一種新型電磁能量選擇表面結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

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、有針對性的對電子設(shè)備造成的各種干擾.1999年2月，在蘇黎世EMC研討會上對IEMI進(jìn)行了定義和研究，同年8月國際無線電科學(xué)家聯(lián)盟(URSI)在一次特別會議正式對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)破壞性電流對電子設(shè)備的元件進(jìn)行攻擊.一般應(yīng)對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限幅器進(jìn)行建模，分析了等離子體限幅器的設(shè)計參數(shù)對性能的影響；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壘二極管，使得其在高功率電磁脈沖下不會喪失帶通特性，同時將兩個ESBPF級聯(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時產(chǎn)生的感應(yīng)電場使得二極管導(dǎo)通，表面波阻抗會迅速降低，從而實(shí)現(xiàn)對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，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通過，此時該表面為一種FSS，有效屏蔽帶外信號，當(dāng)高功率脈沖作用于表面時會自適應(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ESS進(jìn)行了仿真測試與參數(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也阻止了工作信號的傳輸，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可以使工作信號正常通過.當(dāng)輸入工作信號時，網(wǎng)絡(luò)等效阻抗為無窮大，不會影響正常的信號收發(fā)；當(dāng)輸入高功率脈沖時，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，可以寫為入射場強(qiáng)的函數(shù)f=f(ZESS)，當(dāng)入射場強(qiáng)很小時，ZESS無窮大，此時傳輸系數(shù)T為1，工作信號可以無消耗通過，當(dāng)入射場強(qiáng)超過一定的閾值時，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，此時工作信號可以正常通過；當(dāng)高功率微波輻照ESS時，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)，因為高功率微波的周期遠(yuǎn)小于二極管導(dǎo)通的截止時間，當(dāng)電磁波進(jìn)入負(fù)向峰值時，PIN二極管不會立即從導(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會一直處于防護(hù)模式[9].

2 能量選擇表面結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，會在表面激起感應(yīng)電場，根據(jù)入射波的強(qiáng)度，ESS會在透波模式和防護(hù)模式中切換：當(dāng)表面通過正常信號時，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)會在特定的入射波長下產(chǎn)生共振，從而使得該表面在高頻有一個頻帶供信號通過；當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖作用于表面時，在表面產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會使二極管導(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化為一個單元進(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和高功率脈沖作用于表面時ESS的電磁特性.由于在實(shí)際情況下，二極管在截止與導(dǎo)通時的特性并不能完全等效為理想開關(guān)，故在仿真時二極管用等效電路代替，二極管型號為BAP6402，二極管截止時可等效為一個電容，Cd= 0.14 pF，二極管導(dǎo)通時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通過，工作帶寬為 0 GHz～1.3 GHz，同時在5.36 GHz處會發(fā)生透射諧振，其產(chǎn)生的通帶可供高頻信號通過，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ESS性能的影響，可以看出單元周期的大小會同時對防護(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時其在防護(hù)模式下的帶寬由d1=3 mm時的4.37 GHz降低至d1=5 mm時的2.74 GHz，透波模式下的諧振頻率由d1=3 mm 時的6.6 GHz下降至d1=5 mm時的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改變其在防護(hù)模式下金屬網(wǎng)格的大小與長縫的數(shù)量.當(dāng)周期變大時網(wǎng)格的密度變小，長縫的條數(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)的長度有關(guān)，故選取不同的周期大小會得到不同的防護(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ESS性能的影響，由圖可知在d2由3 mm增大到5 mm時，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會有更高的屏蔽帶寬，而入射波功率小于閾值時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，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，-20 dB帶寬可達(dá)到3.4 GHz.仿真結(jié)果表明，ESS對頻段內(nèi)的工作信號呈帶通特性，對高功率電磁波和帶外信號呈帶阻特性，在兼容高功率電磁波與工作信號正常收發(fā)的同時，屏蔽帶外信號，提高電磁設(shè)備的工作效率與安全性.