CN109638465B - 一种波导高功率防护器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁防护领域，涉及一种波导高功率防护器件，所述防护器件包括上介质基板、下介质基板、上金属层、下金属层、金属柱和半导体器件；所述上金属层附着在上介质基板的上表面，所述下金属层附着在下介质基板的下表面；所述上金属层由若干个周期性排列的金属贴片组成，所述金属贴片的中间蚀刻出一个等宽缝隙，将金属贴片分割为内贴片和外贴片；所述等宽缝隙的中心与所述金属贴片的中心重合；所述半导体器件等间距设置在等宽缝隙上，半导体器件的正负两极分别连接金属贴片的内贴片和外贴片。本发明解决了天线系统的强电磁场防护问题，相对于传统的能量选择表面，效果更好，成本更低。

Description

一种波导高功率防护器件
技术领域
本发明属于电磁防护领域，具体涉及一种波导高功率防护器件，主要用于雷达系统在强电磁脉冲辐照时功率传输过程的屏蔽防护。
背景技术
电磁脉冲武器与高功率微波武器攻击速度快，范围广，兼具软硬杀伤能力，目前，高功率脉冲功率驱动源技术、高功率微波产生、发射、传输与控制技术以及高功率微波效应机理等基础研究与关键技术取得重大突破，强电磁武器走向实战应用。强电磁辐射对电子设备危害极大，电磁波通过天线将能量耦合进入到系统前端，通过击穿效应与热效应破坏电子设备。
能量选择表面通过半导体阵列结合金属周期单元构建的压控导电结构，其表面阻抗随入射电磁场强度不同而发生转变，从而具备能量选择特性，能有效兼顾设备正常使用以及强场防护。
文献[1]分析了针对强电磁脉冲武器的能量选择防护罩，当电磁波的能量低于安全阈值的时候能够无损或低损地进入射频系统前端，超过安全阈值的时候能量则会被反射。
现有的能量选择表面相关研究集中于贴片加载有源器件平面周期结构，一般应用于天线前端或者集成至天线罩夹层内，会对天线原始方向图造成一定影响。在对于电大尺寸防护需求时，需要成千上万个二极管，成本较高，因此不适合与较大规模的应用。此外，现有的能量选择表面为低通结构，不适合于高频的防护应用。相关现有技术参考文献如下：
[1]Yang C,Liu P G,Huang X J.A novel method of energy selectivesurface for adaptive HPM/EMP protection[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters.2013(12):112-115.
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种高功率防护器件，可以应用于广泛的波导传输线结构中，在保证电磁防护效果的前提下，显著地降低成本，既能实现能量敏感自适应开关特性达到强场防护的目的，又能有效地减少电磁防护对于天线方向图的影响，还可以适用于较高频率的应用场景。具体技术方案如下：
一种波导高功率防护器件，包括上介质基板、下介质基板、上金属层、下金属层、金属柱和半导体器件；
所述上金属层附着在上介质基板的上表面，所述下金属层附着在下介质基板的下表面；
所述上金属层由若干个周期性排列的金属贴片组成，所述金属贴片的中间蚀刻出一圈等宽缝隙，将金属贴片分割为内贴片和外贴片；所述等宽缝隙的中心与所述金属贴片的中心重合；
所述半导体器件等间距设置在等宽缝隙上，半导体器件的正负两极分别连接金属贴片的内贴片和外贴片；
所述上介质基板、下介质基板分别开设与金属柱数量相同个数的圆孔，所述金属柱穿过圆孔分别连接上金属层的内贴片和下金属层。
本发明还提供了一种波导高功率防护器件，包括介质基板、上金属层、下金属层和半导体器件；
所述上金属层附着在介质基板的上表面，所述下金属层附着在介质基板的下表面；
所述上金属层由若干个周期性排列的金属贴片组成，所述金属贴片的中间蚀刻出一个等宽缝隙，将金属贴片分割为内贴片和外贴片；所述等宽缝隙的中心与所述金属贴片的中心重合；
所述半导体器件等间距设置在等宽缝隙上，半导体器件的正、负两极分别连接金属贴片的内贴片和外贴片；
所述介质基板开设与内贴片数量相同个数的圆孔，在所述圆孔内壁上镀有金属壁，所述金属壁用于连接上金属层的内贴片和下金属层。
优选地，所述金属贴片的形状为正方形。
优选地，所述等宽缝隙为正方形缝隙或环形缝隙。
优选地，所述半导体器件的数量为N个，N取值为大于等于2的偶数。
优选地，所述半导体器件总个数的一半按照正极连接外贴片、负极连接内贴片的方式设置；另一半数量的半导体器件按照负极连接外贴片、正极连接内贴片的方式设置；两种设置方式的半导体器件对称设置在等宽缝隙上。
优选地，所述金属柱为铜柱。
采用本发明获得的有益效果：本发明解决了天线系统的强电磁场防护问题，相对于传统的能量选择表面，效果更好，成本更低。本发明防护器件不影响正常信号通过，而对工作频带内的强场辐射产生大于10dB的衰减。
附图说明
图1为本发明波导高功率防护器件单元结构的分解示意图；
图2为本发明周期性结构示意图；
图3为本发明单元结构尺寸图，(a)为侧视图、(b)为俯视图；
图4为实施例中模拟软件生成的本发明器件在波导结构中的仿真图；
图5为实施例中模拟软件计算的传输模式和防护模式下的结果图；
图6为本发明提供的另一种防护器件单元结构的分解示意图。
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所示为本发明防护器件一种结构示意图；一种波导高功率防护器件，其特征在于：包括上介质基板1、下介质基板2、上金属层3、下金属层4、金属柱5和半导体器件6；
所述上金属层附着在上介质基板的上表面，所述下金属层附着在下介质基板的下表面；
所述上金属层由若干个周期性排列的金属贴片组成，所述金属贴片的中间蚀刻出一个等宽缝隙，将金属贴片分割为内贴片31和外贴片32；所述等宽缝隙的中心与所述金属贴片的中心重合；
所述半导体器件等间距设置在等宽缝隙上，半导体器件的正负两极分别连接金属贴片的内贴片和外贴片；
所述上介质基板、下介质基板分别开设与金属柱数量相同个数的圆孔，所述金属柱穿过圆孔分别连接上金属层的内贴片和下金属层。
实施例1中，所述上介质基板、下介质基板的形状选择为长方体结构；所述等宽缝隙为正方形缝隙；所述金属贴片的形状为正方形，金属贴片采用现有技术中的印刷工艺印刷在上介质基板上；下金属层完整覆盖印刷在下介质基板上。正方形缝隙每一边的缝隙中央位置安装1个二极管。将每一个金属贴片以及对应的上介质基板、金属柱、下介质基板、金属柱和4个二极管构成的单元结构，记为一个阵元，设n表示为波导高功率防护器件阵元总个数。如图2所示为本发明周期性结构示意图。
波导为截面为长方形的金属管，所述阵元在垂直于波导截面方向上等间距依次放置的线性排列。如图3为本发明防护器件的阵元结构图，尺寸如表1所示，半导体器件为二极管(可以选择型号BAP6302)，介质基板采用聚四氟乙烯(FR4)，缝隙的宽度参数由二极管的封装确定。
表1阵元结构尺寸参数
物理含义 参数 取值(单位：mm)
阵元周期 P 25
外贴片边长 L 20
内贴片边长 w 3
正方形缝隙宽度 g 1
金属柱直径 r 2
金属柱高度 h<sub>2</sub> 8
介质板厚度 h<sub>1</sub> 1
介质板介电常数 ε 4.4
上、下金属层厚度 t 0.035
如图3所示，所述每个正方形缝隙上的4个半导体器件，其中两个半导体器件按照相反的偏置，对称放置于波导纵向延伸方向，另外两个半导体器件同样按照相反的偏置，对称设置波导截面的宽边方向。实施例中，使得来波在整个周期内都能在其两端产生较大的感应电压，易于导通。图4为实施例中模拟软件生成的本发明器件在波导结构中的仿真图；
下面通过计算机仿真软件CST对本发明进行仿真计算。对图4中能量防护器件的个数进行仿真，获得波导加入本发明之后的传输系数S21，结果如图5所示。图4中PEC表示波导的侧壁材料设置为理想导体，E为波导中入射电磁波的电场方向，H为波导中入射电磁波的磁场方向，k为波导中入射电磁波的传播方向，a为波导的宽边尺寸，b为波导的窄边尺寸，n为所设计的器件中包含的阵元个数。波导高功率防护器件是连续结构，周期性变化主要是表现在单元结构不变而单元的数量不同。
图5中(a)图为传输模式下的结果图，(b)图为防护模式下的结果图。在二极管导通之前，即传输模式下，能量防护器件处于带通状态，随着阵元个数的增加，谐振点数量增多，通带带宽先变宽后变窄，在阵元个数为4时最佳，3dB带宽为1.8GHz到2.15GHz。强场辐照下，在二极管导通以后，即防护模式下，在之前的通带范围内，衰减大于10dB。综合分析，这种能量防护器件在工作频点基本满足作为高功率微波防护的要求。
正常来波下，二极管处于截止状态，防护器件对电磁波的衰减非常小，总体性能变化不大，能够正常工作；强场情况下，二极管处于导通状态，本发明器件处于防护模式下，将电磁波反射，系统前端能得到有效保护。
本发明在波导内实现无源周期结构的防护器件。二极管放置与平行于地面方向的介质板金属层上，使得来波的能在其金属与地面两层之间产生较大的感应电压，易于导通，双层介质板用空气隔开，既能有效降低介质损耗，又能保证强场到来时能在二极管两端产生足够高的感应电压使其导通。
如图6所示，本发明还提供了一种波导高功率防护器件，包括介质基板7、上金属层8、下金属层9和半导体器件10；所述上金属层附着在介质基板的上表面，所述下金属层附着在介质基板的下表面；所述上金属层由若干个周期性排列的金属贴片组成，所述金属贴片的中间蚀刻出一个等宽缝隙，将金属贴片分割为内贴片和外贴片；所述等宽缝隙的中心与所述金属贴片的中心重合；所述半导体器件等间距设置在等宽缝隙上，半导体器件的正负两极分别连接金属贴片的内贴片和外贴片；所述介质基板开设与内贴片数量相同个数的圆孔，在所述圆孔内壁上镀有金属壁，所述金属壁用于连接上金属层的内贴片和下金属层。图6的(a)图为本发明波导高功率防护器件的截面图，图6(b)图为波导高功率防护器件的结构分解图。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种波导高功率防护器件，其特征在于：包括上介质基板、下介质基板、上金属层、下金属层、金属柱和半导体器件；
所述上金属层附着在上介质基板的上表面，所述下金属层附着在下介质基板的下表面；
所述上金属层由若干个周期性排列的金属贴片组成，所述金属贴片的中间蚀刻出一圈等宽缝隙，将金属贴片分割为内贴片和外贴片；所述等宽缝隙的中心与所述金属贴片的中心重合；
所述半导体器件等间距设置在等宽缝隙上，所述半导体器件的数量为N个，N取值为大于等于2的偶数；所述半导体器件总个数的一半按照正极连接外贴片、负极连接内贴片的方式设置；另一半数量的半导体器件按照负极连接外贴片、正极连接内贴片的方式设置；
所述上介质基板、下介质基板分别开设与金属柱数量相同个数的圆孔，所述金属柱穿过圆孔分别连接上金属层的内贴片和下金属层。
2.如权利要求1所述的一种波导高功率防护器件，其特征在于：所述金属贴片的形状为正方形。
3.如权利要求1所述的一种波导高功率防护器件，其特征在于：所述等宽缝隙为正方形缝隙或环形缝隙。
4.一种波导高功率防护器件，其特征在于：包括介质基板、上金属层、下金属层和半导体器件；
所述上金属层附着在介质基板的上表面，所述下金属层附着在介质基板的下表面；
所述上金属层由若干个周期性排列的金属贴片组成，所述金属贴片的中间蚀刻出一圈等宽缝隙，将金属贴片分割为内贴片和外贴片；所述等宽缝隙的中心与所述金属贴片的中心重合；
所述半导体器件等间距设置在等宽缝隙上，所述半导体器件的数量为N个，N取值为大于等于2的偶数；所述半导体器件总个数的一半按照正极连接外贴片、负极连接内贴片的方式设置；另一半数量的半导体器件按照负极连接外贴片、正极连接内贴片的方式设置；
所述介质基板开设与内贴片数量相同个数的圆孔，在所述圆孔内壁上镀有金属壁，所述金属壁用于连接上金属层的内贴片和下金属层。
5.如权利要求4所述的一种波导高功率防护器件，其特征在于：所述金属贴片的形状为正方形。
6.如权利要求4所述的一种波导高功率防护器件，其特征在于：所述等宽缝隙为正方形缝隙或环形缝隙。
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