CN113131221B - 一种x波段能量选择表面 - Google Patents

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Abstract

为了电子系统免受强电磁脉冲威胁，本发明提出了一种X波段能量选择表面，包括介质基板，所述介质基板的上表面上印制有呈周期性排列的表面结构，所述表面结构包括一系列呈阵列分布的金属方环单元，所述金属方环单元包括方形金属外环，在方形金属外环内设有工字形金属条组；工字型金属条组包括两个T形金属片，T形金属片由横向金属片以及连接在横向金属片中间的纵向金属片组成，两T形金属片的纵向金属片相对设置且相隔一定间距，在纵向金属片之间加载有PIN二极管。本发明首次现实了X波段能量选择防护特性，且关键指标如插入损耗、防护效果、加工复杂度等方面与公开的低频段能量选择表面相当。

Description

一种X波段能量选择表面
技术领域
本发明是一种工作在X波段的能量选择表面，应用于电子信息系统的“前门”自适应强电磁防护。
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。此外，前端加装滤波器或者频率选择表面(FSS)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。
现有文献中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。或者虽然分别实现了S波段和C波段的防护，但其工作频段只是单一频段，无法进行多频段同时防护。
从工作频段上比较，公开的文献报道中，暂时还没有提出在X波段工作的能量选择表面。而目前的通信、探测系统的工作频带早已扩展到X波段。与低频段相比，X波段的能量选择表面对半导体器件的相关参数要求更高，时频响应设计更加复杂，需要更加新颖的设计思路。
因此，提出X波段的能量选择表面不仅具有工程和实际应用的必要性，更具有理论上的创新性。
发明内容
本发明针对电子系统免受强电磁脉冲威胁，提出了一种X波段能量选择表面，其工作频段位于X波段的典型频点，并且可以根据需要灵活调节，能很好地满足X波段电子系统的强电磁防护需求。此外，本发明从设计的简约性出发，具有结构简单、加工方便，可靠性高的优点。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
X波段能量选择表面，包括介质基板，所述介质基板的上表面上印制有呈周期性排列的表面结构，所述表面结构包括一系列呈阵列分布的金属方环单元，所述金属方环单元包括方形金属外环，在方形金属外环内设有工字形金属条组；工字型金属条组包括两个T形金属片，T形金属片由横向金属片以及连接在横向金属片中间的纵向金属片组成，两T形金属片的纵向金属片相对设置且相隔一定间距，在纵向金属片之间加载有PIN二极管。
作为本发明的进一步改进，所述工字形金属条组设置在方形金属外环的中央，且工字形金属条组与方形金属外环具有一定的间隙。
作为本发明的进一步改进，在表面结构中，相邻金属方环单元中的方形金属外环是连在一起的。即方形金属外环的周期与金属方环单元周期一样大。
作为本发明的进一步改进，在工字型金属条组的两横向金属片之间外加偏置电压，从而调节PIN二极管的导通门限。
本发明由方形金属外环感应空间中的电磁信号强度来控制PIN二极管的通断，从而使得整个能量选择表面的工作状态发生变化。
空间中的电磁信号强度较小时，PIN二极管处于不导通状态，PIN二极管等效为一个电容，方形金属外环和工字形金属条组之间也构成电容效应，方形金属外环形成电感效应；方形金属外环与工字形金属条组、PIN二极管在X波段产生一个并联的LC谐振，在谐振点，电磁波能够自由的透过，即为X波段能量选择表面的通带；谐振点的位置由PIN二极管的等效电容值以及金属方环单元的尺寸共同决定；
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，整个电路中的等效电容增大，谐振点向低频移动，而工作频段的信号通带关闭，实现了对强电磁波的自适应防护。
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。具体地，通过改变方形金属外环的线宽、方形金属外环的周长、工字型金属条组中横向金属片的长度、工字型金属条组中横向金属片的线宽，工字型金属条组中纵向金属片的长度或/和工字型金属条组中纵向金属片的线实现谐振点位置的调整。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明具有频率选择特性和能量选择的双重特性。在频域上，本发明具有空间滤波功能，表现为一个X波段空间滤波器，在X波段具有一个通带；在能量域上，表现为一个自适应响应的能量选则装置。
本发明能够感知空间中电磁场强度，自适应地改变自身工作状态：当空间中的电磁场能量小于开关阈值时，该装置在X波段提供一个用于工作的通带，信号经工作频带被系统接收；当能量大于开关阈值时，工作频带关闭，信号被反射。
本发明中实现了工作在X波段的能量选择表面，且每个金属方环单元的PIN二极管数量只有一个，在X波段使用了更少的二极管，降低了成本，提高了可靠性。
本发明应用于电子系统的“前门”防护，能够自适应保护电子系统免于强电磁脉冲威胁。对提高复杂环境下，武器装备的战场生存能力和抗干扰能力，具有重要意义。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的X波段能量选择表面的结构示意图；
图2为本发明一实施例中金属方环单元的结构示意图；
图3为X波段能量选择表面等效电路模型；
图4为X波段能量选择表面在透波和屏蔽状态下的传输参数。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，在本发明一实施例中，提供一种X波段能量选择表面，包括介质基板，所述介质基板的上表面上印制有呈周期性排列的表面结构，所述表面结构包括一系列呈阵列分布的金属方环单元。
如图2所示，所述金属方环单元包括方形金属外环1，在方形金属外环1内设有工字形金属条组2；工字型金属条组2包括两个T形金属片201，T形金属片201由横向金属片202以及连接在横向金属片202中间的纵向金属片203组成，两T形金属片的纵向金属片203相对设置且相隔一定间距，在纵向金属片203之间加载有PIN二极管3。
所述工字形金属条组2设置在方形金属外环1的中央，且工字形金属条组2与方形金属外环1具有一定的间隙。如图2所示，在表面结构中，相邻金属方环单元中的方形金属外环是连在一起的。即方形金属外环的周期与金属方环单元周期一样大。
在本发明一实施例中，PIN二极管选用MACOM公司的MA4SPS402，介质基板选用F4B，其介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
方形金属外环1和横向金属片202所采用的金属片的宽度(即线宽)为0.5mm,纵向金属片203所采用的金属片的宽度(即纵向金属片的线宽)为1mm，两T形金属片的纵向金属片203之间相隔的间距宽度是0.4mm,金属方环单元其他结构的详细的参数值由表1给出，其中P代表方形金属外环1的边长，a代表横向金属片202的长度，b代表纵向金属片203的长度。
表1(单位：mm)
Figure BDA0003023557560000051
对于与PIN二极管放置方向极化相同的入射的强电磁脉冲，本发明可对其进行自适应防护。
本发明是利用PIN二极管对射频信号的开关特性实现对强电磁波的自适应防护的。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。
本发明由方形金属外环感应空间中的电磁信号强度来控制PIN二极管的通断，从而使得整个能量选择表面的工作状态发生变化。
空间中的电磁信号强度较小时，PIN二极管处于不导通状态，PIN二极管等效为一个电容，方形金属外环和工字形金属条组之间也构成电容效应，方形金属外环形成电感效应；方形金属外环与工字形金属条组、PIN二极管在X波段产生一个并联的LC谐振，在谐振点，电磁波能够自由的透过，即为X波段能量选择表面的通带；谐振点的位置由PIN二极管的等效电容值以及金属方环单元的尺寸共同决定；
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，整个电路中的等效电容增大，谐振点向低频移动，而工作频段的信号通带关闭，实现了对强电磁波的自适应防护。
本发明的创新之处在于，虽然二极管的等效电容较大，无法直接利用其产生位于X波段的信号通带。但是借助于金属结构产生的等效电容，与二极管形成串联关系。从而大大降低了整个电路的等效电容，从而利用结间电容较大的二极管实现了X波段的信号通带，进而实现能量选择功能。
本发明的对应的等效电路模型如图3表示。其中，Cp代表方形金属外环与工字形金属条组产生的结构电容，Ls代表方形金属外环产生的电感，Cdiode和Rdiode分别代表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，Cp,Cdiode和Ls构成一个并联谐振器，产生X波段的信号通带。电子信息系统可正常工作；而处于屏蔽状态时，Cp和Ls的构成的谐振器的谐振频点向低频移动，X波段通带被破坏，工作频段处于屏蔽状态。
在本发明一实施例中，在工字型金属条组的两横向金属片之间外加偏置电压，从而调节PIN二极管的导通门限。
在本发明一具体实施例中，X波段能量选择表面在屏蔽状态和透波状态下的传输参数如图4所示。可以看出，在透波状态和屏蔽状态下，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。在中心频点处，二者的差别在20dB以上。当能量防护表面处于透波状态时，有一个中心频率在9GHz的信号通带，传输系数大于1dB，此时电磁信号可以正常透过。而当能量选择表面处于屏蔽状态时，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。
本发明中的PIN二极管可以利用其它具有开关特性的半导体二极管代替。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种X波段能量选择表面，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的上表面上印制有呈周期性排列的表面结构，所述表面结构包括一系列呈阵列分布的金属方环单元，表面结构中，相邻金属方环单元中的方形金属外环是连在一起的；所述金属方环单元包括方形金属外环，在方形金属外环内设有工字形金属条组；工字型金属条组包括两个T形金属片，T形金属片由横向金属片以及连接在横向金属片中间的纵向金属片组成，两T形金属片的纵向金属片相对设置且相隔一定间距，在纵向金属片之间加载有PIN二极管，工字形金属条组设置在方形金属外环的中央，且工字形金属条组与方形金属外环具有一定的间隙。
2.根据权利要求1所述的X波段能量选择表面，其特征在于，两T形金属片的纵向金属片之间的间距是0.4mm。
3.根据权利要求1或2所述的X波段能量选择表面，其特征在于，在工字型金属条组的两横向金属片之间外加偏置电压，从而调节PIN二极管的导通门限。
4.根据权利要求1或2所述的X波段能量选择表面，其特征在于，由方形金属外环感应空间中的电磁信号强度来控制PIN二极管的通断。
5.根据权利要求4所述的X波段能量选择表面，其特征在于，空间中的电磁信号强度较小时，PIN二极管处于不导通状态，PIN二极管等效为一个电容，方形金属外环和工字形金属条组之间也构成电容效应，方形金属外环形成电感效应；方形金属外环与工字形金属条组、PIN二极管在X波段产生一个并联的LC谐振，在谐振点，电磁波能够自由的透过，即为X波段能量选择表面的通带；谐振点的位置由PIN二极管的等效电容值以及金属方环单元的尺寸共同决定；
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，整个电路中的等效电容增大，谐振点向低频移动，而工作频段的信号通带关闭，实现了对强电磁波的自适应防护。
6.根据权利要求5所述的X波段能量选择表面，其特征在于，通过改变方形金属外环的线宽、方形金属外环的周长、工字型金属条组中横向金属片的长度、工字型金属条组中横向金属片的线宽，工字型金属条组中纵向金属片的长度或/和工字型金属条组中纵向金属片的线实现谐振点位置的调整。
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