CN115799838A - 一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二极管‑二氧化钒的复合能量选择表面，包括：介质基板和电磁感应结构；电磁感应结构在所述介质基板的一侧设置；所述电磁感应结构包括：金属边框、第一结构部分和多个第二结构部分；沿金属边框的长度方向，第二结构部分与金属边框两端的内侧边缘分别相邻的设置；第一结构部分在金属边框的内侧其余位置布置；第一结构部分包括：第一一字结构和二氧化钒填充段；第二结构部分包括：第二一字结构和二极管；相邻的第一一字结构采用二氧化钒填充段连接；相邻的第二一字结构采用二极管连接；沿金属边框的长度方向，相邻的第一一字结构和第二一字结构采用二氧化钒填充段连接，相邻的第二一字结构和第一一字结构采用二极管连接。

Description

一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面

技术领域

本发明涉及强电磁脉冲防护领域，尤其涉及一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面。

背景技术

进入21世纪，广播、手机、卫星、互联网等现代化通信方式早已普及，并且现代社会加速向信息化、电子化方向发展。随着电子技术的发展，电子设备逐渐向高速、高敏感性、低电平、低功耗等方向发展，这使得设备和器件的敏感度大大增加，极易受到干扰和破坏。同时，对于现代化的工业生产、医疗救助等系统也同样依靠着电子设备才能够正常运作，一旦这类型的电子设备受到电磁脉冲的攻击，轻则造成一定的经济损失，重则会导致重大的事故或灾难。面对日益严峻的电磁环境和越来越多的强电磁脉冲威胁，为了保证电子设备的安全工作，研究应对强电磁脉冲威胁的技术以及刻不容缓。

目前针对电磁脉冲耦合进入系统的电磁防护方式，分为“前门”防护和“后门”防护。针对“后门”防护而言，目前主要使用金属频闭王、滤波器、接地等技术完成，相关技术较为成熟。但是针对“前门”的相关防护手段目前却不太充足，目前主要是分为两类，第一类是在前端电路中添加大功率限幅器，虽然添加大功率限幅器可以对输入的电流进行大幅衰减，但是同时也会对正常信号的通过造成较大影响。第二类是使用频率选择表面（FSS）来对带外的大信号进行防护，但是却对带内的强电磁脉冲的防护无能为力。

中国专利CN101754668A，公开了一种电磁能量选择表面装置，提出了一种针对“前门”的自适应强电磁防护装置，该装置实现了对于L频段下的防护。使用PIN二极管代替金属栅格的一部分，组成周期结构，通过入射电磁场的强度控制PIN二极管两端的电压来控制二极管的通断，利用PIN二极管在反偏与正偏条件下的阻抗差异，从而使得防护结构在PIN二极管导通前后分别为不连续的十字结构与完整的金属屏蔽网，进而对不同强度的入射电磁波起到不同的传输特性，起到自适应防护的功能。由于能量选择表面可以在不影响需防护的电子设备正常工作的前提下对场强较大的电磁波进行防护，其提出和设计对于强电磁脉冲的防护具有重要意义。但是其使用的PIN二极管成本高，某些性能要求较高的PIN二极管还需依赖进口，导致了能量选择表面整体成本较高，难以大规模应用。而随着对于新材料二氧化钒在强电磁场环境下相变特性的深入研究，使用二氧化钒作为能量选择表面的相变器件成为可能，但是目前二氧化钒的相变场强过高也制约了二氧化钒在能量选择表面中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面，用于使电子系统免受强电磁脉冲威胁，同时降低能量选择表面的制造成本。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面，包括：介质基板和电磁感应结构；

所述电磁感应结构在所述介质基板的一侧设置；

所述电磁感应结构包括：金属边框、第一结构部分和多个第二结构部分；

沿所述金属边框的长度方向，所述第二结构部分与所述金属边框两端的内侧边缘分别相邻的设置；

所述第一结构部分在所述金属边框的内侧其余位置布置；

所述第一结构部分包括：多个间隔且规则布置的第一一字结构，在所述第一一字结构长度方向的一端设置的二氧化钒填充段；其中，多个所述第一一字结构的长度方向与所述金属边框的长度方向相一致的设置；

所述第二结构部分包括：多个间隔且规则布置的第二一字结构，在所述第二一字结构长度方向的一端设置的二极管；其中，所述第二一字结构的长度方向与所述第一一字结构的长度方向相一致的设置；

在所述第一结构部分中，相邻的所述第一一字结构采用端部设置的所述二氧化钒填充段相连接；

在所述第二结构部分中，相邻的所述第二一字结构采用端部设置的所述二极管相连接；

沿所述金属边框的长度方向，相邻的所述第一一字结构和第二一字结构之间采用所述二氧化钒填充段相连接，相邻的所述第二一字结构和第一一字结构之间采用所述二极管相连接。

根据本发明的一个方面，所述第二结构部分设置有两个；

沿所述金属边框的长度方向，两个所述第二结构部分分别与所述金属边框的两端相邻的设置。

根据本发明的一个方面，沿所述金属边框的长度方向，与所述金属边框的边缘相邻的所述第一一字结构中，若所述第一一字结构的端部设置有所述二氧化钒填充段，则所述第一一字结构通过所述二氧化钒填充段与所述金属边框相连接，否则，所述第一一字结构的端部直接与所述金属边框相连接；

沿所述金属边框的长度方向，与所述金属边框的边缘相邻的所述第二一字结构中，若所述第二一字结构的端部设置有所述二极管，则所述第二一字结构通过所述二极管与所述金属边框相连接，否则，所述第二一字结构的端部直接与所述金属边框相连接。

根据本发明的一个方面，所述金属边框呈矩形金属框；

沿所述金属边框的宽度方向，所述第二结构部分位于中间位置设置。

根据本发明的一个方面，沿金属边框的长度方向，所述二极管同向布置。

根据本发明的一个方面，所述第一一字结构和所述第二一字结构的形状和尺寸是一致的。

根据本发明的一个方面，沿所述金属边框的长度方向，所述第一一字结构与所述第二一字结构之间的间隔，相邻所述第一一字结构之间的间隔和相邻所述第二一字结构之间的间隔为一致的；

沿所述金属边框的宽度方向，所述第一一字结构与所述第二一字结构之间的间隔，相邻所述第一一字结构之间的间隔和相邻所述第二一字结构之间的间隔为一致的。

根据本发明的一个方面，沿所述金属边框的长度方向，所述第一一字结构与所述第二一字结构之间的间隔，相邻所述第一一字结构之间的间隔和相邻所述第二一字结构之间的间隔均为1mm；

沿所述金属边框的宽度方向，所述第一一字结构与所述第二一字结构之间的间隔，相邻所述第一一字结构之间的间隔和相邻所述第二一字结构之间的间隔均为4.5mm。

根据本发明的一个方面，第一一字结构和所述第二一字结构均为矩形金属片，所述矩形金属片的长度为4mm，宽度为0.5mm。

根据本发明的一个方面，所述第二一字结构的设置数量少于所述第一一字结构的设置数量；

所述二极管采用PIN二极管；

所述介质基板介电常数为4.3，厚度为2mm；

所述二氧化钒填充段介质态时的介电常数为9，金属态时电导率为50s/m。

根据本发明的一种方案，本发明的复合能量选择表面，根据金属边框的反射以及散射相互叠加而导致的整个能量选择表面场强分布不均匀的特性，利用二极管导通场强小于二氧化钒的特性，使得二极管在空间电磁信号较强时首先导通，改变了金属边框的形状，从而增强了二氧化钒的场强，使得二氧化钒在较低的入射电磁波场强下可以导通。相较于现有技术而言，一方面本发明使用了二氧化钒作为相变材料，创造性的代替了一部分的二极管，与现有技术中所有单元均使用PIN二极管作为相变器件的方式大大降低了其制造成本。另一方面，本发明可以通过灵活的选择二极管的排布位置以及排布数量，从而对二氧化钒场强的增加效果进行灵活调节，从而可以根据实际应用背景更加灵活高效的设计能量选择表面。

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复合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第一一字结构和二氧化钒填充段的连接结构图；

图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的第二一字结构和二极管的连接结构图；

图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的复合能量选择表面在透波状态和屏蔽状态时的传输系数图；

图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的复合能量选择表面在不同入射场强下的屏蔽效能图。

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和图3所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面，包括：介质基板1和电磁感应结构2。在本实施方式中，电磁感应结构2在介质基板1的一侧设置。在本实施方式中，电磁感应结构2包括：金属边框21、第一结构部分22和多个第二结构部分23。其中，金属边框21呈封闭的环形框，其内侧为中空区域，进而，沿金属边框21的长度方向，多个第二结构部分23与金属边框21两端的内侧边缘分别相邻的设置；相应的，第一结构部分22在金属边框21的内侧其余位置布置，即第一结构部分22设置第二结构部分23以外的中空区域布置，以实现对第二结构部分23的包围设置。

在本实施方式中，第一结构部分22包括：多个间隔且规则布置的第一一字结构221，在第一一字结构221长度方向的一端设置的二氧化钒填充段222；其中，多个第一一字结构221的长度方向与金属边框21的长度方向相一致的设置；在本实施方式中，在第一结构部分22中，相邻的第一一字结构221采用端部设置的二氧化钒填充段222相连接。

在本实施方式中，第二结构部分23包括：多个间隔且规则布置的第二一字结构231，在第二一字结构231长度方向的一端设置的二极管232；其中，第二一字结构231的长度方向与第一一字结构221的长度方向相一致的设置；在本实施方式中，在第二结构部分23中，相邻的第二一字结构231采用端部设置的二极管232相连接；

在本实施方式中，由于第一结构部分22在第二结构部分23的周围设置，进而相邻的第一一字结构221和第二一字结构231之间具有间隔的设置。沿金属边框21的长度方向（如图1中由左至右的方向），相邻的第一一字结构221和第二一字结构231之间采用二氧化钒填充段222相连接，相邻的第二一字结构231和第一一字结构221之间采用二极管232相连接。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第二结构部分23设置有两个；其中，沿金属边框21的长度方向，两个第二结构部分23分别与金属边框21的两端（如图1中左右两端）相邻的设置。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，沿金属边框21的长度方向（如图1中由左至右的方向），与金属边框21的边缘相邻的第一一字结构221中，若第一一字结构221的端部设置有二氧化钒填充段222，则第一一字结构221通过二氧化钒填充段222与金属边框21相连接，否则，第一一字结构221的端部直接与金属边框21相连接。沿金属边框21的长度方向，与金属边框21的边缘相邻的第二一字结构231中，若第二一字结构231的端部设置有二极管232，则第二一字结构231通过二极管232与金属边框21相连接，否则，第二一字结构231的端部直接与金属边框21相连接。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，沿金属边框21的长度方向，二极管232同向布置；例如，参见图1，沿金属边框21的长度方向，二极管232的阳极与第二一字结构231相连接，其阴极与下一个第二一字结构231、第一一字结构221或金属边框21相连接。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，金属边框21呈矩形金属框，沿金属边框21的宽度方向，第二结构部分23位于中间位置设置。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第一一字结构221和第二一字结构231的形状和尺寸是一致的，进而实现了第一一字结构221和第二一字结构231在金属边框21的内侧中空部可以构成M×N的规则阵列，M表示行数，N表示列数。其中，第一一字结构221与第二一字结构231之间的间隔，相邻第一一字结构221之间的间隔和相邻第二一字结构231之间的间隔为一致的。在本实施方式中，沿金属边框的长度方向，第一一字结构221与第二一字结构231之间的间隔，相邻第一一字结构221之间的间隔和相邻第二一字结构231之间的间隔为一致的，并且该间隔可设置为1mm。在本实施方式中，沿金属边框的宽度方向，第一一字结构221与第二一字结构231之间的间隔，相邻第一一字结构221之间的间隔和相邻第二一字结构231之间的间隔也为一致的，且该间隔可设置为4.5mm。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第一一字结构221和第二一字结构231均为矩形金属片，其中，矩形金属片的长度为4mm，宽度为0.5mm。

根据本发明，通过上述对第一一字结构221和第二一字结构231之间间隔参数和尺寸参数的设置，使本发明的复合能量选择表面在低功率电磁波照射下具有较低的插入损耗，以及在高功率下具有良好的隔离度。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第二一字结构231的设置数量少于第一一字结构221的设置数量。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，二极管232采用PIN二极管，例如，选用MACOM公司的MA4SPS552。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，介质基板1介电常数为4.3，厚度为2mm，例如，介质基板1选用FR-4。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，二氧化钒填充段222介质态时的介电常数为9，金属态时电导率为50s/m。在本实施方式中，采用VO₂-PEG溶液涂抹在两个相连的一字结构之间，后加热从而形成二氧化钒填充段222，属于一种VO₂薄膜结构。

根据本发明的一种实施方式，本发明的复合能量选择表面工作在L波段。

为便于对本方案的结构理解，进一步结合附图对其布置结构进行说明。

结合图1、图2和图3所示，本发明的一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面，包括：介质基板1和电磁感应结构2。其中。电磁感应结构2包括：金属边框21、第一结构部分22和2个第二结构部分23。沿金属边框21的长度方向，2个第二结构部分23分别与金属边框21的两端（如图1中左右两端）相邻的设置，而第一结构部分22则是在第二结构部分23的周围布满金属边框21内侧中空部的其余位置。

在本实施方式中，以第二结构部分23中设置有12个第二一字结构231为例进行举例说明，在本实施方式中，第二结构部分23中12个第二一字结构231呈4×3的方式间隔排列，第一结构部分22中第一一字结构221的数量则根据金属边框21的大小所确定。当然，第二结构部分23中第二一字结构231的数量还可设置为其他数量（如，3个、4个或者更多个），需要根据实际需要进行相应的调整。此外，第一一字结构221和第二一字结构231的结构尺寸，一字结构（第一一字结构221和第二一字结构231）之间的间隔均与前述方式一致，在此不再赘述。

在本实施方式中，第一一字结构221和第二一字结构231为形状和尺寸是一致的矩形金属片，进而实现了第一一字结构221和第二一字结构231在金属边框21的内侧中空部可以构成M×N的规则阵列，M表示行数，N表示列数。其中，第一一字结构221与第二一字结构231之间的间隔，相邻第一一字结构221之间的间隔和相邻第二一字结构231之间的间隔为一致的。

在本实施方式中，沿金属边框21的长度方向，二极管232同向布置；例如，参见图1，沿金属边框21的长度方向，二极管232的阳极与第二一字结构231相连接，其阴极与下一个第二一字结构231、第一一字结构221或金属边框21相连接。

在本实施方式中，二极管232采用PIN二极管，例如，选用MACOM公司的MA4SPS552。

在本实施方式中，介质基板1介电常数为4.3，厚度为2mm，例如，介质基板1选用FR-4。

在本实施方式中，二氧化钒填充段222介质态时的介电常数为9，金属态时电导率为50s/m。

通过上述设置，本发明在透波状态和屏蔽状态的传输系数如图4所示，本发明在不同入射场强下的屏蔽效能如图5所示。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，本发明利用了入射电磁波在金属边框21处的反射以及散射效应相互叠加后导致的整个金属边框21场强分布不均匀的特性，利用二极管232导通场强较低的特性，先于二氧化钒填充段222导通，而在二极管232导通后，金属边框21的等效形状发生了变化，从而增强二氧化钒填充段222的场强，使得二氧化钒填充段222在较低场强时便可由介质态变为金属态。

根据本发明的一种实施方式，本发明由第一一字结构221和第二一字结构231感应空间中的电磁信号强度来控制二极管232的通断以及二氧化钒填充段222介质态/金属态的转换，从而使得整个能量选择表面的工作状态发生变化。

根据本发明的一种实施方式，当空间中电磁信号的强度较小时，二极管232处于不导通状态，二氧化钒填充段222处于介质态，二极管232等效为一个电容，二氧化钒填充段222等效为一具有较低电导率的介质材料。此时，本发明的复合能量选择表面等效于离散的金属单元阵列，可以有效透射低能量的电磁信号。

当空间中的电磁信号强度增大时，二极管232两端感应电压率先达到导通电压，从而使得二极管232导通，而导通后的二极管232可以等效视为一金属贴片，从而导致金属边框21形状改变，增强了剩余单元的感应电压，从而降低了二氧化钒填充段222的导通场强，此时，本发明的复合能量选择表面处于保护状态时，信号通带关闭，电磁波被反射，电子系统受到有效保护。

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 (10)

1.一种基于二极管-二氧化钒的复合能量选择表面，其特征在于，包括：介质基板（1）和电磁感应结构（2）；

所述电磁感应结构（2）在所述介质基板（1）的一侧设置；

所述电磁感应结构（2）包括：金属边框（21）、第一结构部分（22）和多个第二结构部分（23）；

沿所述金属边框（21）的长度方向，所述第二结构部分（23）与所述金属边框（21）两端的内侧边缘分别相邻的设置；

所述第一结构部分（22）在所述金属边框（21）的内侧其余位置布置；

所述第一结构部分（22）包括：多个间隔且规则布置的第一一字结构（221），在所述第一一字结构（221）长度方向的一端设置的二氧化钒填充段（222）；其中，多个所述第一一字结构（221）的长度方向与所述金属边框（21）的长度方向相一致的设置；

所述第二结构部分（23）包括：多个间隔且规则布置的第二一字结构（231），在所述第二一字结构（231）长度方向的一端设置的二极管（232）；其中，所述第二一字结构（231）的长度方向与所述第一一字结构（221）的长度方向相一致的设置；

在所述第一结构部分（22）中，相邻的所述第一一字结构（221）采用端部设置的所述二氧化钒填充段（222）相连接；

在所述第二结构部分（23）中，相邻的所述第二一字结构（231）采用端部设置的所述二极管（232）相连接；

沿所述金属边框（21）的长度方向，相邻的所述第一一字结构（221）和第二一字结构（231）之间采用所述二氧化钒填充段（222）相连接，相邻的所述第二一字结构（231）和第一一字结构（221）之间采用所述二极管（232）相连接。

2.根据权利要求1所述的复合能量选择表面，其特征在于，所述第二结构部分（23）设置有两个；

沿所述金属边框（21）的长度方向，两个所述第二结构部分（23）分别与所述金属边框（21）的两端相邻的设置。

3.根据权利要求2所述的复合能量选择表面，其特征在于，沿所述金属边框（21）的长度方向，与所述金属边框（21）的边缘相邻的所述第一一字结构（221）中，若所述第一一字结构（221）的端部设置有所述二氧化钒填充段（222），则所述第一一字结构（221）通过所述二氧化钒填充段（222）与所述金属边框（21）相连接，否则，所述第一一字结构（221）的端部直接与所述金属边框（21）相连接；

沿所述金属边框（21）的长度方向，与所述金属边框（21）的边缘相邻的所述第二一字结构（231）中，若所述第二一字结构（231）的端部设置有所述二极管（232），则所述第二一字结构（231）通过所述二极管（232）与所述金属边框（21）相连接，否则，所述第二一字结构（231）的端部直接与所述金属边框（21）相连接。

4.根据权利要求3所述的复合能量选择表面，其特征在于，所述金属边框（21）呈矩形金属框；

沿所述金属边框（21）的宽度方向，所述第二结构部分（23）位于中间位置设置。

5.根据权利要求4所述的复合能量选择表面，其特征在于，沿金属边框（21）的长度方向，所述二极管（232）同向布置。

6.根据权利要求5所述的复合能量选择表面，其特征在于，所述第一一字结构（221）和所述第二一字结构（231）的形状和尺寸是一致的。

7.根据权利要求6所述的复合能量选择表面，其特征在于，沿所述金属边框（21）的长度方向，所述第一一字结构（221）与所述第二一字结构（231）之间的间隔，相邻所述第一一字结构（221）之间的间隔和相邻所述第二一字结构（231）之间的间隔为一致的；

沿所述金属边框（21）的宽度方向，所述第一一字结构（221）与所述第二一字结构（231）之间的间隔，相邻所述第一一字结构（221）之间的间隔和相邻所述第二一字结构（231）之间的间隔为一致的。

8.根据权利要求7所述的复合能量选择表面，其特征在于，沿所述金属边框（21）的长度方向，所述第一一字结构（221）与所述第二一字结构（231）之间的间隔，相邻所述第一一字结构（221）之间的间隔和相邻所述第二一字结构（231）之间的间隔均为1mm；

沿所述金属边框（21）的宽度方向，所述第一一字结构（221）与所述第二一字结构（231）之间的间隔，相邻所述第一一字结构（221）之间的间隔和相邻所述第二一字结构（231）之间的间隔均为4.5mm。

9.根据权利要求8所述的复合能量选择表面，其特征在于，第一一字结构（221）和所述第二一字结构（231）均为矩形金属片，所述矩形金属片的长度为4mm，宽度为0.5mm。

10.根据权利要求9所述的复合能量选择表面，其特征在于，所述第二一字结构（231）的设置数量少于所述第一一字结构（221）的设置数量；

所述二极管（232）采用PIN二极管；

所述介质基板（1）介电常数为4.3，厚度为2mm；

所述二氧化钒填充段（222）介质态时的介电常数为9，金属态时电导率为50s/m。

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