环境的频谱进行了分析，给出了基于频谱的 HPEM环境分类方法 [2]，见图 1.2。这种分类方法由 Giri和 Kaelin在 1996年提出并且经过多次修订，在后续章节中将做更详细的阐述。
图 1.2 HEMP、LEMP和 HPRF DE/IEMI波形频谱
LEMP为雷电电磁脉冲； EMI/EMC为电磁干扰/电磁兼容；E1 HEMP为高空电磁脉冲一期；EME为电磁环境
系统的物理尺寸会影响 HPEM环境与系统的相互作用，从而造成不同的电磁干扰和效应。HPEM环境与电子器件、电路、设备和系统之间的电磁耦合与频率密切相关，是频率的函数。通常，大范围互连的网络和基础设施主要受 HPEM环境的低频成分（约 100MHz以下）影响；而与外界隔离的电子设备，只要不和基础设施相连接，主要受几百兆赫兹以上的高频 HPEM环境影响。原因在于效应过程取决于电磁耦合，而电磁耦合取决于波长。该内容将在后续章节中详细介绍。
① GJB 72A—2002规定：射频在电磁频谱中介于音频和红外线之间，是用于无线电发射的频率。目前应用的射频范围是 9kHz～3THz。我国将分米波、厘米波和毫米波称为微波，频率范围是 300MHz～300GHz。可见射频的频率范围包括微波。——译者
1.3 HPEM效应综述
HPEM环境对电子器件、设备或系统造成的效应或影响，可分为自然的、偶然的和有目的的三种情形。HPRF DE或 IEMI发生器所产生的 HPEM环境往往是精心设计的，目的就是故意造成电子系统的失灵、中断或损伤。一般来说，术语 HPRF DE与脉冲功率技术的军事应用有关，而 IEMI往往是非军事的恶意行为。这些环境会影响军事装备和民用基础设施的正常运行。
研究人员已经系统地研究了 HPEM环境导致的失灵、中断和损伤效应。要实现 HPEM效应的表征和量化，需要对 HPEM环境与系统之间的电磁耦合及相互作用做深入的研究。特定系统的效应表征量可能是一个变动范围很大的量，这是因为 HPEM效应对许多变量非常敏感。良好的实验以及建模和分析对于减小效应表征量中的不确定度至关重要。尽管如此，在评估 HPEM效应时仍需要进行大量的判断或解释。一旦理解了效应机理，那么下一个目标就是通过电磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）设计或电磁加固、防护或弹性恢复方案，降低系统对 HPEM环境的敏感性，从而减小高功率电磁的风险或危害。
1.4 电磁干扰及其影响简史
19世纪 90年代末马可尼进行第一次无线电通信实验，人们就知道了存在无线电干扰现象。然而，关于无线电干扰的技术论文直到 20世纪 20年代才出现 [3]，这与无线电发射机和接收机的发展速度一致。无线电干扰在很大程度上是一个同信道干扰问题（即一个无线电台干扰另一个无线电台的接收），原因在于这段时间还没有建立关于无线电频带限制的法律法规。
在此期间，其他自然电磁现象也造成了无线电干扰问题。自然干扰源的例子有雷电（直接和间接效应，有时称为雷电电磁脉冲（lightening electromagnetic pulse，LEMP）、静电放电（electrostatic discharge，ESD））和沉淀静电（precipitation static，P-static）。
20世纪 30年代，来自电机、电气铁路和电子标牌等电气设备的无线电干扰开始对无线电信号接收造成严重影响。这些电气设备可以称为发射源，或者更具体地称为无意干扰源，因为它们引起的无线电干扰不是其主要功能的一部分。这种干扰是开关电弧产生的谐波或谐振电路中的自激振荡等二次效应引起的。
由于世界贸易需要在电磁干扰管理方面开展国际合作，1906年成立了两个标准委员会，即国际电工委员会（IEC）和国际无线电干扰特别委员会（International Special Committee on Radio Interference，CISPR）。
然而，随着双极晶体管（20世纪 50年代）、集成电路（20世纪 60年代）和微处理器芯片（20世纪70年代）等高密度电子元器件的相继出现，电磁干扰问题变得愈加严重。这一时期，军事方面的考虑和需求极大地推动了电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）保护和缓解技术的发展，并统称为电磁兼容技术[4]。
半导体的广泛应用标志着电磁干扰和电磁效应的发展进入了一个新的阶段。电子电路不仅能够产生高幅度的电磁干扰，而且非接收器的电子电路也会受到电磁干扰的影响。绝大多数电磁干扰不是 HPEM环境引起的，而是来自邻近或配套系统的温和而非故意的电磁干扰。然而，随着高功率电磁环境产生技术的发展，特别是雷达的发展，高功率电磁效应开始出现。
两个非常重要的历史事件证明了 HPEM对现代电子系统的影响，一个是美国 Forrestal航空母舰的案例 [5]；另一个是 1962年美国进行的 Starfish高空核爆炸试验[6]的案例。此处提供这两个案例的概要，更多细节和案例可在文献[7]中获得。
案例1：1967年，在越南海岸外，一架海军喷气式飞机降落在美国 Forrestal航空母舰上，在未经命令的情况下释放了弹药，击中了甲板上一架全副武装并正在加油的战斗机，导致战斗机爆炸， 134名水手丧生，航空母舰和飞机严重受损。这次事故是着陆飞机被舰载雷达辐照引起的，雷达产生的电磁干扰向飞机发送了一个错误的信号。调查显示，飞机上的屏蔽终端退化，雷达信号触发了固定操作程序。此次事件的结果是，对系统级 EMC标准进行了修订，对电爆炸装置做了特别的要求。
案例2：1962年 7月 8日夜间，TNT当量约为 1MT的 Starfish核装置在约翰斯顿环礁上空约 400km处被引爆。从爆炸点到夏威夷瓦胡岛（Oahu）的视线距离约为 1400km。瓦胡岛的人们发现：无线电接收器的输入电路出现问题；一架装有拖曳式天线的飞机上，电涌放电器被意外触发，30盏电灯同时失灵。
Forrestal航空母舰的灾难是一场严重的悲剧。但是有一点必须指出， HPEM环境与设备的相互作用不会留下任何物理证据，这进一步导致对 Forrestal航空母舰事故实际原因调查的延迟和怀疑。尽管如此，这些事件促使军方和民间机构开始关注 HPEM效应及其缓解技术，并建立了相应的标准和测试规范以解决这些问题。
1.5 体系层级
毫无疑问，以电子学为基础的技术已经渗透到现代社会的各个层面，从整体复杂的基础设施（如电子银行）到个人手持电子设备（如手机）。
图1.3中提出了一个贯穿本书的体系（系统的系统）层级结构。该层级结构对于理解耦合和 HPEM效应非常重要。
图1.3 体系层级结构
下面介绍每个层级的特性。
1）器件
器件是任意有源模拟或数字电子元器件。为了使电子元器件发挥作用，必须将其安装到一个电路中，这个电路至少能向该器件提供电源，可能还需提供输入和输出端口。器件通常是系统中实际发生 HPEM效应的点。由于必须复制电路的重要组成部分，在器件级进行 HPEM效应测试难度较大。
2）电路
电路是实现特定功能的一组电子元器件的集合。器件可以是模拟的或数字的，而电路通常同时包含这两种类型的器件。尽管电路级 HPEM效应测试已经开展很久，但在电路级进行 HPEM效应评估仍然难以做到完全客观，其中仍包含较大的主观性。
3）设备
设备可视为由众多电子元器件构成封装在一个腔体内的电路集合，并带有电缆端口。大多数 HPEM效应试验基于设备样品。通常，设备必须通过有线或无线方式连接到系统，以充分实现其功能。在设备级开展 HPEM效应评估工作通常可行性昀强。
4）系统
系统是可以实现某个功能的多设备的集合，并有明确的边界。系统级 HPEM效应评估通常是昀不抽象的，但是它们实际上很难实施，因为若系统的尺寸较大，可能需要大型且昂贵的试验平台。
在图 1.3中，矩形虚线轮廓区域表示大型装备平台的边界。装备平台通常是一个包含设备、系统或小型网络（如办公楼、数据中心或其他物理结构）的集合。在图 1.3的层级结构中，装备平台可视为无源单元，因为它不会直接受到 HPEM效应的影响。然而，它可以通过衰减或耦合改变 HPEM环境的传播过程。
5）网络
网络由相互连接的系统组成，这些系统可以是有线的，也可以是无线的。实践中，对整个网络进行 HPEM效应试验是不现实的，更实际的做法是对组成网络的系统和设备单独进行测试，然后模拟激励网络的效应。
6）基础设施
基础设施是一个庞大的（几十公里）互联网络，并履行一些重要的功能。基础设施包含上述许多单元，其中一些单元可能只存在一段时间。当基础设施执行一些至关重要的功能时，如在大都市地区配电，它被称为关键基础设施（critical infrastructure，CI）。在基础设施层级进行 HPEM效应试验一般是非常不切实际的。
在器件层级中，人们可以把微处理器和微控制器等核心器件看作电子系统的电子芯片或大脑。这些器件和其他设备支撑了层级结构的功能，直至昀高的基础设施层级。昀近，有一种趋势是使用电缆、光纤或者无线方式将器件、设备和系统连接或联网在一起，以实现类似于基础设施的功能。
图1.4以图解方式显示了图 1.2中每种 HPEM环境的波长如何映射到图 1.3中的体系层级结构。
基础设施对社会的重要性体现在“关键国家基础设施”（critical national infrastructure，CNI）这一术语中。CNI的范围大体上需要在国家或国土层面上定义。其中一个定义是国家运转和提供日常生活所依赖的基本服务所必需的装备、系统、场所和网络 [8]。国家信息中心可分为以下部门：通信部门、应急服务部门、能源部门、金融服务部门、食物部门、健康卫生部门、运输部门、水务部门。
不可避免，上述部门越来越依赖于电子技术的进步。事实上，社会对基
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