CN113540811A - 一种电磁防护有源频率选择表面及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电磁防护有源频率选择表面及其控制方法，包含两层介质层、四层金属周期阵列、一层泡沫填充层；顶层和底层金属周期阵列的单元结构为四块正方形金属贴片和两个PIN二极管，两层PIN二极管极性正交；中间两层金属周期阵列的单元结构均为正方形金属网格。PIN二极管通过在金属周期阵列边缘施加直流电压控制，并对高能电磁场做出自适应屏蔽响应。本发明具备频率选择、极化选择、能量选择和带外干扰抑制等功能，结构简单，能广泛应用于电磁隐身和电磁防护。

Description

一种电磁防护有源频率选择表面及其控制方法
技术领域
本发明属于雷达天线设计领域
背景技术
频率选择表面是一种具有周期性结构的人工电磁材料，能够对入射至表面的电磁波进行调控。根据单元结构的不同，频率选择表面会对电磁波表现出透射、反射、吸收、相移等不同的特性。
传统的无源频率选择表面一旦被设计和制造出来，其频率、带宽、传输特性等各项参数指标就基本固定。这使得无源频率选择表面应用场景单一、难以适应复杂多变的电磁环境。
为了解决无源频率选择表面在实际应用中所存在的问题，越来越多的研究者开始关注并研究有源频率选择表面。常见的有源频率选择表面可以根据其单元结构中加载的不同类型有源器件，主要有两大类：第一类是加载变容二极管等调谐类器件，调节有源频率选择表面的工作频率，即调谐型有源频率选择表面；第二类是加载PIN二极管、MEMS开关等开关类器件，调节有源频率选择表面在某一频段的传输特性，即开关型有源频率选择表面。上述两种类型有源频率选择表面均需要通过加载外界激励来改变有源器件的工作状态。激励方式主要为直流偏置电压激励。
目前针对高功率电磁脉冲防护的表面结构，普遍采用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，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。但对于一些发射功率较大的射频系统，可能会出现自身发射信号因功率过高而被能量选择表面抑制的情况。并且设计时可能没有关注高功率电磁防护之外的带外干扰抑制或电磁隐身等指标。
虽然基于周期表面结构的电磁防护领域已经有不少研究成果，但也有许多局限，比如屏蔽阈值固定、功能单一，很多时候可能无法满足复杂电磁环境中的使用需求。因此，具备电磁防护和电磁隐身的多功能有源频率选择表面有广阔的研究空间。
发明内容
本发明提供了一种电磁防护有源频率选择表面及其控制方法，有效解决传统电磁防护表面结构导通阈值固定、功能单一的问题，能广泛应用于电磁隐身和电磁防护领域。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种电磁防护有源频率选择表面，由七层结构组成，包含四层金属周期阵列、两层介质层和一层泡沫填充层；其中第一层为金属周期阵列，该层金属周期阵列的单元结构为四块正方形金属贴片和两个PIN二极管，每个PIN二极管纵向跨过缝隙连接两个正方形贴片，该层所有PIN二极管极性方向一致；所述第二层为介质层；第三层为金属周期阵列，该层金属周期阵列的单元结构为正方形金属网格；第四层为泡沫填充层；第五层为金属周期阵列，该层金属周期阵列的单元结构与第三层相同；第六层为介质层；第七层为金属周期阵列，该层金属周期阵列单元结构的金属图案与第一层相同，但PIN二极管放置方向与第一层正交，为横向放置，该层所有PIN二极管极性方向一致。
优选地，所述PIN二极管工作频段覆盖DC-12GHz。
优选地，所述介质基板介电常数范围为2.5-2.6，厚度1mm。
优选地，所述泡沫填充层选用低介电常数泡沫，介电常数不大于1.15，介电损耗角正切不大于0.001。
上述电磁防护有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：
如果需要所述有源频率选择表面工作在双极化带通状态，则给每层PIN二极管施加反偏直流电压，使每层所有PIN二极管处于截止状态；
如果需要所述有源频率选择表面工作在TE极化选择带通状态，则给第一层金属周期阵列中的PIN二极管施加反偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于截止状态，同时给第七层金属周期阵列中的PIN二极管施加正偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于导通状态；
如果需要所述有源频率选择表面工作在TM极化选择带通状态，则给第一层金属周期阵列中的PIN二极管施加正偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于导通状态，同时给第七层金属周期阵列中的PIN二极管施加反偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于截止状态；
如果需要所述有源频率选择表面工作在双极化宽带屏蔽状态，则给每层PIN二极管施加正偏直流电压，使每层所有PIN二极管处于导通状态。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1.当以反偏直流偏置电压作为所有PIN二极管的外部激励时，该表面工作于带通透波状态。相比于PIN二极管没有外部偏置的零偏状态，合适的反偏电压可以使该表面透波状态的插入损耗降低。
2.使用两个不同极性的偏置电压分别调控每层金属周期阵列中PIN二极管的状态，可以实现极化选择效果，允许TE或TM极化波通过；
3.当该表面工作于透波状态时，超过导通阈值的高功率电磁场入射会使PIN二极管产生正向导通响应，该表面转为宽带屏蔽状态，起到针对高功率电磁场的自适应防护效果。
4.当该表面工作于透波状态时，低于导通阈值的有效信号入射不足以使PIN二极管产生正向导通响应，该表面继续处于带通透波状态，有效信号不会被屏蔽。
5.相比于零偏状态，反偏状态的PIN二极管需要场强更高的电磁场激励才能产生导通响应，因此提升了该表面的导通阈值。调节反偏电压可以改变该表面的导通阈值。适当提高PIN二极管的反偏电压，可以提升该表面的导通阈值，即允许更大功率的有效信号通过。适当降低反偏电压，可以降低该表面的导通阈值，即允许通过的有效信号功率上限降低。
附图说明
图1为本发明提供的一种电磁防护有源频率选择表面层叠结构示意图；
图2为第一层上金属周期阵列的单元结构示意图；
图3为第三层上金属周期阵列的单元结构示意图；
图4为第七层上金属周期阵列的单元结构示意图；
图5为所述有源频率选择表面的一种直流偏置电压施加方法示意图；
图6为所有PIN管关闭时，TE和TM极化波入射时，该实施例的透波系数；
图7为所有PIN管导通时，TE和TM极化波入射时，该实施例的透波系数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
如图1～图5所示，本发明提供一种电磁防护有源频率选择表面，其层叠结构包括金属层1、介质层2、金属层3、泡沫填充层4、金属层5、介质层6和金属层7。
介质层可以使用介电常数2.55的AD255型双面覆铜高频微波板材。
泡沫填充层可以使用介电常数1.15的PMA填充泡沫。
如图2所示，金属层1的金属周期阵列的单元结构为四个正方形金属贴片11，PIN二极管12沿同一方向跨过缝隙，连接两个贴片。
如图3所示，金属层3的金属周期阵列的单元结构为正方形金属网格31。金属层5的金属周期阵列的单元结构与金属层3相同。
如图4所示，金属层7的金属周期阵列单元结构的金属图案与金属层1相同，但PIN二极管排列方向不同，其方向与金属层1的周期单元中的PIN二极管方向正交。
图5示出了该有源频率选择表面直流偏置电压的一种施加形式。金属层1和金属层7上的PIN二极管分别使用直流偏置电压V1和V2激励。
当偏置电压V1为负电平时，金属层1上的PIN二极管全部为截止状态，该表面在4GHz-5GHz的带通频段允许TM极化波导通。当偏置电压V1为正电平时，金属层1上的PIN二极管全部为导通状态，该表面在4GHz-5GHz的带通频段关闭，TM极化波被反射。
当偏置电压V2为负电平时，金属层7上的PIN二极管全部为截止状态，该表面在4GHz-5GHz的带通频段允许TE极化波导通。当偏置电压V2为正电平时，金属层7上的PIN二极管全部为导通状态，该表面在4GHz-5GHz的带通频段关闭，TE极化波被反射。
本发明所述的有源频率选择表面，其幅频特性仿真结果如图6和图7所示，图6为TE极化和TM极化电磁波垂直于表面结构入射时，实施例所述有源频率选择表面结构在PIN二极管截止时的透波系数。由于该表面采用中心对称结构，极化响应稳定，图6中TE极化和TM极化的曲线基本重合。此时，该表面在4GHz到5GHz拥有一个导通频段，插入损耗低于1.5dB。在3GHz以下和5.7GHz到12GHz为带阻频段，插入损耗大于10dB。
图7为TE极化和TM极化电磁波垂直于表面结构入射时，实施例所述有源频率选择表面结构在PIN二极管导通时的透波系数。此时，该表面在12GHz以下呈现宽带带阻特性。原导通频带内屏蔽效果大于15dB，12GHz以下其他频段内屏蔽效果大于20dB。
当入射电磁场能量较低时，PIN二极管截止，该表面呈现带通透波特性。当入射电磁场能量较高时，PIN二极管导通，该表面呈现宽带屏蔽特性，原导通频段内屏蔽效果大于15dB，12GHz以下其他频段内屏蔽效果大于20dB。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电磁防护有源频率选择表面，其特征在于：由七层结构组成，包含四层金属周期阵列、两层介质层和一层泡沫填充层；其中第一层为金属周期阵列，第一层金属周期阵列的单元结构为四块正方形金属贴片和两个PIN二极管，每个PIN二极管纵向跨过缝隙连接两个正方形贴片，第一层所有PIN二极管极性方向一致；第二层为介质层；第三层为金属周期阵列，第三层金属周期阵列的单元结构为正方形金属网格；第四层为泡沫填充层；第五层为金属周期阵列，第五层金属周期阵列的单元结构与第三层相同；第六层为介质层；第七层为金属周期阵列，第七层金属周期阵列的单元结构的金属图案与第一层相同，但PIN二极管放置方向与第一层正交，为横向放置，第七层所有PIN二极管极性方向一致。
2.根据权利要求1所述的电磁防护有源频率选择表面，其特征在于：所述PIN二极管工作频段覆盖DC-12GHz。
3.根据权利要求1所述的电磁防护有源频率选择表面，其特征在于：所述介质层介电常数范围为2.5-2.6，厚度1mm。
4.根据权利要求1所述的电磁防护有源频率选择表面，其特征在于：所述泡沫填充层选用低介电常数泡沫，介电常数不大于1.15，介电损耗角正切不大于0.001。
5.根据权利要求1所述的电磁防护有源频率选择表面的控制方法，其特征在于：
如果需要所述有源频率选择表面工作在双极化带通状态，则给每层PIN二极管施加反偏直流电压，使每层所有PIN二极管处于截止状态；
如果需要所述有源频率选择表面工作在TE极化选择带通状态，则给第一层金属周期阵列中的PIN二极管施加反偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于截止状态，同时给第七层金属周期阵列中的PIN二极管施加正偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于导通状态；
如果需要所述有源频率选择表面工作在TM极化选择带通状态，则给第一层金属周期阵列中的PIN二极管施加正偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于导通状态，同时给第七层金属周期阵列中的PIN二极管施加反偏直流电压，使该层所有PIN二极管处于截止状态；
如果需要所述有源频率选择表面工作在双极化宽带屏蔽状态，则给每层PIN二极管施加正偏直流电压，使每层所有PIN二极管处于导通状态。
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