CN115566437B - 一种x波段宽带能量选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X波段宽带能量选择表面，包括：多个阵列排布的电磁超单元；所述电磁超单元包括：形状规则的介质基板和设置在所述介质基板一侧的电路结构；所述电路结构为对称结构，且与所述介质基板同轴的设置；所述电路结构包括：多个直角微带和多个环状微带结构；多个所述环状微带结构沿环形等间隔的布置；多个所述直角微带分别用于连接相邻的所述环状微带结构，以使多个所述环状微带结构相互导通。本发明具有X波段的电磁能量选择效果,能够自适应地根据空间场强改变自身工作状态，允许小功率信号低损耗通过，而阻止强电磁能量的进入，有效减小小功率信号的插入损耗，并提高防护效能。

Description

一种X波段宽带能量选择表面
技术领域
本发明涉及强电磁脉冲防护领域，尤其涉及一种X波段宽带能量选择表面。
背景技术
现代电子信息系统的智能化得到了极大的发展，集成化程度越来越高，设备尺寸越来越小，电子器件密度越来越大。设备系统的电子化程度越高，对周围电磁场、电压、电流的变化也就越敏感。实验研究表明，电磁脉冲可以耦合进入电子系统中对设备的正常工作造成不同程度的影响，当耦合能量超过一定阈值就会造成敏感器件的毁伤，从而导致整个系统失效或永久损坏。高频段和大功率级别微波的有意和无意辐射，都可以远距离非接触地把设备的电子器件毁伤，从而瘫痪整个设备系统。如何在复杂电磁环境中有效保护电子信息系统的安全可靠运行，成为需要迫切解决的问题之一。
高频段用频设备的发展对电磁防护技术提出了新的挑战和要求。近年来， 第五代移动通信系统 5G 已经成为通信业和学术界探讨的热点，5G 通信的频段已经覆盖X频段(8-12GHz)。同时，部分卫星通信也已经覆盖到X 波段。因此，无线通信系统中微波频段的电磁防护需求也越来越强烈。
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（例如参考文献[1][2]），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。
参考文献[3]中虽然提出了能量选择表面的概念，即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 波段及以下，无法满足高频段电子系统的防护需求。参考文献[4]实现了 S 波段的防护，但其包含两层结构，结构复杂，且需要的二极管数量较多。从工作频段上比较，公开的文献报道中，暂时还没有可应用于 X 波段的能量选择装置。
参考文献[1] 颜克文, 阮成礼, 梁源, 等. 通信设备天线端口电磁脉冲防护技术研究[J]. 舰船电子工程, 2012, Vol.32(8):61-63
参考文献[2] 张忠连, 超短波通信系统射频前段电磁防护技术研究[D]. 成都:电子科技大学, 2009:18-19
参考文献[3] 中国专利CN101754668B，专利名称“一种电磁能量选择表面装置”
参考文献[4] 中国专利CN109451718，专利名称“一种超宽带能量选择表面”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种X波段宽带能量选择表面，用于满足在X 频段具有低插入损耗、高防护效能的要求。
为实现上述发明目的，本发明提供一种X波段宽带能量选择表面，包括：多个阵列排布的电磁超单元；
所述电磁超单元包括：形状规则的介质基板和设置在所述介质基板一侧的电路结构；
所述电路结构为对称结构，且与所述介质基板同轴的设置；
所述电路结构包括：多个直角微带和多个环状微带结构；
多个所述环状微带结构沿环形等间隔的布置；
多个所述直角微带分别用于连接相邻的所述环状微带结构，以使多个所述环状微带结构相互导通。
根据本发明的一个方面，所述环状微带结构包括：电感微带、并联微带和二极管；
所述二极管与所述并联微带焊接连接；
所述并联微带与所述电感微带并联的构成封闭的环状结构。
根据本发明的一个方面，所述电感微带包括：电感部分，在所述电感部分长度方向的相对两端分别设置的第一连接部分和第二连接部分；
所述电感部分呈迂回折弯的微带线结构；
所述第一连接部分和所述第二连接部分为结构尺寸一致的线性微带线结构；
所述第一连接部分和所述第二连接部分的长度方向与所述电感部分的长度方向相平行，且所述第一连接部分和所述第二连接部分对齐设置。
根据本发明的一个方面，所述电感部分包括：呈长条状的多个第一组件和呈长条状的多个第二组件；
所述第一组件的长度方向与所述电感部分长度方向相平行的设置，所述第二组件的长度方向与所述电感部分长度方向相垂直的设置，且相邻所述第二组件通过所述第一组件首尾相接；
在所述电感部分长度方向的相对两端，所述第一连接部分和所述第二连接部分与所述第二组件的端部分别固定连接，其中，与所述第一连接部分和所述第二连接部分相连接的所述第二组件的长度小于其余所述第二组件的长度，且用于连接所述第一连接部分和所述第二连接部分的所述第二组件同向延伸设置。
根据本发明的一个方面，所述电感微带采用铜材料制成；
所述电感微带的厚度为0.017mm或0.035mm，微带线宽w a 为0.1mm，微带总线长l满足：10mm≤l≤20mm;
所述第二组件设置有N 1条，所述电感微带的外形整体长度l e 满足：3mm≤l e ≤4mm，其外形整体宽度h b 满足：h b =(l-7g a +2w a -2l f +2h a )/N 1，其中，g a 表示相邻所述第二组件的间隔，其表示为g a =( l e -2l f -N 1 w a +2w a )/( N 1-1)，l f 表示所述第一连接部分和所述第二连接部分的长度，取0.5mm，h a 表示所述第一连接部分和所述第二连接部分与所述电感微带宽度方向一侧的缺口宽度，取0.5mm。
根据本发明的一个方面，所述并联微带包括：第一L型微带结构，直微带结构和第二L型微带结构；
所述直微带结构位于所述第一L型微带结构和所述第二L型微带结构之间；所述第一L型微带结构的一个直边、所述直微带结构与所述第二L型微带结构的一个直边相互对齐且具有间隔的设置。
根据本发明的一个方面，所述并联微带采用铜材料制成；
所述并联微带的厚度为0.017mm或0.035mm，其外形整体长度l a 与所述电感微带的外形整体长度l e 一致，其外形整体宽度l c 满足：l c >h a +w b +0.1mm，其中，w b 表示并联微带的线宽，且满足：w b =2*w a ～3*w a ；
所述第一L型微带结构和所述第二L型微带结构的形状尺寸是一致的；
所述第一L型微带结构和所述第二L型微带结构与所述直微带结构相对齐的直边的长度满足：l g =l b /2+w b ；其中，l b 表示所述直微带结构的长度，其满足：l b =(l a -2g d -2w b )/2，g d 表示所述直微带结构分别与所述第一L型微带结构的直边和所述第二L型微带结构的直边之间的间隔距离。
根据本发明的一个方面，所述二极管分别焊接在所述直微带结构与所述第一L型微带结构的直边之间和所述直微带结构与所述第二L型微带结构的直边之间；
所述二极管的结电容小于0.05pF，导通电阻小于 8 欧姆。
根据本发明的一个方面，所述直角微带采用铜材料制成；
所述直角微带的长度和宽度为一致的，且满足：1mm≤l d ≤2mm；
所述直角微带的线宽w c 满足：0.2mm≤w c ≤1mm，厚度为0.017mm。
根据本发明的一个方面，所述电路结构中，所述直角微带设置有4个，所述环状微带结构设置有四个；
多个所述电磁超单元按照M×N的形式阵列排布，其中，M×N≥2且M 和N为正整数；
所述电磁超单元为方形结构，且其边长p满足：8mm≤p≤12mm；
所述介质基板的厚度h满足：0.2mm≤h≤0.5mm。
根据本发明的一种方案，可以实现 X 波段的电磁能量选择的效果, 即能够自适应地根据空间场强改变自身工作状态，允许小功率信号低损耗通过，而阻止强电磁能量的进入。
根据本发明的一种方案，本发明能够减小能量选择表面在 X 波段对小功率信号的插入损耗，同时提高防护效能。
根据本发明的一种方案，本发明的 X 波段宽带带通能量选择表面仅使用单层结构就实现了高频段的自适应防护功能设备的可靠性和成本大大降低，实现了对能量选择表面的创新性拓展，实现了X波段的自适应防护，同时从工程上提高了可靠性，降低了成本，具有重要的理论和工程价值。
根据本发明的一种方案，本发明能够自适应感知空间中电磁场强度，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，在工作频段提供一个通带，信号通过通带被系统接收；当能量大于开关阈值时，通带关闭，信号在全频段内被反射。尤其是，通过利用二极管在电磁辐照下导通前后的等效电容和电阻与微带电感构成不同的谐振电路，实现能量选择表面在X 波段的低插入损耗和高防护效能的目标。
附图说明
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的X波段宽带能量选择表面的结构图；
图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁超单元的结构图；
图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁超单元的爆炸图；
图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电感微带的结构图；
图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的并联微带的结构图；
图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的直角微带的结构图；
图7是示意性表示根据本发明的一种实施方式的X波段能量选择等效电路图；
图8是示意性表示根据本发明的一种实施方式的二极管等效电路图；
图9是示意性表示根据本发明的一种实施方式的X波段宽带能量选择表面小功率信号状态时等效电路图；
图10是示意性表示根据本发明的一种实施方式的X 波段宽带能量选择表面大功率信号状态时等效电路图；
图11是示意性表示根据本发明的一种实施方式的X 波段宽带能量选择表面的插入损耗测试结果图；
图12是示意性表示根据本发明的一种实施方式的X 波段宽带能量选择表面的防护效能测试结果图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
结合图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种X波段宽带能量选择表面，包括：多个阵列排布的电磁超单元1。在本实施方式中，通过多个阵列布置的电磁超单元1以构成本发明的X波段宽带能量选择表面。其中，电磁超单元1包括：形状规则的介质基板11和设置在介质基板11一侧的电路结构12。在本实施方式中，介质基板11为整个电磁超单元1的衬底材料，起到结构支撑的作用。在本实施方式中，介质基板11的材料通常为高频电路板板材，可以选用罗杰斯 5880、罗杰斯 4350B、泰兴微波 F4B 等主要板材中的一种。在本实施方式中，多个电磁超单元1按照M×N的形式阵列排布，排列周期和其边长一致，其中，M×N≥2且M和N为正整数。
在本实施方式中，电路结构12为对称结构，且与介质基板11同轴的设置。其中，电路结构12整体呈环状对称结构，其中包括：多个直角微带121和多个环状微带结构122。在本实施方式中，多个环状微带结构122沿环形等间隔的布置；多个直角微带121分别用于连接相邻的环状微带结构122，以使多个环状微带结构122相互导通的构成环状对称结构。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，环状微带结构122包括：电感微带1221、并联微带1222和二极管1223。在本实施方式中，二极管1223与并联微带1222焊接连接；并联微带1222与电感微带1221并联的构成封闭的环状结构。在本实施方式中，电感微带1221、并联微带1222和直角微带121采用印刷电路的方式在介质基板11上制备。
结合图1、图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，电感微带1221包括：电感部分1221a，在电感部分1221a长度方向的相对两端分别设置的第一连接部分1221b和第二连接部分1221c。在本实施方式中，电感部分1221a呈迂回折弯的微带线结构；而第一连接部分1221b和第二连接部分1221c为结构尺寸一致的线性微带线结构，用于实现与并联微带1222的连接。
在本实施方式中，第一连接部分1221b和第二连接部分1221c的长度方向与电感部分1221a的长度方向相平行，且第一连接部分1221b和第二连接部分1221c对齐设置。
结合图1、图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，电感部分1221a包括：呈长条状的多个第一组件1221a1和呈长条状的多个第二组件1221a2。在本实施方式中，第一组件1221a1的长度方向与电感部分1221a长度方向相平行的设置，第二组件1221a2的长度方向与电感部分1221a长度方向相垂直的设置，且相邻第二组件1221a2通过第一组件1221a1首尾相接。在本实施方式中，在电感部分1221a长度方向的相对两端，第一连接部分1221b和第二连接部分1221c与第二组件1221a2的端部分别固定连接，其中，与第一连接部分1221b和第二连接部分1221c相连接的第二组件1221a2的长度小于其余第二组件1221a2的长度，且用于连接第一连接部分1221b和第二连接部分1221c的第二组件1221a2同向延伸设置。参见图4中所示，第一组件1221a1、第二组件1221a2、第一连接部分1221b和第二连接部分1221c均为长条的带状结构，其中，第一组件1221a1和第二组件1221a2相互垂直的连接，构成迂回弯曲的电感部分1221a，而第一连接部分1221b和第二连接部分1221c则是在电感部分1221a的首尾两端分别设置的。由于处于电感部分1221a首尾两端的第二组件1221a2的长度要短于其他的第二组件1221a2，进而较短的第二组件1221a2一端与第一组件1221a1相互固定连接，则另一端为向远离第一组件1221a1的方向自由延伸的延伸端，并且该延伸端则用于与第一连接部分1221b或第二连接部分1221c相连接。在本实施方式中，第一连接部分1221b和第二连接部分1221c分别与相连接的第二组件1221a2相垂直的设置，其中，第一连接部分1221b一端与相应的第二组件1221a2固定连接，则另一端向远离第二组件1221a2的方向自由延伸并用于实现与并联微带1222的固定连接，同样的，第二连接部分1221c与相应的第二组件1221a2的连接方式与上述方式一致，在此不再赘述。
结合图1、图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，电感微带1221采用铜材料制成。在本实施方式中，电感微带1221的厚度为0.017mm或0.035mm，微带线宽w a 为0.1mm，微带总线长l满足：10mm≤l≤20mm。在本实施方式中，第二组件1221a2设置有N 1条，电感微带1221的外形整体长度l e 满足：3mm≤l e ≤4mm，其外形整体宽度h b 满足：h b =(l-7g a +2w a -2l f +2h a )/N 1，其中，g a 表示相邻第二组件1221a2的间隔，其表示为g a =(l e -2l f -N 1 w a +2w a )/(N 1-1)，l f 表示第一连接部分1221b和第二连接部分1221c的长度，取0.5mm，h a 表示第一连接部分1221b和第二连接部分1221c与电感微带1221宽度方向一侧的缺口宽度，取0.5mm。
在本实施方式中，第二组件1221a2的设置数量可通过如下方式获得，在HFSS电磁仿真软件中，其余参数按照各自的约束条件确定后，以第二组件1221a2的数量为变量（正整数），以在工作频带内插入损耗小于1dB，防护效能大于10dB为优化目标，得到最优的数量。在本实施方式中，第二组件1221a2设置为8条。
通过上述设置的电感微带1221，可有效提高本发明在X 波段的电感量。
结合图1、图2、图3和图5所示，根据本发明的一种实施方式，并联微带1222包括：第一L型微带结构1222a，直微带结构1222b和第二L型微带结构1222c。在本实施方式中，直微带结构1222b位于第一L型微带结构1222a和第二L型微带结构1222c之间；其中，第一L型微带结构1222a的一个直边，直微带结构1222b与第二L型微带结构1222c的一个直边相互对齐且具有间隔的设置。而第一L型微带结构1222a的另一个直边和第二L型微带结构1222c的另一个直边则分别用于与电感微带1221中的第一连接部分1221b和第二连接部分1221c相连接。在本实施方式中，第一L型微带结构1222a和第二L型微带结构1222c关于直微带结构1222b的中心线对称布置。
结合图1、图2、图3和图5所示，根据本发明的一种实施方式，并联微带1222采用铜材料制成；并联微带1222的厚度为0.017mm或0.035mm，其外形整体长度l a 与电感微带1221的外形整体长度l e 一致，其外形整体高度l c 满足：l c >h a +w b +0.1mm，其中，w b 表示并联微带1222的线宽，且满足：w b =2*w a ～3*w a ；优选的，w b =2*w a 需要注意的是，第一L型微带结构1222a，直微带结构1222b和第二L型微带结构1222c的微带宽度是一致的，进而并联微带1222的线宽即为第一L型微带结构1222a，直微带结构1222b和第二L型微带结构1222c的微带宽度。
通过上述设置，将并联微带1222的线宽设置为电感微带1221的微带线宽的两倍，以及将并联微带1222的外形整体高度设置在上述范围内，可有效减小了并联微带 1222的寄生电感，进而有效提高了本发明的工作性能。
在本实施方式中，第一L型微带结构1222a和第二L型微带结构1222c的形状尺寸是一致的；其中，第一L型微带结构1222a和第二L型微带结构1222c与直微带结构1222b相对齐的直边的长度满足：l g =l b /2+w b ；其中，l b 表示直微带结构1222b的长度，其满足：l b =(l a -2g d -2w b )/2，g d 表示直微带结构1222b分别与第一L型微带结构1222a的直边和第二L型微带结构1222c的直边之间的间隔距离，该间隔距离与二极管1223的焊接引脚的间距相匹配的设置，以保证二极管1223的位置准确。
结合图1、图2、图3和图5所示，根据本发明的一种实施方式，二极管1223分别焊接在直微带结构1222b与第一L型微带结构1222a的直边之间和直微带结构1222b与第二L型微带结构1222c的直边之间。在本实施方式中，二极管1223的结电容小于0.05pF，导通电阻小于 8 欧姆。
通过上述设置的二极管1223保证了本发明在X 波段具有低损耗和高防护效能。
如图6所示，根据本发明的一种实施方式，直角微带121采用铜材料制成。其中，直角微带121的长度和宽度为一致的，且满足：1mm≤l d ≤2mm；直角微带121的线宽w c 满足：0.2mm≤w c ≤1mm，厚度为0.017mm。
通过上述设置的直角微带121提供一个小型分布电感的作用，并同时实现了与环状微带结构122的导通。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，电路结构12中，直角微带121设置有4个，环状微带结构122设置有四个。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，电磁超单元1为方形结构，且其边长p满足：8mm≤p≤12mm。
如图3所示，根据本发明的一种实施方式，介质基板11的厚度h满足：0.2mm≤h≤0.5mm。
为进一步阐述本发明的工作原理，结合其等效电路作进一步说明。
如图7所示，根据本发明的等效电路图可见，其中电感微带 1221 的等效电感和等效电容分别用电感L 1和电容C 1表示，并联微带1222 的等效电感和等效电容分别用电感L L 和电容C L 表示，焊接于并联微带1222 上的二极管1223用二极管D 1 表示。一般的，如图8所示，二极管1223在小功率射频信号下表现为一个电阻R和一个电容C j 的串联，而当二极管1223导通后电容效应消失则等效为一个电阻R。用电阻R和电容C j 代替图 7 中的二极管1223，由此，就可以得到本发明在小功率信号和大功率信号下的等效电路分别如图9和图10表示。由于并联微带1222 主要功能是电感，所以其上的等效电容比较小，电容C L 在分析中可以忽略。在图 9 中，一共有两对由电容电感组成的谐振电路，分别为电感L 1和电容C 1 组成串联谐振电路、电感L L 和电容C j 则组成并联谐振电路，由于并联谐振电路在谐振频率处的阻抗为无穷大，因此可以在X 频段形成一个通带，使得本发明在 X 波段具有低损耗通带。而在图10中由于电容C j 消失，而电阻R 的阻抗远小于电感L L 的阻抗使得电感L L 被短路，此时只剩一个串联谐振由电感L 1 和电容C 1组成，而串联谐振在谐振频率处的阻抗表现为无穷小，所以此时可以在 X 波段形成一个理想的阻带阻止信号通过，使得本发明在X 波段具有较高的防护效能。
为进一步说明本发明的工作性能，对本发明进一步举例说明。
实施例1
如图1所示，在本实施方式中，采用印制电路板的方式制成本发明的X波段宽带能量选择表面，其中，包含 100 个电磁超单元1，且其以10×10 的形式阵列排布，其排列的周期p=10mm，也即电磁超单元1的外围尺寸为p×p =10mm×10mm 。在本实施方式中，介质基板11是整个X波段宽带能量选择表面的衬底材料，如图 2、图 3 所示位于整个结构的底层起到结构支撑的作用。介质基板11的材料优选为泰兴微波 F4B265 板材，其介电常数为2.65，厚度h为0.25mm。尺寸为p×p =10mm×10mm。
在本实施方式中，电感微带1221材质为铜，厚度为0.017mm，如图 4 所示。电感微带1221的微带线宽w a 为0.1mm，微带总线长l为15.3mm。电感微带1221的外形整体长度l e 为3.5mm，外形整体宽度h b 为1.7mm。在本实施方式中，第一连接部分1221b和第二连接部分1221c尺寸相同，长度l f 为0.5mm，且第一连接部分1221b和第二连接部分1221c与电感微带1221在宽度方向形成的缺口宽度h a 为0.5mm。
为了方便说明，定义电感微带1221中第二组件1221a2共有N 1条。在本实施方式中，为了减小电感微带1221的尺寸，提高在 X 波段的电感量，第二组件1221a2的条数N 1设置为8条，相邻第二组件1221a2之间的间隔g a =( l e -2l f -N 1 w a +2w a )/( N 1-1)=19/70≈0.27mm。
进一步的，如图 5 所示，并联微带1222材质为铜，厚度为0.017mm。并联微带1222主要作用是将两个二极管1223与电感微带1221进行并联。第一L型微带结构1222a具有两个相互垂直的直边，在本实施方式中，第一L型微带结构1222a的线宽w b 为0.2mm（即并联微带1222的线宽），外形整体宽度l c 为0.825mm，其外形整体长度l g 为0.825mm（即第一L型微带结构1222a与直微带结构1222b相对齐的一侧边的长度）。第二L型微带结构1222c的尺寸与第一L型微带结构1222a尺寸一致，并关于直微带结构1222b中心线对称。直微带结构1222b线宽与第一L型微带结构1222a的线宽一致均为w b =0.2 mm（即并联微带1222的线宽），直微带结构1222b的长度l b 为1.25mm。在本实施方式中，直微带结构1222b分别与第一L型微带结构1222a的直边和第二L型微带结构1222c的直边之间的间隔距离g d 均为0.3mm，其与二极管1223两个管脚的间距一致。整个并联微带1222的外形整体长度l a 为3.5mm，外形整体宽度l c 为0.825mm。
进一步的，如图6所示，直角微带121呈L型微带线结构，材质为铜，厚度为0.017mm，其主要作用是提供一个小型分布电感的作用，同时连接两个电感微带1221和两个并联微带1222。直角微带121的线宽w c 为 0.6mm，直角微带121的长度和宽度为一致的，均为l d =1.75 mm。
进一步的，二极管1223是一个二极管器件，通过焊锡焊接的方式，连接在第一L型微带结构1222a与直微带结构1222b的间隔处、第二L型微带结构1222c与直微带结构1222b的间隔处，两个间隔处各焊接一个二极管1223。在本实施方式中，二极管1223的选型应该考虑二极管的结电容、导通电阻两个参数，具体的，结电容选择0.04pF，导通电阻选择5欧姆，以满足设计的 X 波段宽带能量选择表面在 X 波段具有低损耗和高防护效能。
由上设置，电磁超单元 1 中包含了一个介质基板11、4个直角微带121、4个电感微带1221、8个二极管1223、4个并联微带1222。在本实施方式中，在所形成的正方形环状的电路结构12中，电感微带1221 在外侧设置，并联微带1222在内侧的方式实现两者的并联。
如图7所示，基于前述的设置，并结合等效电路图可知，其中电感微带1221的等效电感和等效电容分别为电感L 1=10.03 nH 和电容C 1= 0.029 pF，并联微带1222的等效电感和等效电容分别为电感L L =10.88 nH和电容C L =0.013 pF。焊接于并联微带1222上的二极管1223用二极管D 1表示。参见图 8，该二极管1223在小功率射频信号下表现为一个电阻R=5Ω和一个电容C j =0.04 pF的串联形式，而当二极管1223导通后电容效应消失则等效为一个电阻R=5Ω。用电阻R和电容C j 代替图7中的二极管，由此，就可以得到本发明在小功率信号和大功率信号下的等效电路分别如图9和图 10表示。
通过上述设置，由于并联微带1222主要功能是电感，所以其上的等效电容比较小，电容C L 在分析中可以忽略。在图9中，一共有两对由电容电感组成的谐振电路，分别为电感L 1和电容C 1组成串联谐振电路、电感L L 和电容C j 则组成并联谐振电路，由于并联谐振电路在谐振频率处的阻抗为无穷大，因此，可以在X频段形成一个通带，使得本发明在X波段具有低损耗通带。而在图10中由于电容C j 消失，而电阻R的阻抗远小于电感L L 的阻抗使得电感L L 被短路，此时只剩一个串联谐振由L 1 和电容C 1组成，而串联谐振在谐振频率处的阻抗表现为无穷小，所以此时可以在X 波段形成一个理想的阻带阻止信号通过，使得本发明在X 波段具有较高的防护效能。
实施例2
在本实施方式中，基于实施例1中的设计参数，通过印制电路工艺加工了一个X 波段宽带能量选择表面（即样品），并在X波段波导中对加工的样品进行了小功率信号和大功率信号的试验，验证了方案的可行性和实用性。
具体的，在本实施方式中，样品选择M×N=2×1=2个电磁超单元1阵列排布的方式进行插入损耗测试，其排列周期为10mm，进而获得如图11 所示的样品插入损耗测试结果。在图11中横坐标是频率，纵坐标是插入损耗，从图11可以看出，基于前述参数设计的能量选择表面（样品）的插入损耗在8.55～12.95GHz的频率宽度内小于1dB，满足在X波段的宽带低插入损耗要求。图12是样品在波导中测试得到的防护效果测试结果，横坐标是频率，纵坐标是防护效能，从图12可以看出在8～13GHz 的频率宽度内大于10dB，且防护效能在10.5GHz达到最大40.8dB, 满足在X波段的宽带高防护效能的要求。
进一步的，通过对上述样品的多次测试，将其性能参数进行汇总，并与参考文献5和参考文献6中方案的工作进行对比，具体如下表1：
表1
Figure 179897DEST_PATH_IMAGE001
通过将上述样品的试验结果与参考文献5和参考文献6相比，本发明的工作频段更高且可以覆盖X频段，而参考文献5和参考文献6只能工作于C波段以下。可见，基于前述参数设计的能量选择表面（样品）的插入损耗在8.55～12.95GHz的频率宽度内小于1dB，满足在X波段的宽带低插入损耗要求，同时，本发明的工作带宽更宽，达到了4.4GHz，插入损耗更小，防护效能更大，参见图11和图12。
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参考文献[6] D. Qin, R. Ma, J. Su, X. Chen, R. Yang and W. Zhang, "Ultra-Wideband Strong Field Protection Device Based on Metasurface," in IEEETransactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 62, no. 6, pp. 2842-2848,Dec. 2020, doi: 10.1109/TEMC.2020.3020840. (基于超表面的超宽带强场保护装置，IEEE 电磁兼容期刊)
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种X波段宽带能量选择表面，其特征在于，包括：多个阵列排布的电磁超单元（1）；
所述电磁超单元（1）包括：形状规则的介质基板（11）和设置在所述介质基板（11）一侧的电路结构（12）；
所述电路结构（12）为对称结构，且与所述介质基板（11）同轴的设置；
所述电路结构（12）包括：多个直角微带（121）和多个环状微带结构（122）；
多个所述环状微带结构（122）沿环形等间隔的布置；
多个所述直角微带（121）分别用于连接相邻的所述环状微带结构（122），以使多个所述环状微带结构（122）相互导通；
所述环状微带结构（122）包括：电感微带（1221）、并联微带（1222）和二极管（1223）；
所述二极管（1223）与所述并联微带（1222）焊接连接；
所述并联微带（1222）与所述电感微带（1221）并联的构成封闭的环状结构。
2.根据权利要求1所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述电感微带（1221）包括：电感部分（1221a），在所述电感部分（1221a）长度方向的相对两端分别设置的第一连接部分（1221b）和第二连接部分（1221c）；
所述电感部分（1221a）呈迂回折弯的微带线结构；
所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）为结构尺寸一致的线性微带线结构；
所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）的长度方向与所述电感部分（1221a）的长度方向相平行，且所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）对齐设置。
3.根据权利要求2所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述电感部分（1221a）包括：呈长条状的多个第一组件（1221a1）和呈长条状的多个第二组件（1221a2）；
所述第一组件（1221a1）的长度方向与所述电感部分（1221a）长度方向相平行的设置，所述第二组件（1221a2）的长度方向与所述电感部分（1221a）长度方向相垂直的设置，且相邻所述第二组件（1221a2）通过所述第一组件（1221a1）首尾相接；
在所述电感部分（1221a）长度方向的相对两端，所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）与所述第二组件（1221a2）的端部分别固定连接，其中，与所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）相连接的所述第二组件（1221a2）的长度小于其余所述第二组件（1221a2）的长度，且用于连接所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）的所述第二组件（1221a2）同向延伸设置。
4.根据权利要求3所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述电感微带（1221）采用铜材料制成；
所述电感微带（1221）的厚度为0.017mm或0.035mm，微带线宽w a 为0.1mm，微带总线长l满足：10mm≤l≤20mm;
所述第二组件（1221a2）设置有N 1条，所述电感微带（1221）的外形整体长度l e 满足：3mm≤l e ≤4mm，其外形整体宽度h b 满足：h b =(l-7g a +2w a -2l f +2h a )/N 1，其中，g a 表示相邻所述第二组件（1221a2）的间隔，其表示为g a =( l e -2l f -N 1 w a +2w a )/( N 1-1)，l f 表示所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）的长度，取0.5mm，h a 表示所述第一连接部分（1221b）和所述第二连接部分（1221c）与所述电感微带（1221）宽度方向一侧的缺口宽度，取0.5mm。
5.根据权利要求4所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述并联微带（1222）包括：第一L型微带结构（1222a），直微带结构（1222b）和第二L型微带结构（1222c）；
所述直微带结构（1222b）位于所述第一L型微带结构（1222a）和所述第二L型微带结构（1222c）之间；
所述第一L型微带结构（1222a）的一个直边、所述直微带结构（1222b）和所述第二L型微带结构（1222c）的一个直边相互对齐且具有间隔的设置。
6.根据权利要求5所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述并联微带（1222）采用铜材料制成；
所述并联微带（1222）的厚度为0.017mm或0.035mm，其外形整体长度l a 与所述电感微带（1221）的外形整体长度l e 一致，其外形整体宽度l c 满足：l c >h a +w b +0.1mm，其中，w b 表示并联微带（1222）的线宽，且满足：w b =2*w a ～3*w a ；
所述第一L型微带结构（1222a）和所述第二L型微带结构（1222c）的形状尺寸是一致的；
所述第一L型微带结构（1222a）和所述第二L型微带结构（1222c）与所述直微带结构（1222b）相对齐的直边的长度满足：l g =l b /2+w b ；其中，l b 表示所述直微带结构（1222b）的长度，其满足：l b =(l a -2g d -2w b )/2，g d 表示所述直微带结构（1222b）分别与所述第一L型微带结构（1222a）的直边和所述第二L型微带结构（1222c）的直边之间的间隔距离。
7.根据权利要求6所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述二极管（1223）分别焊接在所述直微带结构（1222b）与所述第一L型微带结构（1222a）的直边之间和所述直微带结构（1222b）与所述第二L型微带结构（1222c）的直边之间；
所述二极管（1223）的结电容小于0.05pF，导通电阻小于 8 欧姆。
8.根据权利要求7所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述直角微带（121）采用铜材料制成；
所述直角微带（121）的长度和宽度为一致的，且满足：1mm≤l d ≤2mm；
所述直角微带（121）的线宽w c 满足：0.2mm≤w c ≤1mm，厚度为0.017mm。
9.根据权利要求1至8任一项所述的X波段宽带能量选择表面，其特征在于，所述电路结构（12）中，所述直角微带（121）设置有4个，所述环状微带结构（122）设置有四个；
多个所述电磁超单元（1）按照M×N的形式阵列排布，其中，M×N≥2且M 和N为正整数；
所述电磁超单元（1）为方形结构，且其边长p满足：8mm≤p≤12mm；
所述介质基板（11）的厚度h满足：0.2mm≤h≤0.5mm。
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