CN112117546B

CN112117546B - C波段超宽带能量选择表面

Info

Publication number: CN112117546B
Application number: CN202010977546.8A
Authority: CN
Inventors: 虎宁; 孙纪伟; 张继宏; 田涛; 刘晨曦; 查淞; 刘培国
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2040-09-17
Also published as: CN112117546A

Abstract

为了使电子系统免受强电磁脉冲威胁，本发明提出了用于强电磁防护的C波段超宽带能量选择表面，包括从下到下依次层叠的第一金属周期结构、第一介质基板、第二金属周期结构、第二介质基板和第三金属周期结构。其中位于正面的第一金属周期结构中和位于背面的第三金属周期结构中均加载PIN二极管。利用多层金属周期结构和PIN二极管，实现了对入射电磁波的频率选择特性和对电磁能量进行感知的能量选择特性。本发明可对任意极化的防护的电磁波进行防护。

Description

C波段超宽带能量选择表面

技术领域

本发明属于电磁防护技术领域，具体地涉及一种工作在C波段的超宽带能量选择表面。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展，各类电子信息设备的集成化、智能化、小型化程度不断提高，其频率日益提升，能耗也日益降低，性能得到了大幅提升，与此同时却大大增加了电子信息设备对强电磁干扰、强电磁攻击的敏感性、易损性。同时，除了自然界存在的强电磁干扰外，人为的强电磁干扰、攻击手段也在日渐成熟，军事、民事领域的敏感设备都面临着更加复杂的强电磁威胁。

目前，针对强电磁威胁的防护手段大多以滤波、屏蔽和接地等“后门”防护手段为主，这些方法从电路设计出发，虽然简易方便，但却增加系统的复杂性和设计难度。而针对“前门”的防护手段研究却不太充足，目前主要是在前端电路中加装大功率限幅器，大功率衰减器虽然可以对流入电路的电流进行大幅衰减，但是其在满足大幅衰减信号的同时又会影响正常信号的通过。另外还有在前端加装滤波器或者频率选择表面(FSS)的手段，虽然可以将带外的大功率信号进行隔离，但是无法根据电磁环境的变化自适应改变自身工作状态，无法对频率在通带内的强电磁脉冲进行有效防护。

能量选择表面是一种针对“前门”的自适应强电磁防护装置，于2009年由国防科学技术大学率先提出公开号为101754668A，公开日为2010年06月23日的发明专利申请——一种电磁能量选择表面装置，其实现了L波段以下的防护。采用PIN二极管代替金属栅格的一部分，组成周期结构。利用PIN二极管在零偏与正偏条件下的巨大阻抗特性差异，通过入射电磁场的强度控制在二极管两端感应的电压大小控制二极管的通断，使防护结构在二极管导通前后一个等效为不连接的金属结构，一个等效为完整的金属屏蔽网，进而产生对入射电磁场的不同传输特性，起到自适应防护的功能。能量选择表面可以在不影响电子设备正常工作的前提下自适应屏蔽强电磁脉冲，其提出和设计对于强电磁脉冲具有重要意义。但是其虽然提出了能量选择表面的概念，能够自适应地根据空间场强改变自身工作状态，对带内强电磁脉冲自适应防护，但其工作频率为L波段，且为低通滤波，无法满足高频段电子系统的防护需求。

2019年，国防科学技术大学申请了公开号为109451718A，公开日为2019 年03月08日的发明专利——一种超宽带能量选择表面，实现了S波段的自适应防护。其方案包括上下两层周期结构，上层为包括两个横向的金属条和3个纵向的金属条，9个二极管加载在纵向金属条的缝隙上，背面为金属网格。二极管不导通时，该装置可以在S波段产生一个信号通带，而当二极管导通时，工作通带自适应转化为阻带，实现了自适应防护。但是其工作频段较窄，且只能进行线极化防护。

此外，上述两个发明专利在防护状态时都存在非工作频段的信号通带，该信号通带可被强电磁波进入，造成潜在风险。

发明内容

为了使电子系统免受强电磁脉冲威胁，本发明提出了一种C波段超宽带能量选择表面，其是一种覆盖C波段的空间自适应的超宽带能量选择表面。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

C波段超宽带能量选择表面，包括从下到下依次层叠的第一金属周期结构、第一介质基板、第二金属周期结构、第二介质基板和第三金属周期结构。其中第一金属周期结构为由多个第一金属单元均匀排列而成周期阵列结构；第二金属周期结构为由多个第二金属单元均匀排列而成周期阵列结构；第三金属周期结构与第一金属周期结构的结构相同，且第三金属周期结构的方向与第一金属周期的方向垂直，第三金属周期结构由第一金属周期结构围绕中心旋转90度得到。对于空间中任意极化的电磁波，都可以分解为方向正交的垂直极化和水平极化的电磁波。本发明在垂直方向和水平方向是旋转对称的，具有极化不敏感性。因此可以实现对任意极化方向电磁波的同等的防护。

作为优选方案，本发明所述第三金属周期结构与第一金属周期结构的结构相同。第一金属周期结构中的第一金属单元为对称结构且整体呈正方形，包括位于第一金属单元四角位置的四块第一金属贴片、位于第一金属单元中间且相隔一定间距的两块第二金属贴片以及焊接在两块第二金属贴片之间的PIN二极管。本发明包括三层金属周期结构且三层金属周期结构之间采用介质基板隔开，其中位于正面的第一金属周期结构中和位于背面的第三金属周期结构中均加载 PIN二极管。本发明是针对任意极化的电磁波的防护装置，可对任意极化的防护的电磁波进行防护。当入射波电场能量较小时，PIN二极管处于零偏状态，表现为工作频段覆盖C波段的空间滤波器，带内插入损耗小于1dB。当外界信号能量超过设计阈值时，PIN二极管处于正偏状态，信号通带关闭，强电磁脉冲被屏蔽，从而保护电子设备。

作为优选方案，所述第二金属贴片靠近PIN二极管的一段具有宽度渐变，靠近PIN二极管的一段其宽度是逐渐变小的。

作为优选方案，第一金属周期结构中同一纵列上的第一金属单元的PIN二极管的排列方向一致，且无需外部馈电，即可根据空间中的感应场强自适应导通/ 关闭。第一金属周期结构中相邻纵列的第一金属单元的PIN二极管的排列方向可以相同，也可以不相同。

作为优选方案，第一金属贴片与第二金属贴片之间均相隔一定间距且四块第一金属贴片的大小、形状完全相同。

作为优选方案，第一金属周期结构、第二金属周期结构、第三金属周期结构的周期一致。

作为优选方案，本发明所述第二金属单元为正方形，第二金属单元其金属贴片呈正方形框状结构。

作为优选方案，本发明所述第一介质基板和第二介质基板均选用 roggers5880。所述第一介质基板和第二介质基板其介电常数均为2.2，厚度均为 0.5mm左右。介质基板的厚度和介电常数满足一定条件时，也可选用其他型号的介质基板。对于固定型号的介质基板，介电常数是固定的，厚度是可变的。

作为优选方案，本发明所述PIN二极管为恩智浦公司的BAP-51-02。当然，二极管型号可以利用其它具有开关特性的半导体二极管代替。

本发明的有益效果如下：

本发明是针对任意极化的强电磁波脉冲的自适应空间护装置，因为本发明在垂直方向和水平方向是旋转对称的，具有极化不敏感性。因此可以实现对任意极化方向电磁波的同等的防护。

进一步地，本发明利用多层金属周期结构和PIN二极管，实现了对入射电磁波的频率选择特性和对电磁能量进行感知的能量选择特性。当入射波电场能量较小时，二极管处在零偏状态，本发明是一个覆盖C波段的空间滤波器，带内插入损耗小于1dB。当入射波能量较大时，本发明能自适应关闭通频带，屏蔽强电磁脉冲，从而保护电子设备。

附图说明

图1是本发明一实施例的层状结构图；

图2是本发明一实施例中第一金属单元的结构示意图；

图3是本发明一实施例中第二金属单元的结构示意图；

图4是本发明一实施例中第三金属单元的结构示意图；

图5是本发明C波段超宽带能量选择表面的等效电路模型图；

图6是本发明一实施例中C波段超宽带能量选择表面在透波和防护状态下的传输参数图。

图中标号：

1、第一金属周期结构；2、第一介质基板；3、第二金属周期结构；4、第二介质基板；5、第三金属周期结构；101、第一金属贴片；102、第二金属贴片； 103、PIN二极管；301、第二金属单元。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种C波段超宽带能量选择表面，工作频带能覆盖C波段，能够空间场强自适应改变自身工作状态，在不影响正常工作信号的同时，自适应的屏蔽强电磁脉冲，保护电子设备安全。参照图1至图4，包括从下到下依次层叠的第一金属周期结构1、第一介质基板2、第二金属周期结构3、第二介质基板4和第三金属周期结构5。第一介质基板2、第二介质基板4的厚度和介电常数处在一定的范围。本实施例中其介电常数均为2.2，厚度均为0.5毫米。

其中第一金属周期结构为由多个第一金属单元均匀排列而成周期阵列结构。参照图2，第一金属周期结构中的第一金属单元为对称结构且整体呈正方形，包括位于第一金属单元四角位置的四块第一金属贴片101、位于第一金属单元中间且相隔一定间距的两块第二金属贴片102以及焊接在两块第二金属贴片102之间的PIN二极管103。两块第二金属贴片102之间的间距长度可适当调整。在第一金属周期结构中同一纵列上的第一金属单元的PIN二极管的排列方向一致，且无需外部馈电，即可根据空间中的感应场强自适应导通/关闭。第一金属周期结构中相邻纵列的第一金属单元之间的PIN二极管的排列方向可以相同，也可以不相同。

第二金属周期结构为由多个第二金属单元均匀排列而成周期阵列结构。参照图3，所述第二金属单元301为正方形，第二金属单元301其金属贴片呈正方形框状结构。

第三金属周期结构与第一金属周期结构的结构相同，且第三金属周期结构的方向与第一金属周期的方向垂直，第三金属周期结构由第一金属周期结构围绕中心旋转90度得到。第三金属周期结构为由多个第三金属单元均匀排列而成周期阵列结构。参照图4，为第三金属周期结构中的第三金属单元的结构示意图，其与第一金属单元结构相同，由第一金属单元围绕中心旋转90度得到。

参照图2，所述第二金属贴片102靠近PIN二极管103的一段具有宽度渐变，靠近PIN二极管103的一段其宽度是逐渐变小的，设第二金属贴片102远离PIN二极管103一端的宽度为W1，第二金属贴片102靠近PIN二极管103一端的宽度为 W2。第一金属贴片101与第二金属贴片102之间均相隔一定间距且四块第一金属贴片102的大小、形状完全相同，本实施例中四块第一金属贴片102均为长方形。第一金属贴片101的宽度为t1，第一金属贴片101的长度为t2，第一金属单元、第二金属单元以及第三金属单元均为正方形且其边长均为p，第二金属单元301其金属贴片呈正方形框状结构，其正方形框状结构的金属贴片的宽度为s。本实施例中，PIN二极管为恩智浦公司的BAP-51-02，介质板选用roggers5880，厚度为 0.5mm，其他结构参数设计如表1：

表1 C波段超宽带结构的能量选择表面结构参数(单位：mm)

对于空间中任意极化的电磁波，都可以分解为方向正交的垂直极化和水平极化的电磁波。本发明在垂直方向和水平方向是旋转对称的，具有极化不敏感性。因此可以实现对任意极化方向电磁波的同等的防护。

PIN二极管在不导通时，等效为一个阻值很小的电阻(小于10欧姆)，对于射频信号而言，是短路的。PIN二极管不导通时，可以等效为一个电容，电容的值约在皮法量级，对于射频信号而言开路的。

当空间中的电磁信号强度较小时，PIN二极管处于不导通状态，此时，本发明的第一金属周期结构1和第三金属周期结构5的阻抗为容性，第一金属周期结构1的容值由PIN二极管的结电容决定。第三金属周期结构5的容值由金属结构的感应电容决定。第二金属周期结构3中的金属单元构成一个纵横交替的金属网格，第二金属周期结构3中的金属网格的阻抗为感性，感抗值由金属网格线宽和周期决定。此时，本发明的第一金属周期结构1、第二金属周期结构3 和第三金属周期结构5共同构成一个二阶的带通滤波器，其通带范围为整个C波段。能量选择表面工作在透波状态，工作信号能够正常收发。

当空间中的电磁信号强度增大时，PIN二极管两端感应出的电压逐渐升高，使PIN二极管从不导通状态转化为导通状态。此时，与PIN二极管连接的第二金属贴片102属于短路状态，第一金属周期结构1的电抗由容性转化为感性，第二金属周期结构3的电抗仍然为感性，此时，整个能量选择表面等效为加密的金属网，信号通带关闭。能量选择表面工作在防护状态，入射信号都被屏蔽。

当空间中的电磁波为线极化时，只有与电场方向平行的PIN二极管方向起作用，与之垂直的不收影响。即此时，能量选择表面只对与强电磁极化方向相同的方向上进行上述自适应防护过程，与之垂直的极化方向上不受影响。

上述工作原理对应的等效电路模型如图5表示。其中，Cdown代表第三金属周期结构5产生的等效电容，Ls代表第二金属周期结构3金属结构产生的电感，Cdiode和Rdiode分别代表PIN二极管在断开和导通状态下的等效电容和等效电阻。处于透波状态时，等效电路为二阶带通滤波器，信号可以正常透过，电子信息系统可正常工作；而处于防护状态时，等效电路为一个反射器，信号被反射，从而屏蔽强电磁信号。

本实施例在防护状态和透波状态下的传输参数如图6所示其中，虚线代表透波状态，实线代表防护状态。可以看出，在透波状态和防护状态下，传输曲线的差别至少在10dB以上，能有效对传输信号的强度进行控制。当能量防护表面处于防护状态时，有一个覆盖C波段的信号通带，传输系数小于1dB，此时电磁信号可以正常透过。而当能量选择表面处于透波防护状态时，信号通带关闭，传输系数小于10dB，电磁波被反射，电子信息系统得到有效保护。

表2本发明的性能参数与现有技术的参数对比

从表2可以看出，本发明的工作频段最宽，频带最高，具有创新性。单位面积使用的二极管数量最少，节约了成本，提高了系统的可靠性。

本发明实现了工作在C波段的超宽带能量选择表面实现了绝对工作带宽达到4GHz的能量选择表面。本发明的结构具有通用特性，对结构参数进行更改，工作频段可搬移至其他频段。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.C波段超宽带能量选择表面，其特征在于：包括从下到下依次层叠的第一金属周期结构、第一介质基板、第二金属周期结构、第二介质基板和第三金属周期结构；其中第一金属周期结构为由多个第一金属单元均匀排列而成周期阵列结构；第一金属周期结构中的第一金属单元为对称结构且整体呈正方形，包括位于第一金属单元四角位置的四块第一金属贴片、位于第一金属单元中间且相隔一定间距的两块第二金属贴片以及焊接在两块第二金属贴片之间的PIN二极管，第一金属周期结构中同一纵列上的第一金属单元的PIN二极管的排列方向一致；第二金属周期结构为由多个第二金属单元均匀排列而成周期阵列结构，所述第二金属单元为正方形，第二金属单元其金属贴片呈正方形框状结构；第三金属周期结构与第一金属周期结构的结构相同，且第三金属周期结构的方向与第一金属周期的方向垂直，第三金属周期结构由第一金属周期结构围绕中心旋转90度得到。

2.根据权利要求1所述的C波段超宽带能量选择表面，其特征在于：所述第二金属贴片靠近PIN二极管的一段具有宽度渐变，靠近PIN二极管的一段其宽度是逐渐变小的。

3.根据权利要求1所述的C波段超宽带能量选择表面，其特征在于：第一金属贴片与第二金属贴片之间均相隔一定间距且四块第一金属贴片的大小、形状完全相同。

4.根据权利要求1所述的C波段超宽带能量选择表面，其特征在于：四块第一金属贴片均为长方形。

5.根据权利要求1至4任一项所述的C波段超宽带能量选择表面，其特征在于：第一金属周期结构、第二金属周期结构、第三金属周期结构的周期一致。

6.根据权利要求5所述的C波段超宽带能量选择表面，其特征在于：所述第一介质基板和第二介质基板均选用roggers5880。

7.根据权利要求5所述的C波段超宽带能量选择表面，其特征在于：所述PIN二极管为恩智浦公司的BAP-51-02。