CN115603062B - 一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面 - Google Patents

一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面 Download PDF

Info

Publication number
CN115603062B
CN115603062B CN202211603704.9A CN202211603704A CN115603062B CN 115603062 B CN115603062 B CN 115603062B CN 202211603704 A CN202211603704 A CN 202211603704A CN 115603062 B CN115603062 B CN 115603062B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electromagnetic
electromagnetic response
electromagnetic wave
diode
direct current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211603704.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115603062A (zh
Inventor
毋召锋
刘培国
邓博文
田涛
查淞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202211603704.9A priority Critical patent/CN115603062B/zh
Publication of CN115603062A publication Critical patent/CN115603062A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115603062B publication Critical patent/CN115603062B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/526—Electromagnetic shields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/002—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices being reconfigurable or tunable, e.g. using switches or diodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明涉及一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面，包括：感应天线，与感应天线相连接的控制单元，与控制单元相连接的电磁响应单元；感应天线用于接收空间电磁波，并将空间电磁波转化为电路中的导行电磁波；控制单元基于导行电磁波控制电磁响应单元的工作状态，当导行电磁波高于设定的防护阈值时输出直流电流以控制电磁响应单元阻碍空间电磁波的通过，当导行电磁波的电磁波能量低于设定防护阈值时不输出电流，电磁响应单元允许空间电磁波通过；电磁响应单元包括：多个电磁响应子单元；电磁响应子单元与控制单元相连接，基于控制单元的直流馈电在工作频带内形成通带或阻带，以控制空间电磁波的通过或反射。

Description

一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面
技术领域
本发明涉及强电磁脉冲防护领域，尤其涉及一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面。
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。
超宽带用频设备的发展对电磁防护技术提出了新的挑战和要求。由于超宽带技术在无线通信、探测等领域具有精度高、信息吞吐率高的特点，近几年来国内外应用高频超宽带的技术越来越普遍，主要应用于通信（如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等）、雷达探测（如车辆及航空器碰撞/故障避免，入侵检测和探地雷达等）以及高精度定位（如资产跟踪、人员定位、室内定位等）。加之，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，其中5G通信频段已经覆盖到微波频段和超宽带频段。因此，无线通信、探测等系统中高频段和超宽带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（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。
能量选择表面是一种基于场致自适应阻抗可变技术的强电磁防护表面，可以用于射频前端的强电磁防护。这一概念最早由参考文献[3]提出，并在参考文献[4]中发表，验证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。随后，参考文献[4][5]等技术进一步扩展了能量选择表面的工作带宽和工作频率。但是，这些技术中的能量选择表面不具备防护门限可调的特性，即加工后防护门限就不能进行调整。同时也不具备非互易特性，即不能区分接收到的强电磁攻击和装备自身的强电磁发射。这限制了能量选择表面的应用范围。在公开文献报道中，暂时还没有可用于大功率发射的具有非互易特性和防护门限可调的能量选择表面。
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]万双林, 何建国. 一种电磁能量选择表面[P].公开号CN101754668A。
参考文献[4]王轲，虎宁. 一种超宽带能量选择表面[P].公开号CN109451718A。
参考文献[5]虎宁，查淞，刘晨曦，田涛，康福乐，黄琪瑞. 一种X波段能量选择表面[P].公开号CN113131221A。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面，用以解决上述问题。
为实现上述发明目的，本发明提供一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面，包括：感应天线，与所述感应天线相连接的控制单元，与所述控制单元相连接的电磁响应单元；
所述感应天线用于接收空间电磁波，并将所述空间电磁波转化为电路中的导行电磁波；
所述控制单元基于所述导行电磁波控制所述电磁响应单元的工作状态，其中，当所述导行电磁波高于设定的防护阈值时输出直流电流以控制所述电磁响应单元阻碍所述空间电磁波的通过，当所述导行电磁波的电磁波能量低于设定防护阈值时不输出电流，所述电磁响应单元允许所述空间电磁波通过；
所述电磁响应单元包括：多个阵列排布的电磁响应子单元；
所述电磁响应子单元与所述控制单元相连接，基于所述控制单元的直流馈电在工作频带内形成通带或阻带，以控制所述空间电磁波的通过或反射。
根据本发明的一个方面，所述电磁响应子单元以M×N的方式阵列，其中，M表示列数，且M＞2，N表示行数，且N＞2；
所述电磁响应子单元包括：两个电磁响应组件和金属方环；
两个所述电磁响应组件在所述金属方环的相对两侧对称设置。
根据本发明的一个方面，所述电磁响应组件包括：介质基板和电磁响应结构；
所述电磁响应结构呈中心对称结构，且在所述介质基板一侧设置，其包括：四个沿矩形阵列的工字型结构和两个第一二极管；
沿所述电磁响应组件的纵向，相邻所述工字型结构通过所述第一二极管相连接；
沿所述电磁响应组件的横向，相邻所述工字型结构通过第一直流馈线相连接；
所述电磁响应组件的对角位置还设置有用于引出的第二直流馈线。
根据本发明的一个方面，所述工字型结构包括：横梁、纵梁和第二二极管；
所述横梁设置有两个，且两个所述横梁具有间隔的平行设置；
所述纵梁位于两个所述横梁之间，且与所述横梁垂直连接；
所述第二二极管设置有两个；
沿所述纵梁的长度方向，在所述纵梁上间隔的设置有两个用于安装所述第二二极管的安装缝隙。
根据本发明的一个方面，所述横梁的长度方向与所述电磁响应组件的横向相平行，所述纵梁的长度方向与所述电磁响应组件的纵向相平行；
沿所述电磁响应组件的横向，相邻的所述横梁分别采用所述第一直流馈线连接；
沿所述电磁响应组件的纵向，相邻的所述横梁分别通过所述第一二极管连接；
沿所述电磁响应组件的纵向，所述第二直流馈线连接在距离最远的所述横梁的另一端上，且所述第二直流馈线与所述第一直流馈线平行设置。
根据本发明的一个方面，所述介质基板的横向尺寸 p x 满足：8mm≤ p x ≤15mm，其纵向尺寸 p y 满足：8mm≤ p y ≤15mm，厚度尺寸为 h/2，且3mm≤ h≤8mm；
所述横梁的横向尺寸 l a 满足： l a ＜ p x  /2，其纵向尺寸 w b 满足：0.1mm≤ w b ≤0.6mm；
所述纵梁（3112a2）的横向尺寸 w a 满足：0.1mm≤ w a ≤0.6mm，其纵向尺寸 l b 满足： l b ＜ p y  /2-2 w b - d/2，所述安装缝隙的纵向间隔尺寸 d w 与所述第二二极管的管脚间距一致：
沿所述电磁响应组件的横向，相邻所述横梁的间隔尺寸 l c 满足： l c =（ p x -2 l a ）/2；
沿所述电磁响应组件的纵向，相邻所述横梁的间隔尺寸 d与所述第一二极管的管脚间距一致；
所述第一直流馈线和所述第二直流馈线的纵向尺寸 w c 满足： w c ＜ w b ；
所述第一二极管和所述第二二极管的结电容均小于0.5pF，导通电阻均小于10Ω，且所述第二二极管的结电容小于所述第一二极管的结电容的2倍；
所述金属方环的外围尺寸与所述介质基板相一致，边框宽度 w m 满足：0.05mm≤ w m ≤0.2mm。
根据本发明的一个方面，所述感应天线的主瓣增益大于背瓣增益。
根据本发明的一个方面，所述控制单元包括：电调衰减器、检波电路、开关阵列和直流馈电接口；
所述电调衰减器的输入端与所述感应天线的输出端电连接，其输出端与所述检波电路相连接，其控制端施加有控制电压，用于对所述感应天线输出的所述导行电磁波进行衰减并生成交流信号；
所述检波电路接收所述交流信号并生成直流电压，其中所述直流电压与所述交流信号的功率成正比例关系；
所述开关阵列包括多个开关；
所述开关一端与所述检波电路相连接，另一端与所述电磁响应单元相连接；其中，所述开关基于所述检波电路输出的所述直流电压执行通断动作；
所述开关数量与所述电磁响应单元中所述电磁响应子单元的设置行数相一致；
所述直流馈电接口用于向所述电磁响应单元提供工作电源。
根据本发明的一个方面，所述检波电路包括：耦合电容C1、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、滤波电容C2和滤波电阻R；
所述耦合电容C1和所述肖特基二极管D1串联在传输线上，所述肖特基二极管D2、所述滤波电容C2和所述滤波电阻R并联在传输线上；其中，所述肖特基二极管D2与所述传输线的连接位置处于所述肖特基二极管D1的输入端，所述滤波电容C2和所述滤波电阻R与所述传输线的连接位置处于所述肖特基二极管D1的输出端。
根据本发明的一个方面，所述开关采用NMOS三级管，其中，所述开关的栅极G与所述检波电路的输出端相连接，其源极S接地，其漏极D与所述电磁响应子单元相连接。
根据本发明的一种方案，本发明可以在超宽频段内实现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，允许超宽频段小功率信号低损耗通过，而阻止强电磁能量的通过。
根据本发明的一种方案，本发明具备防护门限动态可调的性能，即能够通过馈电的大小调整能量选择表面的防护门限。
根据本发明的一种方案，本发明具有传输的非互易特性，即只对单侧入射的强电磁信号起到防护作用，而对另一侧入射的电磁波无论信号幅度大小都可以低损耗透过。本发明可以用于天线前端的强电磁防护，同时不影响天线自身的信号收发。
根据本发明的一种方案，本发明在超宽频带内具有插入损耗低、防护效能高的特点。
根据本发明的一种方案，本发明在超宽频段内具有传输非互易、防护门限动态可调、低插入损耗、高防护效能的性能特点。本发明的功能是自适应感知入射空间中电磁场强度，从而改变自身工作状态：当空间中的电磁场能量小于防护门限时，该装置在工作频段提供一个通带，信号通过通带被系统接收；当能量大于防护门限时，通带关闭，信号在全频段内被反射从而保护后端敏感电子设备，且这一防护门限具有动态可调的特性。其非互易特性表现在只对单侧入射的强电磁信号起到防护作用，而对另一侧入射的电磁波无论信号幅度大小都可以低损耗透过。本发明可以用于天线前端的强电磁防护，同时不影响天线自身的信号收发。
根据本发明的一种方案，本发明提出的非互易超宽带门限可调的能量选择表面可以实现在超宽频段内的自适应防护功能，且具有插入损耗低、防护效能高、防护门限可动态调整、工作带宽、具备非互易的特点。因此，本发明是对能量选择表面的创新性拓展，具有重要的理论和工程价值。
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能量选择表面的结构框图；
图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁响应单元的结构图；
图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁响应子单元的结构图；
图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁响应组件的结构图；
图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的金属方框的结构图；
图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的感应天线的顶面图；
图7是示意性表示根据本发明的一种实施方式的感应天线的底面图；
图8是示意性表示根据本发明的一种实施方式的控制单元的电路原理图；
图9是示意性表示根据本发明的一种实施方式的能量选择表面的功能示意图；
图10是示意性表示根据本发明的一种实施方式的能量选择表面小功率信号入射时的插入损耗测试结果；
图11是示意性表示根据本发明的一种实施方式的能量选择表面大功率信号从左侧入射时的防护效能测试结果图；
图12是示意性表示根据本发明的一种实施方式的能量选择表面防护门限随可调衰减器衰减量的变化图。
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和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面，包括：感应天线1，与感应天线1相连接的控制单元2，与控制单元2相连接的电磁响应单元3。在本实施方式中，感应天线1用于接收空间中的空间电磁波，并将空间电磁波转化为电路中的导行电磁波；进一步的，控制单元2基于导行电磁波控制电磁响应单元3的工作状态，其中，当导行电磁波高于设定的防护阈值时输出直流电流以控制电磁响应单元3阻碍空间电磁波的通过，当导行电磁波的电磁波能量低于设定防护阈值时不输出电流，电磁响应单元3允许空间电磁波通过。在本实施方式中，电磁响应单元3包括：多个阵列排布的电磁响应子单元31；其中，电磁响应子单元31与控制单元2相连接，基于控制单元2的直流馈电在工作频带内形成通带或阻带，以控制空间电磁波的通过或反射。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，电磁响应子单元31以M×N的方式阵列，其中，M表示列数，且M＞2，N表示行数，且N＞2。在本实施方式中，电磁响应子单元31包括：两个电磁响应组件311和金属方环312；其中，两个电磁响应组件311在金属方环312的相对两侧对称设置。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，电磁响应组件311包括：介质基板3111和电磁响应结构3112。在本实施方式中，介质基板3111是电磁响应结构3112的衬底材料，起到结构支撑的作用，其材料通常为高频电路板板材，可以选用的有罗杰斯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，电磁响应结构3112呈中心对称结构，且在介质基板3111一侧设置，其包括：四个沿矩形阵列的工字型结构3112a和两个第一二极管3112b。在本实施方式中，沿电磁响应组件311的纵向，相邻工字型结构3112a通过第一二极管3112b相连接；沿电磁响应组件311的横向，相邻工字型结构3112a通过第一直流馈线3112c相连接。在本实施方式中，电磁响应组件311的对角位置还设置有用于引出的第二直流馈线3112d。在本实施方式中，相邻电磁响应子单元31的电磁响应组件311通过第二直流馈线3112d相连接，以及通过处于边缘位置的电磁响应子单元31的第二直流馈线3112d与控制单元2相连接。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，工字型结构3112a包括：横梁3112a1、纵梁3112a2和第二二极管3112a3。在本实施方式中，横梁3112a1设置有两个，且两个横梁3112a1具有间隔的平行设置；纵梁3112a2位于两个横梁3112a1之间，且与横梁3112a1垂直连接。在本实施方式中，第二二极管3112a3设置有两个；进而，沿纵梁3112a2的长度方向，在纵梁3112a2上间隔的设置有两个用于安装第二二极管3112a3的安装缝隙。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，横梁3112a1的长度方向与电磁响应组件311的横向相平行，纵梁3112a2的长度方向与电磁响应组件311的纵向相平行。在本实施方式中，沿电磁响应组件311的横向，每一对相邻的横梁3112a1分别采用第一直流馈线3112c连接；沿电磁响应组件311的纵向，相邻的横梁3112a1分别通过第一二极管3112b连接。在本实施方式中，沿电磁响应组件311的纵向，第二直流馈线3112d连接在距离最远的横梁3112a1的另一端上，且第二直流馈线3112d与第一直流馈线3112c平行设置；其中，第二直流馈线3112d一端与横梁3112a1的端部连接，另一端则与介质基板3111的边缘相齐平，以方便电磁响应子单元31阵列设置时，相邻电磁响应子单元31的第二直流馈线3112d相对接，以方便相互之间的连通。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，介质基板3111的横向尺寸 p x 满足：8mm≤ p x ≤15mm，其纵向尺寸 p y 满足：8mm≤ p y ≤15mm，厚度尺寸为 h/2，且3mm≤ h≤8mm。在本实施方式中，横梁3112a1的横向尺寸 l a 满足： l a ＜ p x  /2，其纵向尺寸 w b 满足：0.1mm≤ w b ≤0.6mm；纵梁3112a2的横向尺寸 w a 满足：0.1mm≤ w a ≤0.6mm，其纵向尺寸 l b 满足： l b ＜ p y /2-2 w b - d/2，优选的， l b ＜ p y  /2-2 w b - d/2-0.1mm，安装缝隙的纵向间隔尺寸 d w 与第二二极管3112a3的管脚间距一致；在本实施方式中，沿电磁响应组件311的横向，相邻横梁3112a1的间隔尺寸 l c 满足： l c = p x -2 l a /2；沿电磁响应组件311的纵向，相邻横梁3112a1的间隔尺寸 d与第一二极管3112b的管脚间距一致。
在本实施方式中，第一直流馈线3112c和第二直流馈线3112d的纵向尺寸 w c 满足： w c ＜ w b ；第一二极管3112b和第二二极管3112a3的结电容均小于0.5pF，导通电阻均小于10Ω，且第二二极管3112a3的结电容小于第一二极管3112b的结电容的2倍。
如图5所示，在本实施方式中，金属方环312的外围尺寸与介质基板3111相一致，边框宽度 w m 满足：0.05mm≤ w m ≤0.2mm。
结合图6和图7所示，根据本发明的一种实施方式，感应天线1的工作频带应该覆盖本发明的工作频带，且其主瓣增益大于背瓣增益。在本实施方式中，感应天线1的其余性能不做限制，且其具体的实现形式不做具体限制。
结合图1和图8所示，根据本发明的一种实施方式，控制单元2包括：电调衰减器21、检波电路22、开关阵列23和直流馈电接口24。在本实施方式中，电调衰减器21的输入端与感应天线1的输出端电连接，其输出端与检波电路22相连接，其控制端施加有控制电压，用于对感应天线1输出的导行电磁波进行衰减并生成交流信号；检波电路22接收交流信号并生成直流电压，其中直流电压与交流信号的功率成正比例关系。在本实施方式中，开关阵列23包括多个开关231；开关231一端与检波电路22相连接，另一端与电磁响应单元3相连接；其中，开关231基于检波电路22输出的直流电压执行通断动作；具体的，定义每个开关231开启的控制电压为Vt。当检波电路输出的直流电压小于Vt时，开关231处于关断状态；当检波电路22输出的直流电压大于Vt时，开关231处于打开状态。
在本实施方式中，开关231数量与电磁响应单元3中电磁响应子单元31的设置行数N相一致。
在本实施方式中，直流馈电接口24用于向电磁响应单元3提供工作电源。具体的，当开关231处于打开状态时，在直流馈电接口24的作用下对电磁响应子单元31通入直流电流以控制电磁响应单元3形成阻带，当开关231处于关断状态时，电磁响应子单元31无直流电流通入以控制电磁响应单元3形成通带。
如图8所示，根据本发明的一种实施方式，检波电路22包括：耦合电容C1、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、滤波电容C2和滤波电阻R。在本实施方式中，耦合电容C1和肖特基二极管D1串联在传输线上，肖特基二极管D2、滤波电容C2和滤波电阻R并联在传输线上；其中，肖特基二极管D2与传输线的连接位置处于肖特基二极管D1的输入端，滤波电容C2和滤波电阻R与传输线的连接位置处于肖特基二极管D1的输出端。具体的，交流信号从检波电路22的输入端输入，经过耦合电容C1后，经过一个并联在传输线上的肖特基二极管D2，然后通过一个串联在传输线上的肖特基二极管D1，最后经过滤波电容C2和滤波电阻R后得到直流电压用于控制开关阵列203中的直流电压。
如图8所示，根据本发明的一种实施方式，开关231采用NMOS三级管，其中，开关231的栅极G与检波电路22的输出端相连接，其源极S接地，其漏极D与电磁响应子单元31相连接。在本实施方式中，每个开关231的栅极G都连接到检波电路22的输出端。
为进一步说明本方案，结合附图对其进行举例说明。
如图6和图7所示，本发明中的感应天线1选用Vivaldi 天线为例进行说明。具体的，感应天线1选为工作频段覆盖3-9GHz，增益7dBi的Vivaldi 天线，外围尺寸为108×60mm，天线开口的曲线方程为y=0.8*exp(0.038*x)-0.7。感应天线1的输出端口定义为Ant1。
如图8所示，控制单元2包括：电调衰减器21、检波电路22、开关阵列23和直流馈电接口24。其中，电调衰减器21的输入端即为控制单元2的输入端，并定义为Ant1’，用于和感应天线1的输出端口Ant1相连。在本实施方式中，电调衰减器21将输入的导行电磁波转换为交流信号并输出至检波电路22的耦合电容C1，然后经过一个并联在传输线上的肖特基二极管D2，进一步通过一个串联在传输线上的肖特基二极管D1，最后经过滤波电容C2和滤波电阻R后得到直流电压用于控制开关阵列23中的通断。在本实施方式中，耦合电容C1的容抗在最小工作频率处要小于10欧姆，最大工作频率为3.5GHz，因此其电容选为5pF；肖特基二极管D1和肖特基二极管D2选用型号一致的肖特基二极管；滤波电容C2要大于耦合电容C1，进而滤波电容C2选用10pF；滤波电阻R关系到电磁响应单元3的响应速度，滤波电阻R越大响应速度越慢，因此这里选为10000欧姆。
在本实施方式中，开关阵列23包括多个开关231，开关231采用的是NMOS三极管，其设置数量与电磁响应单元3中电磁响应子单元31的设置行数N相一致，其中，开关231的栅极G都连接到检波电路2的输出端，源极S连接到地，漏极D作为输出端，在此，将多个开关231的输出端分别定义为P1、P2•••PN，以方便与电磁响应子单元31进行编号连接。在本实施方式中，NMOS三极管的选择应该考虑其开启电压，开启电压定义为Vt，这里选择Vt=2V的NMOS三极管。
进一步的，直流馈电接口24用于向电磁响应单元3提供工作电源（即直流电源），进而将其输出端口定义为Pdc。
结合图2和图3所示，在本实施方式中，电磁响应单元3包括400个阵列排布的电磁响应子单元31，其中，各电磁响应子单元31是相互抵靠的设置的，进而其列数M与行数N均可设置为20，以使得整个电磁响应单元3呈平面状结构。在本实施方式中，电磁响应子单元31的尺寸为： p x  = p y  =10mm，厚度 h=5mm。
结合图3和图4所示，电磁响应组件311包括：介质基板3111和电磁响应结构3112。其中，介质基板3111的外围尺寸为： p x  = p y  =10mm，电磁响应结构3112包括：四个沿矩形阵列的工字型结构3112a和两个第一二极管3112b。在本实施方式中，工字型结构3112a的两个横梁3112a1的横向尺寸 l a 为4.2mm，纵向尺寸 w b 为0.4mm；纵梁3112a2的横向尺寸 w a 为0.2mm，纵向尺寸 l b 为3.95mm。在本实施方式中，纵梁3112a2的三等分位置设置有两个安装缝隙，且安装缝隙纵向间隔尺寸 d w 为0.6mm，用于加载第二二极管3112a3。
在本实施方式中，4个工字型结构3112a呈2×2阵列的形式排列，沿电磁响应组件311的横向，相邻横梁3112a1的间隔尺寸 l c 为0.8mm，沿电磁响应组件311的纵向，相邻横梁3112a1的间隔尺寸 d为1.1mm。
在本实施方式中，第一二极管3112b选用结电容为0.4pF，导通电阻为5欧姆的开关二极管，管脚间距为0.6mm；第二二极管3112a3选用结电容为0.15pF，导通电阻为8欧姆的开关二极管，管脚间距为1.1mm。
在本实施方式中，介质基板3111优选为泰兴微波F4B225。
在本实施方式中，金属方环312的外围尺寸与介质基板3111相一致，边框宽度 w m 为0.2mm。
如图9所示，本发明的功能在于，对于从左侧入射的电磁波，小功率的电磁波可以低损耗的通过，而大功率的电磁波被反射而不能穿过。对于从右侧入射的电磁波，无论电磁波的功率大小都可以低损耗通过。
如图10所示，基于上述设置进行本发明的插入损耗测试，其测试结果表明，小于100V/m(小于本发明的防护门限)的电磁波从左侧或从右侧通过本发明时的插入损耗随这频率变化的测试结果，横轴为频率，纵轴为插入损耗。从测试结果可以看出，在3.5-8.6GHz频率范围内的插入损耗小于1dB。说明本发明在超宽带频率范围内具有低的插入损耗。
如图11所示，基于上述设置进行本发明的防护效能测试，图11为从左侧入射时的防护效能测试结果，当大于防护门限的电磁波从左侧入射到本发明时的防护效能，横轴为频率，纵轴为防护效能。从测试结果可以看出，在3.2-13GHz的防护效能大于10dB。且在5.5GHz处防护效能达到最大为42dB。说明本发明在超宽带范围内具有高的防护效能。
图12为防护门限随着电调衰减器衰减量变化的结果。通过控制电调衰减器的衰减量可以调整本发明的防护门限。横轴为电调衰减器的衰减量，纵轴为本发明的防护门限。从结果可以看出，本发明的防护门限可以从200V/m调整到2000V/m。说明本发明的防护门限具有动态可调的特性。
进一步的，为进一步对比本方案的优点，进而将参考文献6和参考文献7性能参数进行汇总，并用于与本方案进行对比，具体如下表1：
表1
与参考文献6和参考文献7相比，本发明的工作频段更高可以覆盖到8.6GHz，而参考文献6和参考文献7只能工作于C波段以下。本发明的工作带宽更宽，达到了5.1GHz(3.5GHz-8.6GHz)，插入损耗更小，防护效能更大。同时，本发明也具备防护门限可调、区分强电磁来波方向的非互易特性。
参考文献[6]N. Hu et al.,"Design of Ultrawideband Energy-SelectiveSurface for High-Power Microwave Protection," in IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters, vol. 18, no. 4, pp. 669-673, April 2019, doi: 10.1109/LAWP.2019.2900760.（用于高功率微波防护的超宽带能量选择表面设计，IEEE 天线与无线传播快报）。
参考文献[7] 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)

1.一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面，其特征在于，包括：感应天线（1），与所述感应天线（1）相连接的控制单元（2），与所述控制单元（2）相连接的电磁响应单元（3）；
所述感应天线（1）用于接收空间电磁波，并将所述空间电磁波转化为电路中的导行电磁波；
所述控制单元（2）基于所述导行电磁波的电磁波能量控制所述电磁响应单元（3）的工作状态，其中，当所述导行电磁波的电磁波能量高于设定的防护阈值时输出直流电流以控制所述电磁响应单元（3）阻碍所述空间电磁波的通过，当所述导行电磁波的电磁波能量低于设定防护阈值时不输出电流，所述电磁响应单元（3）允许所述空间电磁波通过；
所述电磁响应单元（3）包括：多个阵列排布的电磁响应子单元（31）；
所述电磁响应子单元（31）与所述控制单元（2）相连接，基于所述控制单元（2）的直流馈电在工作频带内形成通带或阻带，以控制所述空间电磁波的通过或反射；
所述控制单元（2）包括：电调衰减器（21）、检波电路（22）、开关阵列（23）和直流馈电接口（24）；
所述电调衰减器（21）的输入端与所述感应天线（1）的输出端电连接，其输出端与所述检波电路（22）相连接，其控制端施加有控制电压，用于对所述感应天线（1）输出的所述导行电磁波进行衰减并生成交流信号；
所述检波电路（22）接收所述交流信号并生成直流电压，其中所述直流电压与所述交流信号的功率成正比例关系；
所述开关阵列（23）包括多个开关（231）；
所述开关（231）一端与所述检波电路（22）相连接，另一端与所述电磁响应单元（3）相连接；其中，所述开关（231）基于所述检波电路（22）输出的所述直流电压执行通断动作；
所述开关（231）数量与所述电磁响应单元（3）中所述电磁响应子单元（31）的设置行数相一致；
所述直流馈电接口（24）用于向所述电磁响应单元（3）提供工作电源。
2.根据权利要求1所述的能量选择表面，其特征在于，所述电磁响应子单元（31）以M×N的方式阵列，其中，M表示列数，且M＞2，N表示行数，且N＞2；
所述电磁响应子单元（31）包括：两个电磁响应组件（311）和金属方环（312）；
两个所述电磁响应组件（311）在所述金属方环（312）的相对两侧对称设置。
3.根据权利要求2所述的能量选择表面，其特征在于，所述电磁响应组件（311）包括：介质基板（3111）和电磁响应结构（3112）；
所述电磁响应结构（3112）呈中心对称结构，且在所述介质基板（3111）一侧设置，其包括：四个沿矩形阵列的工字型结构（3112a）和两个第一二极管（3112b）；
沿所述电磁响应组件（311）的纵向，相邻所述工字型结构（3112a）通过所述第一二极管（3112b）相连接；
沿所述电磁响应组件（311）的横向，相邻所述工字型结构（3112a）通过第一直流馈线（3112c）相连接；
所述电磁响应组件（311）的对角位置还设置有用于引出的第二直流馈线（3112d）。
4.根据权利要求3所述的能量选择表面，其特征在于，所述工字型结构（3112a）包括：横梁（3112a1）、纵梁（3112a2）和第二二极管（3112a3）；
所述横梁（3112a1）设置有两个，且两个所述横梁（3112a1）具有间隔的平行设置；
所述纵梁（3112a2）位于两个所述横梁（3112a1）之间，且与所述横梁（3112a1）垂直连接；
所述第二二极管（3112a3）设置有两个；
沿所述纵梁（3112a2）的长度方向，在所述纵梁（3112a2）上间隔的设置有两个用于安装所述第二二极管（3112a3）的安装缝隙。
5.根据权利要求4所述的能量选择表面，其特征在于，所述横梁（3112a1）的长度方向与所述电磁响应组件（311）的横向相平行，所述纵梁（3112a2）的长度方向与所述电磁响应组件（311）的纵向相平行；
沿所述电磁响应组件（311）的横向，相邻的所述横梁（3112a1）分别采用所述第一直流馈线（3112c）连接；
沿所述电磁响应组件（311）的纵向，相邻的所述横梁（3112a1）分别通过所述第一二极管（3112b）连接；
沿所述电磁响应组件（311）的纵向，所述第二直流馈线（3112d）连接在距离最远的所述横梁（3112a1）的另一端上，且所述第二直流馈线（3112d）与所述第一直流馈线（3112c）平行设置。
6.根据权利要求5所述的能量选择表面，其特征在于，所述介质基板（3111）的横向尺寸p x 满足：8mm≤p x ≤15mm，其纵向尺寸p y 满足：8mm≤p y ≤15mm，厚度尺寸为h/2，且3mm≤h≤8mm；
所述横梁（3112a1）的横向尺寸l a 满足：l a ＜p x  /2，其纵向尺寸w b 满足：0.1mm≤w b ≤0.6mm；
所述纵梁（3112a2）的横向尺寸w a 满足：0.1mm≤w a ≤0.6mm，其纵向尺寸l b 满足：l b ＜p y /2-2w b -d/2，所述安装缝隙的纵向间隔尺寸d w 与所述第二二极管（3112a3）的管脚间距一致：
沿所述电磁响应组件（311）的横向，相邻所述横梁（3112a1）的间隔尺寸l c 满足：l c =（p x -2l a ）/2；
沿所述电磁响应组件（311）的纵向，相邻所述横梁（3112a1）的间隔尺寸d与所述第一二极管（3112b）的管脚间距一致；
所述第一直流馈线（3112c）和所述第二直流馈线（3112d）的纵向尺寸w c 满足：w c ＜w b ；
所述第一二极管（3112b）和所述第二二极管（3112a3）的结电容均小于0.5pF，导通电阻均小于10Ω，且所述第二二极管（3112a3）的结电容小于所述第一二极管（3112b）的结电容的2倍；
所述金属方环（312）的外围尺寸与所述介质基板（3111）相一致，边框宽度w m 满足：0.05mm≤w m ≤0.2mm。
7.根据权利要求6所述的能量选择表面，其特征在于，所述感应天线（1）的主瓣增益大于背瓣增益。
8.根据权利要求7所述的能量选择表面，其特征在于，所述检波电路（22）包括：耦合电容C1、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、滤波电容C2和滤波电阻R；
所述耦合电容C1和所述肖特基二极管D1串联在传输线上，所述肖特基二极管D2、所述滤波电容C2和所述滤波电阻R并联在传输线上；其中，所述肖特基二极管D2与所述传输线的连接位置处于所述肖特基二极管D1的输入端，所述滤波电容C2和所述滤波电阻R与所述传输线的连接位置处于所述肖特基二极管D1的输出端。
9.根据权利要求8所述的能量选择表面，其特征在于，所述开关（231）采用NMOS三级管，其中，所述开关（231）的栅极G与所述检波电路（22）的输出端相连接，其源极S接地，其漏极D与所述电磁响应子单元（31）相连接。
CN202211603704.9A 2022-12-14 2022-12-14 一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面 Active CN115603062B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211603704.9A CN115603062B (zh) 2022-12-14 2022-12-14 一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211603704.9A CN115603062B (zh) 2022-12-14 2022-12-14 一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115603062A CN115603062A (zh) 2023-01-13
CN115603062B true CN115603062B (zh) 2023-04-07

Family

ID=84854101

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211603704.9A Active CN115603062B (zh) 2022-12-14 2022-12-14 一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115603062B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998026471A2 (en) * 1996-11-26 1998-06-18 Ball Aerospace & Technologies Corp. Frequency selective antenna
CN109451718A (zh) * 2018-12-04 2019-03-08 中国人民解放军国防科技大学 一种超宽带能量选择表面
CN113540811A (zh) * 2021-07-02 2021-10-22 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 一种电磁防护有源频率选择表面及其控制方法
CN114089283A (zh) * 2021-11-17 2022-02-25 吉林大学 基于能量选择表面的车载毫米波雷达强电磁脉冲防护装置
CN114824812A (zh) * 2022-04-26 2022-07-29 中国人民解放军国防科技大学 一种基于多层结构的超宽带能量选择表面
CN115458948A (zh) * 2022-11-11 2022-12-09 中国人民解放军国防科技大学 一种高频超宽带能量选择表面

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998026471A2 (en) * 1996-11-26 1998-06-18 Ball Aerospace & Technologies Corp. Frequency selective antenna
CN109451718A (zh) * 2018-12-04 2019-03-08 中国人民解放军国防科技大学 一种超宽带能量选择表面
CN113540811A (zh) * 2021-07-02 2021-10-22 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 一种电磁防护有源频率选择表面及其控制方法
CN114089283A (zh) * 2021-11-17 2022-02-25 吉林大学 基于能量选择表面的车载毫米波雷达强电磁脉冲防护装置
CN114824812A (zh) * 2022-04-26 2022-07-29 中国人民解放军国防科技大学 一种基于多层结构的超宽带能量选择表面
CN115458948A (zh) * 2022-11-11 2022-12-09 中国人民解放军国防科技大学 一种高频超宽带能量选择表面

Also Published As

Publication number Publication date
CN115603062A (zh) 2023-01-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115458948B (zh) 一种高频超宽带能量选择表面
US5428364A (en) Wide band dipole radiating element with a slot line feed having a Klopfenstein impedance taper
US11575196B2 (en) Antenna device
US7750861B2 (en) Hybrid antenna including spiral antenna and periodic array, and associated methods
US10211536B2 (en) Antenna structure and wireless communication device using same
CN116171034B (zh) 一种Ku频段的微纳混合集成能量选择表面
US9817105B2 (en) Stacked waveguide substrate, radio communication module, and radar system
US10886622B1 (en) Tunable antenna isolators
US10714833B2 (en) Antenna structure and wireless communication device using same
CN115603062B (zh) 一种非互易超宽带门限可调的能量选择表面
TWI533506B (zh) 通訊裝置及其寬頻低耦合雙天線元件
CN115566437B (zh) 一种x波段宽带能量选择表面
Liu et al. Electromagnetic environment effects and protection of complex electronic information systems
JP2001237634A (ja) パッチ／マイクロストリップ要素を用いた能動アンテナのための電光防護方法及び電光防護手段を有する能動アンテナ・システム
Wu et al. An ultrabroadband energy selective surface with nonreciprocal performance for HIRF protection
CN116613517A (zh) 一种强电磁防护型导航天线
CN115441204B (zh) 一种超宽带能量选择天线
US20200020651A1 (en) Radio-frequency module
CN218160815U (zh) 一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线
CN114824704B (zh) 一种基于基片集成波导的电磁防护组件
WO2017171965A1 (en) Phase-stiff rf power amplifier for phased array transmit/receive modules
Anderson et al. An operating intelligent plasma antenna
KR101690734B1 (ko) Ｘ-Ｂａｎｄ용 ＷＤＲＰ
CN111525527B (zh) 一种射频信号雷电电磁脉冲防护装置
Mandal et al. A coplanar waveguide fed ultra wideband hexagonal slot antenna with dual band rejection

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant