一种基于曲折结构的小型化能量选择表面

技术领域

本发明属于电磁防护设计领域，具体涉及一种基于曲折结构的小型化能量选择表面，适用于通信设备的强电磁脉冲防护。

背景技术

近些年来电子科学技术的迅速发展，一方面使得现代化战争中的通信设备逐步趋于智能化和集成化，性能得到了大幅度的提升；另一方面也使得设备对于电磁攻击的敏感度提高了许多，极易受到不可逆转的损伤。与此同时，随着电磁脉冲武器向高机动性、脉冲波形可调性、宽频带高功率等方面的发展，通信设备所受到的电磁脉冲威胁也日益严重。因此为了降低军事战争中通信设备遭受电磁脉冲攻击时造成的损伤，需要采取有效的强电磁脉冲防护措施。

目前，传统的电磁兼容设计和强电磁脉冲抑制方法大多以滤波、屏蔽和接地等“后门”抑制手段为主，且研究相对深入。而针对“前门”的抑制手段研究却不太充足，目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；还有在前端加装滤波器或者频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)的手段，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地改变自身工作状态，无法对频率在通带内的强电磁脉冲进行有效抑制。

能量选择表面(Energy Selective Surface，ESS)允许能量小于安全阈值的电磁波通过，而对能量大于安全阈值的强电磁脉冲进行衰减。能量选择表面是在FSS的基础上，由FSS的周期性结构以及表贴在周期性结构上的PIN二极管构成。工作原理是利用高功率微波的强电场效应以及半导体的压控导电特性，在受到高能量电磁波辐照时，在能量选择表面上感应出的大电压使能量选择表面迅速由高阻态变为低阻态，从而对高能量电磁波进行衰减，起到屏蔽作用；而当小能量电磁波辐照到能量选择表面时，在能量选择表面上感应出的电压很小，无法使能量选择表面从高阻态转换到低阻态，从而允许小能量的电磁波顺利通过。能量选择表面利用PIN二极管的通断来改变结构的表面阻抗，从而改变能量选择表面对电磁波的传输特性，以达到保护电子设备系统不被高功率微波损坏的目的。公开号为CN116171034B的专利文献提出C频段宽带能量选择表面，通过在周期结构间加载开关二极管和集总电容实现对电磁能量的自适应防护。公开号为CN115458948A的专利文献提出一种高频超宽带能量选择表面，通过采用多层级联的结构实现了宽频带的防护。

然而上述专利提出的能量选择表面都是应用在高频段，当其在低频段使用时会存在尺寸过大、剖面高的问题，使得有限空间内排布的周期单元数量减少，在非平面波照射区域、曲折度较大的部位等特殊的环境中使用时会产生栅瓣前移、曲面结构共形难度高等问题，导致角度和极化稳定性变差的同时也使得能量选择表面的传输性能受到影响。因此在设计应用于低频段强电磁脉冲防护的能量选择表面时，应尽量地减小其单元结构尺寸。

发明内容

本发明提供一种基于曲折结构的小型化能量选择表面，以解决能量选择表面在低频段小型化程度不足的问题。

本发明采取的技术方案是，包括五层结构，自上而下依次为顶层电磁响应结构、第一介质基板、中间连接层结构、第二介质基板和底层电磁响应结构，所述第一介质基板和所述第二介质基板为外形尺寸一致的方形板体，所述顶层电磁响应结构与底层电磁响应结构完全一致，所述五层结构依序压合在一起。

所述顶层电磁响应结构包括顶层电磁响应组件和顶层二极管，其中顶层电磁响应组件呈周期性排列，顶层二极管以相互正交的方式加载在顶层电磁响应组件之间，该顶层电磁响应组件的主体结构是由典型的耶鲁撒冷结构经过曲折处理后得到，该典型的耶鲁撒冷结构经过曲折处理后的结构关于单元中心对称。

所述顶层电磁响应组件主体结构中曲折线的材质为铜。

所述顶层二极管采用PIN二极管。

所述中间连接层结构包括呈周期性排列的中间连接层响应组件，其主体结构是由的方环结构经过曲折处理后得到。

所述第一介质基板和所述第二介质基板采用的材料相同，均为高频电路板材。

当10kv/m以下的低能量信号入射时，由于金属线上所感应到的电压低于顶层电磁响应结构与底层电磁响应结构中二极管导通的门限阈值，二极管处于截止状态。

当10kv/m以上的高能量信号作用于能量选择表面时，顶层电磁响应结构与底层电磁响应结构中二极管两边的感应电压远大于导通的门限阈值，二极管处于导通状态。

本发明的优点在于：

1.利用PIN二极管，实现了对电磁能量进行感知的能量选择特性，能够针对空间场强自适应改变自身工作状态，在不影响正常工作信号的同时，自适应的屏蔽强电磁脉冲，保护电子设备安全，使用多层级联结构扩展了防护带宽，提高了防护性能。

2.利用曲折的金属条带构成谐振单元，能够在单元尺寸不变的情况下使得金属线的长度增加，从而增大电流路径，实现增加等效电感的目的；同时曲折处理也使得相邻金属线之间的耦合缝隙变小，增大了等效电容，这种结构使得谐振单元拥有了较小的周期单元尺寸，且对横电波(TE波)和横磁波(TM波)均在入射角度从0°到60°变化的范围内有着良好的稳定性。

附图说明

图1是本发明的爆炸图；

图2是本发明典型耶鲁撒冷结构曲折处理示意图；

图3是本发明方环结构曲折处理示意图；

图4是本发明顶层电磁响应结构的结构示意图；

图5是本发明中间连接层结构的结构示意图；

图6是本发明PIN二极管在截止和导通时的等效电路图；

图7是本发明的插入损耗和屏蔽效能图；

图8是本发明的等效电路图；

图9是本发明的微带线等效电路图；

图10是本发明等效电路与全波仿真的结果对比(插入损耗)图；

图11是本发明等效电路与全波仿真的结果对比(屏蔽效能)图；

图12是本发明横电波(TE波)下不同入射角下小型化能量选择表面的插入损耗仿真结果图；

图13是本发明横磁波(TM波)下不同入射角下小型化能量选择表面的插入损耗仿真结果图；

图14是本发明横电波(TE波)下不同入射角下小型化能量选择表面的屏蔽效能仿真结果图；

图15是本发明横磁波(TM波)下不同入射角下小型化能量选择表面的屏蔽效能仿真结果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，包括五层结构，自上而下依次为顶层电磁响应结构1、第一介质基板2、中间连接层结构3、第二介质基板4和底层电磁响应结构5，所述第一介质基板2和所述第二介质基板4为外形尺寸一致的方形板体，所述顶层电磁响应结构1与底层电磁响应结构5完全一致，所述五层结构依序压合在一起。

如图2所示，所述顶层电磁响应结构1包括顶层电磁响应组件101和顶层二极管102，其中顶层电磁响应组件101呈周期性排列，顶层二极管102以相互正交的方式加载在顶层电磁响应组件101之间，以实现对强电磁脉冲的自适应性防护，该顶层电磁响应组件101的主体结构是由典型的耶鲁撒冷结构经过曲折处理后得到，该典型的耶鲁撒冷结构经过曲折处理后的结构关于单元中心对称，水平的曲折线均可由竖直的曲折线旋转90°而得，简化了单元的复杂度。

所述顶层电磁响应组件101主体结构中曲折线的材质为铜。

所述顶层二极管102采用PIN二极管。

如图3所示，所述中间连接层结构3包括呈周期性排列的中间连接层响应组件301，其主体结构是由方环结构经过曲折处理后得到。

所述第一介质基板2和所述第二介质基板4采用的材料相同，均为高频电路板材。

当10kv/m以下的低能量信号入射时，由于金属线上所感应到的电压低于顶层电磁响应结构与底层电磁响应结构中二极管导通的门限阈值，二极管处于截止状态。

当10kv/m以上的高能量信号作用于能量选择表面时，顶层电磁响应结构与底层电磁响应结构中二极管两边的感应电压远大于导通的门限阈值，二极管处于导通状态。

下边通过实例来进一步说明本发明。

如图1所示，顶层电磁响应结构1含有2×2个顶层电磁响应组件101，且呈周期性地排列，如图2所示，其主体结构由典型耶路撒冷结构通过多次曲折处理后得到，关于单元中心对称，水平的曲折线均可以由竖直的曲折线旋转90°而得，简化了结构单元的复杂度，顶层二极管102选用具有开关特性的半导体二极管，其以相互正交的方式加载在顶层组件主体结构之间以实现对强电磁脉冲的自适应性防护。

在本实施方式中，所述第一介质基板2和第二介质基板4为外形尺寸一致的方形板体；如图1所示，所述第一介质基板2和第二介质基板4的厚度均为h。

所述中间连接层结构3含有2×2个中间连接层响应组件301，且呈周期性地排列，如图3所示，中间连接层响应组件301主体结构由方环结构经过多次曲折处理得到。

顶层二极管和底层二极管选用型号相同的具有开关特性的半导体二极管，本实例选用的型号为BAP70-03的PIN二极管，也可以利用其它具有开关特性的半导体二极管代替。PIN二极管不需要外加偏置电压或者馈线网络，直接利用金属条上感应的电压自适应导通。如图6所示，当入射波的功率较低时，PIN二极管两端的感应电压小于导通的门限，二极管截止，工作信号可以正常通过，此时PIN二极管可以等效为一个电感L

当能量选择表面的等效电路中的等效电容和等效电感变大时，能量选择表面的中心谐振频率会减小。基于此，对能量选择表面的周期单元结构进行曲折处理，能够在单元尺寸不变的情况下使得金属线的长度增加，从而增大电流路径，实现增加等效电感的目的；同时曲折处理也使得相邻金属线之间的耦合缝隙变小，增大了等效电容。等效电容和等效电感的同时增大使得中心频率减小，向低频移动，而通过缩减能量选择表面的周期尺寸能使得其中心频率增大，像高频移动，所以曲折处理能够实现使能量选择表面小型化的目的。

如图4所示，由典型耶鲁撒冷结构曲折处理后的结构外围尺寸为E，其金属曲折线的材质为铜，金属曲折线宽w

如图5所示，由方框结构曲折处理后的结构外围尺寸为H，其金属曲折线的材质为铜，曲折线宽为w

表1结构参数(单位：mm)

结合图1所示，第一介质基板和第二介质基板为尺寸一致的方形板体。第一介质基板和第二介质基板的厚度均满足h＝0.75mm，它们作为衬底材料，起到结构支撑的作用，同时将顶层电磁响应结构、中间层结构、底层电磁响应结构相互间隔开来。两个介质基板采用的材料是一致的，均为高频电路板材，介质基板的尺寸与能量选择表面单元周期尺寸一致。

本发明中上述三层金属结构之间存在电磁耦合，且在水平方向和垂直方向都加载PIN二极管，能对不同方向入射的强电磁脉冲进行有效的防护。对能量选择表面在电磁仿真软件CST中进行仿真模拟，说明本发明的有效性。该能量选择表面在低能量信号和高能量信号入射时的性能参数如图7所示，可以看出，在低能量信号(10kv/m以下的信号)入射时，由于金属线上所感应到的电压低于PIN二极管导通的门限阈值，二极管截止，在特定的波长下周期结构会发生共振现象，使得能量选择表面产生一个频带可供信号低损耗通过。此时能量选择表面为透波模式，L频段内插入损耗小于1dB的带宽在770MHz以上；高能量信号(10kv/m以上的信号)作用于能量选择表面时，PIN二极管两边的感应电压远大于导通的门限阈值，此时二极管处于导通状态，相邻单元结构被连接在一起形成能够导电的金属栅格使得表面波阻抗降低，能量选择表面转换成防护模式，带内信号被屏蔽在能量选择表面之外，从而保护后级电路。可以看到能量选择表面在中心谐振频率处的屏蔽效能可达到40dB以上，10dB防护带宽在750MHz以上，相对带宽在50％以上。

式(1)中的λ为入射波的波长，f为入射波的频率，P为能量选择表面的周期单元尺寸，d

d

等效电路中的等效电容C

其中：

等效电路中的等效电感L

式子中的d

d

等效电路中的等效电容C

为了更好的理解本发明内容，利用电磁等效电路理论分析其工作原理。每个周期单元结构内的电流分布和场分布是相同的，如果忽略近场的分布，可以将在电磁波在空间中的传播等效为电压电流在无损耗传输线上的传输。当在周期单元上施加电场时，由于相邻金属曲折线之间存在感应电势差，因此能够和电容一样存储电能，其效果就可以等效为电容；金属曲折线上电荷移动而激励产生的电流能够形成磁场，因此能够和电感一样存储磁能，其效果可以等效为电感。由以上得到如图8所示的等效电路图。顶层电磁响应组件主体结构可以等效为等效电感L

等效电路中的等效电感L

上述式中的F函数可由式(8)定义：

因为能量选择表面中顶层组件主体结构与底层主体结构的结构、尺寸完全相同，所以等效电路中电感L

能量选择表面的第一介质基板和第二介质基板均可分别等效为一段特征阻抗为Z

传输线长度l与介质基板的厚度h相同，因此可将传输线近似等效为并联电容C

C

L

其中ε

在仿真软件ADS中搭建等效电路。将利用等效电路仿真得到的结果与全波仿真的结果进行对比。从图10和图11可以看出由两种方法得到的计算结果具有良好的一致性，插入损耗与屏蔽效能的曲线基本吻合，中心谐振频率一致，在验证了等效电路模型正确性的同时，也从电路的角度说明了本发明提出的能量选择表面具有良好的防护性能和透波性能。且从等效电路中可以看出，能量选择表面主要通过传输线耦合相互作用，因此多层级联结构出现了与高阶滤波器相似的带内波纹和边沿陡降性。

在能量选择表面的实际工程应用中，很多情况下入射波源的极化方式是未知的，且应用往往会涉及到曲面，此时电磁波的入射角度范围就会很大。当入射角度发生改变，周期结构的防护带宽和中心谐振频率也会发生变化，对于金属贴片的周期结构，当横电波(TE波)入射时，随着入射角度的增大，周期结构传输系数的带宽会以secθ的比例增大；当横磁波(TM波)入射时，随着入射角度的增大，带宽会以cosθ的比例减小。因此，需要检验能量选择表面的极化和角度稳定性

将TE和TM模式下电磁波的入射角度从0°开始以15°为间隔变化到60°，仿真在不同极化情况、不同入射角的情况下，能量选择表面的插入损耗和屏蔽下能的变化。结果如图12、图13、图14、图15所示，由于本发明采用了中心对称的周期结构，能量选择表面在TE和TM极化模式下均具有良好的极化稳定性。而对于TE模式的电磁波，当入射角度从0°增加到60°时，插入损耗逐渐增大，屏蔽效能逐渐增大，对应的-10dB的防护带宽也在逐渐变宽，中心谐振频率会向高频处偏移一些，但最大偏移量仅为0.09％；对于TM模式的电磁波，当在0°～60°范围里时，随着角度的增加，插入损耗增大，屏蔽效能减小，10dB带宽也逐渐减少，中心谐振频率几乎没有改变。但是总体而言，在入射角度不大于60°时，TE模式和TM模式下的能量选择表面都能保持良好的角度稳定性，这正是周期单元尺寸小型化的优势。

综上所述，本发明提出的基于曲折结构的小型化能量选择表面通过利用PIN二极管，实现了对入射电磁波进行感知的能量选择特性，能够针对空间场强自适应改变自身工作状态，在不影响正常工作信号的同时，自适应的屏蔽强电磁脉冲，保护电子设备安全；使用多层级联结构扩展了防护带宽，提高了防护性能；利用曲折结构增大了单元等效电容与等效电感，提高了能量选择表面小型化程度，实现了单元尺寸小和对电磁波入射角度和极化状态的变化不敏感。通过CST仿真和等效电路法对其性能进行了分析，结果表明本发明提出的能量选择表面具有尺寸紧凑、高屏蔽效能、低插入损耗、阻带宽、入射波角度宽等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。