CN112103660A - C波段宽带能量选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种C波段宽带能量选择表面,包括介质基板以及贴附在介质基板表面的一层金属结构层。金属结构层为由多个金属单元均匀排列而成的周期阵列结构。金属单元包括两个环形金属贴片,两环形金属贴片纵向相邻且纵向相邻的横向环边之间相隔一定间距,在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边之间加载有集总电容。集总电容的两端分别焊接在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边上。各环形金属贴片的横向环边之间相对设置两条纵向金属贴片且两条纵向金属贴片之间相隔一定间距,在两条纵向金属贴片之间加载有开关二极管。当外界信号能量超过设计阈值时,二极管自动转化成正偏状态,信号通带关闭,强电磁脉冲被屏蔽,从而保护电子设备。

Description

C波段宽带能量选择表面
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,且研究相对深入。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,大功率限幅器虽然可以对流入电路的电流进行大幅衰减,但是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,但是带内的强电磁威胁却无法进行防护。
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分别等效为不连接的金属结构和完整的金属屏蔽网,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。然而其包含两层结构且单个单元需要的二极管数量多达9个,不仅成本高,且可靠性低。而应用于C波段的能量选择装置,目前还属于空白状态。
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波段宽带能量选择表面,其是一种工作在C波段的自适应的宽带能量选择表面。
为实现上述技术目的,本发明采用的具体技术方案如下:
C波段宽带能量选择表面,包括介质基板以及贴附在介质基板表面的一层金属结构层,金属结构层上加载有集总元件。金属结构层为由多个金属单元均匀排列而成的周期阵列结构。金属单元包括两个环形金属贴片,两环形金属贴片纵向相邻且纵向相邻的横向环边之间相隔一定间距,在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边之间加载有集总电容。集总电容的两端分别焊接在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边上。各环形金属贴片的横向环边之间相对设置两条纵向金属贴片且两条纵向金属贴片之间相隔一定间距,在两条纵向金属贴片之间加载有开关二极管。
当空间中的电磁信号较小时,开关二极管处于不导通状态,此时开关二极管的阻抗为容性,环形金属贴片的阻抗为感性,二者处于并联状态,构成一个并联LC谐振器,形成信号通带;当空间中的电磁信号强度增大,开关二极管两端感应出的电压逐渐升高,使开关二极管从不导通状态转化为导通状态时,与开关二极管连接的纵向金属贴片属于短路状态,此时环形金属贴片与开关二极管的阻抗成感性,所加载的集总电容的阻抗成容性,二者处于串联关系,形成一个串联LC谐振器,产生一个信号阻带,C波段宽带能量选择表面工作在防护状态,入射到C波段宽带能量选择表面上的电磁信号都被屏蔽。
进一步地,本发明所述金属结构层中同一纵列上的开关二极管的正负朝向完全一致。
进一步地,本发明两个环形金属贴片为大小尺寸完全一致的矩形方环金属贴片。
进一步地,本发明在各环形金属贴片中,纵向金属贴片的一个端头与横向环边的中点连接。
进一步地,本发明集总电容的两端分别焊接在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边中点上。
进一步地,在金属结构层中,横向相邻的金属单元之间共用纵向环边或/和纵向相邻的金属单元之间共用横向环边。
本发明的有益效果如下:
本发明是针对线极化的强电磁波脉冲的自适应空间护装置.本发明利用金属周期结构和加载的半导体器件和集总元件,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。
本发明由金属周期结构及其附着的介质基板构成,其中金属结构上加载了PIN二极管和集总电容元件,本发明是针对线极化的电磁波的防护装置,只对与二极管方向平行的电磁波进行防护。当入射波电场能量较小时,二极管处于零偏状态,表现为工作频段在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,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。
相较于现有技术,本发明的成本更低,性能更为可靠,所用二极管数量大大减少。本发明结构简单,加工更为方便,单层结构即实现了宽带线极化防护。本发明首次实现了C波段宽带线极化防护,提升了能量选择表面应用的频率范围。本发明的设计具有通用性,该结构大小经过调节之后可以应用于其他频段。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图;
图2是本发明一实施例中金属单元的结构示意图;
图3是本发明的等效电路分析图;
图4是本发明一实施例提供的C波段宽带能量选择表面在透波和防护状态下的传输系数图;
图中标号:
1、金属结构层;101、金属单元;102、第一方环金属贴片;103、第二方环金属贴片;104、横向环边;105、纵向金属贴片;106、集总电容;107、开关二极管;108、纵向环边。
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。
参照图1和图2,本实施例提供一种C波段宽带能量选择表面,包括介质基板以及贴附在介质基板表面的一层金属结构层1。金属结构层1为由多个金属单元101均匀排列而成的周期阵列结构。在金属结构层1中,纵向相邻的金属单元101之间共用横向环边104。同时也可以,横向相邻的金属单元101之间共用纵向环边108。金属结构层利用PCB印刷电路板技术印刷在介质基板上。
金属单元101包括两个矩形的方环金属贴片,分别为第一方环金属贴片102和第二方环金属贴片103。参照图2,第一方环金属贴片102和第二方环金属贴片103完全相同。第一方环金属贴片102和第二方环金属贴片103的纵向环边108的长度均为b,第一方环金属贴片102和第二方环金属贴片103的横向环边104的宽度均为d。第一方环金属贴片102和第二方环金属贴片103的横向环边104和纵向环边108均是宽度为s的金属贴片。
第一方环金属贴片102和第二方环金属贴片103纵向相邻且纵向相邻的横向环边104之间相隔一定间距,间距为f。在第一方环金属贴片102和第二方环金属贴片103的纵向相邻的横向环边104之间加载有集总电容106。集总电容106的两端分别焊接在两方环金属贴片的纵向相邻的横向环边104的中点位置上。
各方环金属贴片的横向环边104之间相对设置两条纵向金属贴片105且两条纵向金属贴片105之间相隔一定间距。其中纵向金属贴片105连接在各横向环边104的中点位置处。各纵向金属贴片105的长度均为a,宽度为w。
在两条纵向金属贴片105之间加载有开关二极管107。在金属结构层中同一纵列上的开关二极管107的正负朝向完全一致。在不同纵列间的开关二极管107的正负朝向可以相同,也可以不同。
介质基板的厚度和介电常数应于自由空间有较好的阻抗匹配。在本实施例中,二极管为恩智浦公司的BAP-51-02,集总电容的电容值为0.3pF,介质基板选用roggers5880,厚度为0.508mm,其他结构参数如下表所示。
表1 C波段宽带能量选择表面结构参数
Figure BDA0002686834630000061
本实施例适用于与开关二极管朝向一致的线极化电磁波防护。开关二极管在不导通时,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。开关二极管不导通时,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,开关二极管处于不导通状态,此时,开关二极管的阻抗为容性,方环金属贴片的阻抗为感性,二者处于并联状态,构成一个并联LC谐振器,形成信号通带;该通带由开关二极管结间电容和方环金属贴片的尺寸共同决定,本发明将其设置为中心频率5.88GHz,带宽1GHz。此时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,开关二极管两端感应出的电压逐渐升高,使开关二极管从不导通状态转化为导通状态。此时,与开关二极管连接的金属条属于短路状态,此时方环金属贴片与开关二极管的阻抗成感性,所加载的集总电容的阻抗成容性,二者处于串联关系,形成一个串联LC谐振器,产生一个信号阻带。该信号阻带的频点由方环的尺寸与集总电容的容值共同决定。本发明将其设置为中心频率5.88GHz,带宽1GHz。此时能量选择表面工作在防护状态,入射信号都被屏蔽。
图3是本发明的等效电路分析图,其中,Clump代表集总电容,Ls代表方环金属贴片产生的电感,Cdiode和Rdiode分别代表开关二极管在断开和导通状态下的等效电容和等效电阻。在开关二极管断开状态下,开关二极管与方环金属贴片组成并联LC谐振,形成通带。而在开关二极管导通状态下,开关二极管与方环金属贴片形成一个串联LC,构成一个阻带。通过加载集总电容和开关二极管,与方环金属贴片分别形成串联LC和并联LC谐振,串联LC对应阻带,并联LC对应通带。通过设计优化,阻带和通带的位置处于同一频段。同时,利用金属结构感应空间中的场强,实现开关二极管的自动导通/关闭,进而实现对信号的透波/屏蔽的自动转换,且该过程是根据空间中的场强自动改变,不需要外接馈电。
本实施例提供的C波段宽带能量选择表面在防护状态和透波状态下的传输参数如图4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15dB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,有一个中心频点位于5.88GHz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15dB,电磁波被反射,电子信息系统得到有效保护。
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 (10)

1.C波段宽带能量选择表面,其特征在于:包括介质基板以及贴附在介质基板表面的一层金属结构层,金属结构层上加载有集总元件;金属结构层为由多个金属单元均匀排列而成的周期阵列结构;金属单元包括两个环形金属贴片,两环形金属贴片纵向相邻且纵向相邻的横向环边之间相隔一定间距,在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边之间加载有集总电容,集总电容的两端分别焊接在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边上,各环形金属贴片的横向环边之间相对设置两条纵向金属贴片且两条纵向金属贴片之间相隔一定间距,在两条纵向金属贴片之间加载有开关二极管。
2.根据权利要求1所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:当空间中的电磁信号较小时,开关二极管处于不导通状态,此时开关二极管的阻抗为容性,环形金属贴片的阻抗为感性,二者处于并联状态,构成一个并联LC谐振器,形成信号通带;当空间中的电磁信号强度增大,开关二极管两端感应出的电压逐渐升高,使开关二极管从不导通状态转化为导通状态时,与开关二极管连接的纵向金属贴片属于短路状态,此时环形金属贴片与开关二极管的阻抗成感性,所加载的集总电容的阻抗成容性,二者处于串联关系,形成一个串联LC谐振器,产生一个信号阻带,C波段宽带能量选择表面工作在防护状态,入射到C波段宽带能量选择表面上的电磁信号都被屏蔽。
3.根据权利要求1所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:所述金属结构层中同一纵列上的开关二极管的正负朝向完全一致。
4.根据权利要求1所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:两个环形金属贴片为大小尺寸完全一致的矩形方环金属贴片。
5.根据权利要求1所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:在各环形金属贴片中,纵向金属贴片的一个端头与横向环边的中点连接。
6.根据权利要求5所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:集总电容的两端分别焊接在两环形金属贴片的纵向相邻的横向环边中点上。
7.根据权利要求1至6任一项所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:在金属结构层中,横向相邻的金属单元之间共用纵向环边或/和纵向相邻的金属单元之间共用横向环边。
8.根据权利要求7所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:介质基板选用roggers5880。
9.根据权利要求8所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:开关二极管为恩智浦公司的BAP-51-02。
10.根据权利要求9所述的C波段宽带能量选择表面,其特征在于:集总电容的电容值为0.3pF。
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