CN116565574A - 一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面 - Google Patents

一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁防护技术领域，提供一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，用以解决电磁防护问题。本发明对能量选择表面和频率选择表面级联结构的等效电路进行改进设计，基于改进后等效电路设计得到一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面；在低功率密度入射时，本发明中能量选择表面在S波段产生一个通带，保证被保护的天线正常的接收和发射信号；在高功率密度入射时，本发明中能量选择表面能够将全频带的电磁波全反射；并且，本发明采用旋转对称结构，具有极化不敏感性。与现有技术相比，本发明提出的能量选择表面拥有更为简单的结构、更低的剖面、更高的屏蔽效能，并且能提供宽带更宽的防护，实现超宽带防护。

Description

一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面
技术领域
本发明属于电磁防护技术领域，具体提供一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面。
背景技术
随着电子信息技术的飞速发展，各类电子信息设备在军事和民事方面得到了大量的应用，但是也大大增加了被强电磁脉冲干扰的可能性，这种强电磁脉冲可能来自于大自然，也可能来自于电磁武器。在军事方面，雷达为了增强雷达的探测能力和信息获取能力，要求雷达具有高灵敏度，但是也大大提高了雷达系统受到电磁损伤的可能性；在民事领域，如金融中心、指控中心、供电控制中心等电子设备密集聚集的区域，也面临多方面的强电磁威胁。
电磁脉冲的防护可以大致分为后门防护和前门防护，后门指的是电子设备壳体的孔洞、缝隙、电缆等，主要采用屏蔽、接地、滤波等技术进行防护；而前门则指的是系统的天线和传感器，现阶段防护方式主要是使用限幅器和频率选择表面。限幅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；频率选择表面虽然可以将带外的大功率信号进行隔离，但是带内的强电磁威胁却无法进行防护；因此，研究一种行之有效的前门电磁防护手段具有重要的实际意义。
能量选择表面是近些年提出新型电磁表面，是一种典型的自适应强电磁防护装置。现阶段的能量选择表面大多能够对工作频带内的高功率电磁脉冲提供防护，但是，一方面通带外的高功率微波依然可以通过能量选择表面，进而通过所保护的天线耦合进电子系统；另一方面通带外的电磁波通过能量选择表面，进而被天线全反射，导致雷达反射截面大幅增加。为了增加防护带宽，文献“D.Qin,R.Ma,J.Su,X.Chen,R.Yang and W.Zhang,Ultra-Wideband Strong Field Protection Device Based on Metasurface,in IEEETransactionson Electromagnetic Compatibility,vol.62,no.6,pp.2842-2848,Dec.2020,doi:10.1109/TEMC.2020.3020840.”提出一种基于超表面的超宽带强场保护装置，将频率选择表面和能量选择表面叠加实现超宽带强场保护；但是，该方法为了保持两个表面独立工作，必须保证两表面相隔足够的高度，无法实现低剖面。因此，如何利用较低的剖面和较简单的结构实现具有超宽带防护的能量选择表面仍然是一个尚未解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述电磁防护的问题，提出一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，具有更为简单的结构、更低的剖面、更高的屏蔽效能，并实现超宽带防护。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，由若干个周期性单元呈周期排布构成，所述周期性单元呈正方形结构，包括：从下至上依次设置的底层金属结构6、第二介质基板层4、金属网格结构5、第一介质基板层1与能量选择结构2；其特征在于：
所述能量选择结构沿中心呈90°旋转对称结构、由十字形金属结构与四个PIN二极管3构成，所述十字形金属结构沿第一介质基板层上表面的中线设置、且十字形金属结构中沿第一介质基板层上表面的中线开设有顶层十字形缝隙，所述四个PIN二极管对应加载于顶层十字形缝隙中、且分别位于十字形金属结构的四条金属臂上；
所述金属网格结构沿中心呈90°旋转对称结构、采用田字形金属结构；
所述底层金属结构沿中心呈90°旋转对称结构、采用覆盖第二介质基板层下表面的金属层，金属层沿第二介质基板层下表面的中线开设有底层十字形缝隙7。
进一步的，田字形金属结构中间金属线的宽度为边框金属线的2倍。
进一步的，底层十字形缝隙采用弯折结构。
进一步的，所述第一介质基板层1与第二介质基板层4采用相同介质基板，且厚度相同。
从工作原理上讲：
能量选择表面(ESS)实现的方式是在金属结构上加载PIN二极管，当处于低功率密度时，二极管处于截止状态，可以近似的等效为一个小电容；当处于高功率密度时，二极管处于导通状态，可以近似等效为一个小电感串联一个小电阻；二极管的工作状态改变时，会导致ESS的表面阻抗产生巨大的差异，从而实现ESS透射和屏蔽两种工作状态。为了方便进一步阐述原理，通过建立等效电路来分析能量选择表面。
如图5所示为背景技术中基于超表面的超宽带强场保护装置的等效电路示意图，能量选择表面与频率选择表面之间的空气层视为一段传输线，也就是在能量选择表面与频率选择表面中间添加一个串联的电感和并联的电容，而等效出的并联电容值非常小，可以将其忽略；因此，图1中能量选择表面与频率选择表面通过一个串联的电感L0耦合，两表面之间的空气层厚度越厚，电感值越大，能量选择表面与频率选择表面之间的耦合就越小；由此可见，为了保证两层表面的独立工作，则需要两表面之间弱耦合，即需要保证一定的空气层厚度。
如图6所示为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的等效电路示意图，在能量选择结构A(能量选择结构2)与频率选择结构B(底层金属结构6)中间添加了一层金属网格结构5，等效为并联电感L3；同样，第一介质基板层1与第二介质基板层4也可以视为一段传输线，并且，两介质基板层的厚度与介电常数相同，在等效电路中等效为串联电感L2，由此，两个电感L2与电感L3构成了一个T型网络。通过变换，将T型网络变化为pai型网络，如图7所示；变换后的两个并联电感L31分别与能量选择结构A、频率选择结构B合并，从而变成了能量选择结构C与频率选择结构D，则能量选择结构C与频率选择结构D通过电感L21耦合，并且，串联电感L21的值要远大于变换前串联电感L2的值。由此可见，如图7所示等效电路形式与图5类似，所达到的效果相同；而在本发明中，由于金属网格结构5的添加，能够在串联电感L2值较小的情况下、即低剖面的情况下，实现能量选择表面与频率选择表面级联的效果。另外，经过变换后，电感L31能够与能量选择结构2结合，共同构成一个谐振器E，从而降低能量选择结构的设计复杂度；同理，电感L31能够与底层金属结构6结合，共同构成一个谐振器F，从而将低底层金属结构的设计复杂度。
为进一步说明本发明超宽带防护的工作原理，下面给出更为详细的等效电路，如图8所示为本发明中能量选择表面处于透射状态下的等效电路示意图，如图9所示为本发明中能量选择表面处于屏蔽状态下的等效电路示意图；由于电感的阻抗特性，并联的电感的频率响应表现为低阻高通，所以并联的电感会对低频段起到抑制作用，并且，并联的电感值越小对低频段的抑制作用越强；由于电容的阻抗特性，并联的电容的频率响应表现为低通高阻，所以并联的电容会对高频段起到抑制作用，并且，并联的电容值越大对高频段的抑制作用越强；由此可见，电路中的电感L21对低频段起抑制作用，而为了实现对高频段实现抑制，在电路中添加电容C2。具体而言：
能量选择表面处于透射状态下时，可以清楚的看到经过变换的电路中有两个谐振器，谐振器E由二极管等效的电容C1、电感L1和电感L31构成，谐振器F由电容C2和电感L31构成，两个谐振器仅由电感L21耦合；当两个谐振器的谐振点相同时，此等效电路是一个典型的二阶耦合谐振电路，可以产生二阶谐振；并且，由于谐振器E中还存在一个串联谐振，还会形成一个传输零点；电感L21对通带带外的低频段进行抑制，电容C1对通带外的高频段进行抑制，从而实现超宽带的带外抑制；
能量选择表面处于屏蔽状态下时，二极管工作状态的改变，二极管等效为电感，电路中的谐振器只余下一个，二阶谐振点消失；同时，二极管等效的电感L4、电感L1和电感L21可以等效为一个比电感L21值更小的电感，对低频段的抑制作用加强，所以由保留的谐振器形成通带被抑制；而并联电容器C2的存在也会导致高频电磁波被抑制，从而形成全频段的超宽带阻带。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明对能量选择表面和频率选择表面级联结构的等效电路进行改进设计，基于改进后等效电路设计得到一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面；在低功率密度入射时，本发明中低剖面能量选择表面在S波段产生一个通带，保证被保护的天线正常的接收和发射信号；在高功率密度入射时，本发明中能量选择表面能够将全频带的电磁波全反射；并且，本发明采用旋转对称结构，具有极化不敏感性。与现有技术相比，本发明提出的能量选择表面拥有更为简单的结构、更低的剖面、更高的屏蔽效能，并且能提供宽带更宽的防护，实现超宽带防护。
附图说明
图1为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的周期性单元的侧视图；其中，1为第一介质基板层，2为能量选择结构，3为PIN二极管，4为第二介质基板层，5为金属网格结构，6为底层金属结结构。
图2为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的能量选择结构的俯视图。
图3为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的金属网格结构的俯视图。
图4为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的底层金属结构结构的俯视图；其中，7为弯折结构的十字形缝隙。
图5为现有技术中基于超表面的超宽带强场保护装置的等效电路图。
图6为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的等效电路图。
图7为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面变换后的等效电路图。
图8为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面在透射状态下等效电路图。
图9为本发明中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面在屏蔽状态下等效电路图。
图10为本发明实施例中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面在1GHz到10GHz频率范围内两种状态的频率响应曲线图。
图11为本发明所提供的具有超宽带防护的低剖面能量选择表面在10GHz到35GHz频率范围内两种状态的频率响应曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，由若干个周期性单元呈周期排布构成，所述周期性单元呈正方形结构，如图1所示，包括：从下至上依次设置的底层金属结构6、第二介质基板层4、金属网格结构5、第一介质基板层1与能量选择结构2；具体而言：
所述能量选择结构2位于第一介质基板层1的上表面，如图2所示，能量选择结构沿中心呈90°旋转对称结构、由十字形金属结构与四个PIN二极管3构成，所述十字形金属结构沿第一介质基板层上表面的中线设置、且十字形金属结构中沿第一介质基板层上表面的中线开设有顶层十字形缝隙，所述四个PIN二极管对应加载于顶层十字形缝隙中、且分别位于十字形金属结构的四条金属臂上；相邻周期性单元间十字形金属结构对应相连；
所述金属网格结构5位于第一介质基板层1与第二介质基板层4之间，如图3所示，金属网格结构沿中心呈90°旋转对称结构、采用田字形金属结构，田字形金属结构中间金属线的宽度为边框金属线的2倍；相邻周期性单元间田字形金属结构的边框金属线对应相连；
所述底层金属结构6位于第二介质基板层4的下表面，如图4所示，底层金属结构沿中心呈90°旋转对称结构、采用覆盖第二介质基板层下表面的金属层，所述金属层沿第二介质基板层下表面的中线开设有底层十字形缝隙7，所述底层十字形缝隙采用弯折结构。
进一步的，本实施例中，周期性单元的周期为p，即单元尺寸为p×p、p＝8mm；能量选择结构中，十字形金属结构的金属臂宽度为we、we＝3.2mm，顶层十字形缝隙的缝隙宽度为ge、ge＝0.7mm，we的大小控制着等效电路中L1(如图8、图9所示)的大小；金属网格结构中，田字形金属结构的中间金属线的宽度为wf、wf＝0.4mm，wf的大小控制着等效电路中L3(如图6所示)的大小；底层金属结构中，底层十字形缝隙的宽度为gf、gf＝0.1mm，gf的大小与缝隙的弯折程度控制着等效电路中C2(如图8、图9所示)的大小；第一介质基板层1与第二介质基板层4的为同种介质基板、具体采用介电常数为2.65的F4B板材，并且，两层介质基板的厚度一致、均为2.1mm，厚度的大小控制着等效电路中L2(如图6所示)的大小；PIN二极管型号为恩智浦公司的BAP-70-03。
基于上述结构参数，本实施例中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的总厚度近似为4.2mm，为0.047个中心频率波长，小于中心频率的二十分之一波长，符合低剖面的要求。
进一步的，对本实施例中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面进行仿真测试，结果如图10与图11所示；如图10、图11分别展示了1GHz到35GHz、10GHz到35GHz频率范围内能量选择表面在低功率密度或高功率密度电磁波入射状态下的响应曲线，由图可见，在低功率密度电磁波入射状态下，2.83GHz到3.89GHz内插入损耗小于1dB，相对带宽31.5％，0-2.32GHz和4.29GHz-33GHz内屏蔽效能大于10dB，拥有良好的带外抑制；在高功率密度电磁波入射状态下，0到25GHz内屏蔽效能大于16dB，在0到33GHz内屏蔽效能大于10dB；综上所述，本实施例中低剖面能量选择表面在低功率密度电磁波入射状态下实现了超宽带的带外抑制，在高功率密度电磁波入射状态下实现了超宽带的频带抑制。
更进一步的，为了更为直观的说明本发明的有益效果，采用文献“D.Qin,R.Ma,J.Su,X.Chen,R.Yang and W.Zhang,Ultra-Wideband Strong Field Protection DeviceBased on Metasurface,in IEEE Transactionson Electromagnetic Compatibility,vol.62,no.6,pp.2842-2848,Dec.2020,doi:10.1109/TEMC.2020.3020840.”中基于超表面的超宽带强场保护装置作为对比例1，采用公开号为“CN 115458984B”的专利中高频超宽带能量选择表面作为对比例2，对比例1与对比例2的性能参数如下表所示：
剖面 防护频段 屏蔽效能 透射频段 插入损耗
对比例1 0.149λ 0-20GHz >13dB 3.38-4.33GHz <1.5dB
对比例2 0.122λ 0-16.2GHz >10dB 4.3-14GHz <1dB
与对比例1与对比例2相比，本发明中能量选择表面的剖面得到了显著降低，达到了中心频率波长的二十分之一以下；并且，在透射状态下，拥有超宽带的带外抑制，防护频段得到了显著拓展，屏蔽效能得到了进一步的提高，能够在0～25GHz内提供16dB以上的屏蔽效能，在0～33GHz内提供10dB以上的屏蔽效能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，由若干个周期性单元呈周期排布构成，所述周期性单元呈正方形结构，包括：从下至上依次设置的底层金属结构(6)、第二介质基板层(4)、金属网格结构(5)、第一介质基板层(1)与能量选择结构(2)；其特征在于：
所述能量选择结构沿中心呈90°旋转对称结构、由十字形金属结构与四个PIN二极管(3)构成，所述十字形金属结构沿第一介质基板层上表面的中线设置、且十字形金属结构中沿第一介质基板层上表面的中线开设有顶层十字形缝隙，所述四个PIN二极管对应加载于顶层十字形缝隙中、且分别位于十字形金属结构的四条金属臂上；
所述金属网格结构沿中心呈90°旋转对称结构、采用田字形金属结构；
所述底层金属结构沿中心呈90°旋转对称结构、采用覆盖第二介质基板层下表面的金属层，金属层沿第二介质基板层下表面的中线开设有底层十字形缝隙(7)。
2.按权利要求1所述具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，其特征在于，田字形金属结构中间金属线的宽度为边框金属线的2倍。
3.按权利要求1所述具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，其特征在于，底层十字形缝隙采用弯折结构。
4.按权利要求1所述具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，其特征在于，所述第一介质基板层与第二介质基板层采用相同介质基板，且厚度相同。
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