CN109451718B - 一种超宽带能量选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种超宽带能量选择表面。所述超宽带能量选择表面包括介质基板、印刷在所述介质基板上表面的第一金属结构和印刷在所述介质基板下表面的第二金属结构；所述第一金属结构为两组相同的轨道式组合形状；所述轨道式组合形状包括两条相互平行的横金属条和连接两条横金属条的若干条相互平行的纵金属条，所述纵金属条等间距设置，每条纵金属条上加载有若干个二极管；所述第二金属结构为金属条组成的网格。本发明的优点在于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，是一种新型自适应“前门”电磁信号抑制技术。

Description

一种超宽带能量选择表面
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种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磁环境的复杂程度和电子信息设备对强电磁干扰的敏感性、易损性，系统的电磁兼容设计面临前所未有的挑战。
目前，传统的电磁兼容设计和强电磁脉冲抑制方法大多以滤波、屏蔽和接地等“后门”抑制手段为主，且研究相对深入。而针对“前门”的抑制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；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抑制[1][2]。
能量选择表面是一种针对“前门”的自适应强电磁抑制装置，于2009年由国防科学技术大学率先提出，并申请了相关专利[3]。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，使抑制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，起到自适应抑制的功能。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，其提出对于强电磁脉冲抑制和系统电磁兼容设计具有重要意义。
然而专利[3]中的能量选择表面是一种低通能量选择表面，其工作频率表L波段，而许多电子设备的工作频率都在S波段。而且其通带为0-2.4GHz，会为系统引入许多噪声，无法满足高频段电子系统的需求。相关参考文献资料如下：
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[3]万双林,何建国.一种电磁能量选择表面装置[P].2009-12-31.
发明内容
为解决上述技术问题，本发明利用加载PIN二极管的线形结构和周期金属网格的复合结构，提出了一种新型超宽带带通能量选择表面，其通带几乎覆盖了整个S波段，极大提高了能量选择表面的应用范围。具体技术方案如下：
一种超宽带能量选择表面，包括介质基板1、印刷在所述介质基板上表面的第一金属结构2和印刷在所述介质基板下表面的第二金属结构3；
所述第一金属结构为两组相同的轨道式组合形状；所述轨道式组合形状包括两条相互平行的横金属条21和连接两条横金属条的若干条相互平行的纵金属条22，所述纵金属条等间距设置，每条纵金属条上加载有若干个二极管23；
所述第二金属结构3为金属条组成的网格31。
优选地，所述超宽带能量选择表面被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，每个正方形单元结构包括正方形介质基板、两条相互平行的横金属条和连接两条横金属条的三条相互平行的纵金属条和“十”字形金属结构；每条纵金属条上加载有三个二极管；所述“十”字形金属结构的中心与正方形介质基板下表面的中心重合。
优选地，所述介质基板采用介电常数为在4.0-5.0之间的基板材料。
优选地，所有二极管的正负极朝向一致。
优选地，所述二极管为PIN二极管。
采用本发明获得的有益效果：本发明的优点在于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，是一种新型自适应“前门”抑制技术。本发明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；本发明具有超宽带特性：中心频率为3GHz,相对带宽为51％的空间滤波器，带内插入损耗小于1dB。本发明填补了能量选择表面的设计的一个空白，首次提出超宽带带通能量选择表面。
附图说明
图1为本发明超宽带能量选择表面的结构图；
图2为本发明超宽带能量选择表面中的周期性单元结构俯视图；
图3为本发明超宽带能量选择表面中的周期性单元结构仰视图；
图4为本发明超宽带能量选择表面中的周期性单元结构侧视图；
图5为基于超宽带结构的能量选择表面的简化等效电路图；
图6为基于PIN二极管的超宽带能量选择表面的的简化电路模型图，图6(a)是PIN二极管零偏条件下等效电路，图6(b)是PIN二极管正偏条件下等效电路；
图7为基于PIN二极管的超宽带能量选择表面仿真结果图，图7(a)为小信号时的插入损耗图，图7(b)为强电磁脉冲时的屏蔽效能图；
图8为基于PIN二极管的超宽带能量选择表面测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明结构图。一种超宽带能量选择表面，包括介质基板、印刷在所述介质基板上表面的第一金属结构和印刷在所述介质基板下表面的第二金属结构；
所述第一金属结构为两组相同的轨道式组合形状；所述轨道式组合形状包括两条相互平行的横金属条和连接两条横金属条的若干条相互平行的纵金属条，所述纵金属条等间距设置，每条纵金属条上加载有若干个二极管；
所述第二金属结构为金属条组成的网格。
实施例中，第一金属结构中的两组相同的轨道式组合形状的横金属条相互平行，且两组相同的轨道式组合形状之间留有一定距离的缝隙，用于隔开两组轨道式组合形状。所加载的PIN二极管正负朝向一致，且设计抑制方向与加载PIN二极管的方向一致，PIN二极管的型号为BAP51-02，可以利用其它具有开关特性的半导体二极管代替。PIN二极管不需要外加偏置电压或者馈线网络，直接利用金属条上感应的电压自适应导通。当外界信号较小时，二极管处于零偏状态，表现为一个中心频率为3GHz,相对带宽为51％的空间滤波器，带内插入损耗小于1dB的空间滤波器；当外界信号能量超过设计阈值时，二极管处于正偏状态，屏蔽强电磁脉冲，从而保护电子设备。当入射电磁波电场方向与设计抑制方向垂直时，信号被屏蔽。
设计如图1所示的超宽带能量选择表面，介质基板采用FR4基本材料，介电常数4.4，厚度0.5毫米，介质基板的厚度和介电常数可以根据实际情况调节。第一金属结构中的纵金属条和横金属条的宽度和长度可以根据实际情况调节。第二金属结构中构成金属网格的金属条的宽度，以及金属网的密度可以根据实际情况调节，其中一个实施例的具体参数如表1所示，
表1结构参数(单位：mm)
Figure BDA0001891402740000051
为更好的理解本发明内容，下面将本发明的一个周期性单元结构作为分析对象，如图2、图3、图4所示，分别表示周期性单元结构的俯视图、仰视图、侧视图，图中标示出了表1包含的结构参数，其中D表示正方形单元结构的边长，e表示纵金属条、横金属条的宽度，s表示相邻两组相同的轨道式组合形状之间的间距，w表示第二金属结构中金属条的宽度，d表示介质基板的厚度，t表示连接相邻二极管的纵金属条的长度。
利用电磁等效电路理论分析其工作原理，在电场方向为y方向的入射波照射下，假设无限大平面，该超宽带结构经过合并简化后的等效电路如图5所示。其中C为两组相同的轨道式组合形状之间的缝隙等效的电容，L1为纵金属条上连接二极管的两条金属线(L1.1，L1.2)等效的总电感，L2为第二金属结构中的金属条等效的电感，中间的介质基板等效为一段长度为l1，特征阻抗为
Figure BDA0001891402740000061
的传输线(图5中横向的的粗线即为传输线)，其中εr为介质基板的介电常数，Z0为自由空间波阻抗，LS为PIN二极管封装电感，RP与CT分别为零偏条件下PIN二极管I区等效的并联电容与电阻，RS为PIN二极管正向导通电阻。等效电路的建立是基于无限大平面得到的。
以设计频率3GHz为参考，虚线框圈出的第A部分可看作一个高通滤波器，而第B部分则是一个低通滤波器，受到级联高通滤波器和低通滤波器而形成宽带带通滤波器思路的启发，将两部分通过特征阻抗为Z1长度为l1传输线连接并联，由于两滤波器的截止频率均为根据需求设计的，因此可形成一个中心频率为3GHz的宽阻带。再假设a端口为输入端，频率位于上述阻带中的入射信号就不会沿着带阻电路流出到c端口和d端口，而会直接由b端口输出，此时上述宽阻带即为整个等效电路的宽通带，因此宽带抑制结构会在透波模式下形成宽带透波传输特性。而当该结构受到强场辐照，PIN二极管发生导通，此时整个结构等效电路参数产生变化，3GHz位置的通带向左偏移到更低频段(即A、B部分组合的阻带向更低频偏移)，此时会在3GHz的附近性一个阻带，对入射信号大幅衰减，起到屏蔽抑制作用。另外，由于第A部分在二极管导通后其对于3GHz来说已经不再构成高通特性而是带通特性，因此屏蔽模式下在3GHz以后传输损耗会逐渐减小。
对图5中的等效电路进一步计算化简，得到图6所示的等效电路图，简化后的电路可以更直观的根据电路等效参数和拟合参数对其响应频率进行仿真估计。
根据上述分析，利用电磁仿真软件得到基于PIN二极管的超宽带能量选择表面在小信号下的插入损耗和强电磁脉冲下的屏蔽效能。如图7所示，可以看出，在小信号时，中心频率为3GHz，在2.25GHz-3.75GHz之间插损损耗小于1dB。相对工作带宽大于51％。在强电磁脉冲下，中心频带关闭，同频带内屏蔽效果大于10dB，在中心频率处屏蔽效果大于20dB。与现有的强电磁脉冲抑制手段相比，本发明首次实现了超宽带带通能量选择表面功能，在强场和弱场下自适应改变自身工作状态，能够有效屏蔽带内损耗，如图8所示，仿真结果与设计预期一致，实现了预期目的。

Claims (4)

1.一种超宽带能量选择表面，其特征在于：包括介质基板、印刷在所述介质基板上表面的第一金属结构和印刷在所述介质基板下表面的第二金属结构；
所述第一金属结构为两组相同的轨道式组合形状；所述轨道式组合形状包括两条相互平行的横金属条和连接两条横金属条的若干条相互平行的纵金属条，所述纵金属条等间距设置，每条纵金属条上加载有若干个二极管；
所述第二金属结构为金属条组成的网格；所述超宽带能量选择表面被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，每个正方形单元结构包括正方形介质基板、两条相互平行的横金属条和连接两条横金属条的三条相互平行的纵金属条和“十”字形金属结构；每条纵金属条上加载有三个二极管；所述“十”字形金属结构的中心与正方形介质基板下表面的中心重合。
2.如权利要求1所述的一种超宽带能量选择表面，其特征在于：所述介质基板采用介电常数为在4.0-5.0之间的基板材料。
3.如权利要求1所述的一种超宽带能量选择表面，其特征在于：所有二极管的正负极朝向一致。
4.如权利要求1所述的一种超宽带能量选择表面，其特征在于：所述二极管为PIN二极管。
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