一種新型電磁能量選擇表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

高 揚(yáng)，陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

故意電磁干擾(IEMI)是指人為的、有針對(duì)性的對(duì)電子設(shè)備造成的各種干擾.1999年2月，在蘇黎世EMC研討會(huì)上對(duì)IEMI進(jìn)行了定義和研究，同年8月國(guó)際無線電科學(xué)家聯(lián)盟(URSI)在一次特別會(huì)議正式對(duì)IEMI的概念、方式以及可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行了討論，有關(guān)這些方面的研究開始引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1].

故意電磁干擾有許多手段，其中最具破壞力的方式是高功率微波(HPM)和電磁脈沖(EMP)武器產(chǎn)生的高能電磁脈沖.高能脈沖可以與電子設(shè)備耦合，通過前門(如天線和傳感器)和后門(如通風(fēng)口開關(guān)，電纜)激發(fā)破壞性電流對(duì)電子設(shè)備的元件進(jìn)行攻擊.一般應(yīng)對(duì)此類干擾的方法是使用導(dǎo)電金屬外殼將設(shè)備與外界隔離，但是大多數(shù)的電子和電氣設(shè)備都有諸如天線端口、通風(fēng)口等與外界相連的部分，完全隔離難度較大.文獻(xiàn)[2]提出一種等離子限幅器的優(yōu)化思路，引入氣體擊穿方程對(duì)限幅器進(jìn)行建模，分析了等離子體限幅器的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響；文獻(xiàn)[3]提出一種限制頻率選擇表面(LFSS)結(jié)構(gòu)，通過在十字孔形頻率選擇表面(FSS)的交叉點(diǎn)上加載4個(gè)PIN二極管以限制S波段的傳輸功率；文獻(xiàn)[4]提出一種能量敏感帶通濾波器(ESBPF)，即在平面帶通濾波器的縫隙諧振腔頂部中心加載反平行肖特基勢(shì)壘二極管，使得其在高功率電磁脈沖下不會(huì)喪失帶通特性，同時(shí)將兩個(gè)ESBPF級(jí)聯(lián)形成雙層結(jié)構(gòu)來提高最大防護(hù)功率；文獻(xiàn)[5]提出一種基于電磁能量選擇表面(ESS)的新防護(hù)手段，該ESS結(jié)構(gòu)為非常密集的二極管陣列，高功率電磁脈沖作用于ESS時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)使得二極管導(dǎo)通，表面波阻抗會(huì)迅速降低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率電磁脈沖的防護(hù).

本文提出了一種新型的ESS結(jié)構(gòu)，單元由十字形貼片與在其四臂加載的矩形金屬枝節(jié)構(gòu)成，并在單元間加載PIN二極管，構(gòu)成一種能量與頻率雙重選擇的表面結(jié)構(gòu).當(dāng)沒有高功率電磁脈沖干擾時(shí)，該表面工作于透波模式，單元枝節(jié)形成的二維陣列結(jié)構(gòu)會(huì)在高頻產(chǎn)生透射共振，使得表面不僅在低頻有一工作頻帶，在高頻也有一頻帶供信號(hào)通過，此時(shí)該表面為一種FSS，有效屏蔽帶外信號(hào)，當(dāng)高功率脈沖作用于表面時(shí)會(huì)自適應(yīng)開啟防護(hù)模式，屏蔽電磁波.本文分析了能量選擇防護(hù)的原理，并對(duì)ESS進(jìn)行了仿真測(cè)試與參數(shù)分析.仿真結(jié)果表明，該ESS在防護(hù)模式下的-20 dB帶寬可達(dá)3.4 GHz，透射模式下有兩個(gè)頻帶，低頻部分的-3 dB帶寬可以達(dá)到1.3 GHz(0 GHz～1.3 GHz)，此外，在5.36 GHz有一諧振點(diǎn)，-3 dB帶寬可達(dá)150 MHz.

1 能量選擇表面原理及防護(hù)機(jī)制

一般的電磁防護(hù)設(shè)備使用的是金屬屏蔽，但是這種方法在屏蔽空間中電磁波的同時(shí)也阻止了工作信號(hào)的傳輸，不能在通信設(shè)備上使用.因此，需要引入一種選擇機(jī)制，在屏蔽高功率電磁波的同時(shí)可以使工作信號(hào)正常通過.當(dāng)輸入工作信號(hào)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)等效阻抗為無窮大，不會(huì)影響正常的信號(hào)收發(fā)；當(dāng)輸入高功率脈沖時(shí)，網(wǎng)絡(luò)等效阻抗變得很小，從而屏蔽電磁波.ESS的傳輸系數(shù)T可以表示為

T=2ZESS/(2ZESS+Zo),(1)

式中：Zo為空氣中的波阻抗；ZESS為ESS平面的表面阻抗，可以寫為入射場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)f=f(ZESS)，當(dāng)入射場(chǎng)強(qiáng)很小時(shí)，ZESS無窮大，此時(shí)傳輸系數(shù)T為1，工作信號(hào)可以無消耗通過，當(dāng)入射場(chǎng)強(qiáng)超過一定的閾值時(shí)，ZESS迅速減小，使得傳輸系數(shù)T變得很小，電磁波急劇衰減[6].

基于壓控導(dǎo)電的ESS結(jié)構(gòu)利用強(qiáng)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流導(dǎo)通二極管，從而改變平面的波阻抗[7].在正常情況下，空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于ESS的防護(hù)閾值，PIN二極管兩端的感應(yīng)電壓小于導(dǎo)通的門限，二極管截止，此時(shí)工作信號(hào)可以正常通過；當(dāng)高功率微波輻照ESS時(shí)，PIN二極管兩邊的感應(yīng)電壓超過門限使得二極管導(dǎo)通，表面形成金屬網(wǎng)格或柵格結(jié)構(gòu)，屏蔽電磁波[8].在實(shí)際情況下，二極管并不需要采用反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦吖β饰⒉ǖ闹芷谶h(yuǎn)小于二極管導(dǎo)通的截止時(shí)間，當(dāng)電磁波進(jìn)入負(fù)向峰值時(shí)，PIN二極管不會(huì)立即從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)，因此，在高功率微波作用下ESS會(huì)一直處于防護(hù)模式[9].

2 能量選擇表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的ESS結(jié)構(gòu)如圖1 所示，ESS由周期性的金屬貼片單元和單元間的二極管組成，金屬貼片分為中間十字形結(jié)構(gòu)與其四臂的金屬枝節(jié).十字形結(jié)構(gòu)的周期d1=4 mm，金屬條寬度w1=0.4 mm，二極管長(zhǎng)度d3=1 mm，單元間距離w2=1 mm，結(jié)構(gòu)放置于介電常數(shù)為3.48的介質(zhì)板上，介質(zhì)板厚度t=0.5 mm.

圖1 能量選擇表面結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of ESS

當(dāng)垂直極化的電磁波作用于表面時(shí)，會(huì)在表面激起感應(yīng)電場(chǎng)，根據(jù)入射波的強(qiáng)度，ESS會(huì)在透波模式和防護(hù)模式中切換：當(dāng)表面通過正常信號(hào)時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓小于二極管導(dǎo)通的閾值，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，單元結(jié)構(gòu)的枝節(jié)形成具有很窄狹縫的二維陣列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)在特定的入射波長(zhǎng)下產(chǎn)生共振，從而使得該表面在高頻有一個(gè)頻帶供信號(hào)通過；當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖作用于表面時(shí)，在表面產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會(huì)使二極管導(dǎo)通，金屬單元被導(dǎo)通的二極管連接，從而使相鄰單元形成金屬網(wǎng)格柵格結(jié)構(gòu)，表面波阻抗迅速降低，屏蔽電磁波.

3 仿真與參數(shù)分析

本節(jié)主要對(duì)ESS結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真并進(jìn)行參數(shù)分析.根據(jù)Floque理論[10]，無窮大的周期陣列可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單元進(jìn)行研究.仿真的思路是將二極管在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下的特性用等效電路來代替，從而模擬在正常信號(hào)和高功率脈沖作用于表面時(shí)ESS的電磁特性.由于在實(shí)際情況下，二極管在截止與導(dǎo)通時(shí)的特性并不能完全等效為理想開關(guān)，故在仿真時(shí)二極管用等效電路代替，二極管型號(hào)為BAP6402，二極管截止時(shí)可等效為一個(gè)電容，Cd= 0.14 pF，二極管導(dǎo)通時(shí)可等效為電感和電阻串聯(lián)，電感Ld=0.8 nH，電阻Rd=1.5 Ω，仿真結(jié)果如圖2 所示.由圖可以看出該新型ESS與經(jīng)典十字形ESS相比，在透波模式下除了在低頻有一頻帶供信號(hào)通過，工作帶寬為 0 GHz～1.3 GHz，同時(shí)在5.36 GHz處會(huì)發(fā)生透射諧振，其產(chǎn)生的通帶可供高頻信號(hào)通過，工作帶寬為5.28 GHz～5.43 GHz；防護(hù)模式下的防護(hù)帶寬提高至 3.4 GHz.

(a) 透波模式

圖3 為周期大小對(duì)ESS性能的影響，可以看出單元周期的大小會(huì)同時(shí)對(duì)防護(hù)模式下的帶寬以及透波模式下的諧振頻率產(chǎn)生影響，其中當(dāng)周期d1由3 mm提高到5 mm時(shí)其在防護(hù)模式下的帶寬由d1=3 mm時(shí)的4.37 GHz降低至d1=5 mm時(shí)的2.74 GHz，透波模式下的諧振頻率由d1=3 mm 時(shí)的6.6 GHz下降至d1=5 mm時(shí)的4.75 GHz.由上節(jié)分析可知，ESS主要由二極管導(dǎo)通后所形成的金屬網(wǎng)格和長(zhǎng)縫結(jié)構(gòu)降低表面波阻抗實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，而改變周期大小則會(huì)改變其在防護(hù)模式下金屬網(wǎng)格的大小與長(zhǎng)縫的數(shù)量.當(dāng)周期變大時(shí)網(wǎng)格的密度變小，長(zhǎng)縫的條數(shù)也變小，屏蔽效能下降，而透波模式下FSS的諧振頻率也與枝節(jié)的長(zhǎng)度有關(guān)，故選取不同的周期大小會(huì)得到不同的防護(hù)帶寬以及諧振頻率.

(a) 防護(hù)模式

圖4 所示為單元間縫隙寬度w2對(duì)ESS性能的影響，由圖可知在縫隙寬度w2由0.6 mm增加到1.4 mm的過程中，透波模式下的諧振頻率變化很小，防護(hù)模式下帶寬由3.76 GHz降低到2.81 GHz.可以看出縫隙寬度w2的增加在透波模式下對(duì)高頻諧振頻率的影響較小，但在防護(hù)模式下寬度越高防護(hù)帶寬越低.考慮工藝的限制，要合理選取w2的大小保證其在實(shí)際加工過程中不會(huì)產(chǎn)生較大誤差.

(a) 防護(hù)模式

圖5 所示為垂直臂d2的大小對(duì)ESS性能的影響，由圖可知在d2由3 mm增大到5 mm時(shí)，其在防護(hù)模式下帶寬變化很小，而在透波模式下諧振頻率則由6.1 GHz下降到5.08 GHz，這也說明了該ESS在二極管防護(hù)模式的防護(hù)特性主要由單元間縫隙寬度決定，而在透波模式下的諧振頻率主要由金屬枝節(jié)長(zhǎng)度決定.

(a) 防護(hù)模式

4 結(jié) 論

基于半導(dǎo)體器件的壓控導(dǎo)電特性與FSS的頻率選擇特性，本文提出了一種新型ESS結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)在十字形ESS單元結(jié)構(gòu)上做了改進(jìn)，使得該平面在入射波功率超過閾值時(shí)會(huì)有更高的屏蔽帶寬，而入射波功率小于閾值時(shí)該平面有頻率選擇特性，在高頻產(chǎn)生透波諧振.由S參數(shù)圖可以看出，當(dāng)ESS處于透射模式時(shí)，低頻部分的頻帶寬度為1.3 GHz，高頻部分的諧振頻率為5.36 GHz，頻帶寬度為150 MHz；當(dāng)ESS處于防護(hù)模式時(shí)，-20 dB帶寬可達(dá)到3.4 GHz.仿真結(jié)果表明，ESS對(duì)頻段內(nèi)的工作信號(hào)呈帶通特性，對(duì)高功率電磁波和帶外信號(hào)呈帶阻特性，在兼容高功率電磁波與工作信號(hào)正常收發(fā)的同時(shí)，屏蔽帶外信號(hào)，提高電磁設(shè)備的工作效率與安全性.