一种基于双极化的S波段能量选择表面构建方法

技术领域

本发明属于电磁领域，涉及微波射频技术，具体涉及一种基于双极化的S波段能量选择表面(ESS)构建方法。

背景技术

随着微波技术的发展，人们对电磁辐射的敏感性越来越高。尤其是高功率微波(HPM)和电磁脉冲(EMP)武器所产生的高功率信号，会与电子和电气系统进行耦合，从而产生破坏性的电流，对电子系统、网络系统和通信系统的安全造成了严重的威胁。

传统的保护电子设备的方法，如滤波器组件、频率选择表面(FSS)、屏蔽、吸收和接地等，可以提供有限的保护，但都有各自的特征缺陷。例如，接地能够导出设备外壳感应电流，无法对主通道进行防护；限幅器工作在天线后级的电路中，不能在空间中阻断强电磁脉冲进入天线端口；而金属屏蔽作为电磁脉冲常用的防护手段之一，在有效屏蔽强电磁脉冲的同时却阻断了被保护设备的信号收发。FSS可以阻止来自带外的信号，但允许HPM在工作频带内传播。传统检测技术存在的问题在于，不能有效地分辨出大功率的信号，也不能有效地检测出无线通讯所需要的微弱信号。

能量选择表面作为基于频率选择表面的研究而提出的新型概念，其作用是利用周期结构实现所需的滤波特性：除了对入射电磁波频率的选择，还可以对电磁波能量的大小进行筛选。在设计的安全阈值内，允许入射的电磁波低损耗通过，而对能量大于安全阈值的高功率微波起到大幅度衰减的效果。简单来说就是可以起到对外部电磁环境效应自适应的作用，从而保证内部的电子设备在正常运转的基础上免受微波高功率的破坏。目前的S波段的能量选择表面还没有在实现双极化功能的同时控制生产成本，生产成本比较高。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于双极化的S波段能量选择表面的构建方法，在实现双极化工作的同时采用大尺寸，减少所需二极管个数和能量选择表面单元的个数，在实现能量选择表面的大角度稳定性的同时降低成本。

本发明的一种基于双极化的S波段能量选择表面构建方法，包括如下步骤：

步骤1：根据双极化的需求选择能量选择表面的电磁单元的形状；

使用仿真软件模拟电磁单元的等效电路并进行频域仿真，获取电磁单元中二极管完全连接和断开时的插入损耗和屏蔽效能，验证所选择的电磁单元是否满足需求；

电磁单元采用井字结构，包括位于四周的金属贴片和位于中间的井字金属贴片；

步骤2：通过等效电路原理确定所需二极管的型号；

要求所需的二极管，当入射的S波段信号的电磁能量波小于要求值时，二极管处于断开状态，使得信号正常通过，否则，二极管被导通，使得入射的信号无法通过；

步骤3：使用仿真软件调整能量选择表面的电磁单元的周期长度、二极管的排列方式以及介质板厚度，确定最终的能量选择表面单元，使得电磁单元的插入损耗小于10dB，屏蔽效能大于20dB；

步骤4：使用最终的能量选择表面单元和所需二极管实现能量选择表面。

所述的步骤1中，设计能量选择表面的结构包括：在介质板正面设计电磁单元阵列，每个电磁单元由位于外围的上下左右的四条金属贴片和位于中间的井字金属贴片，以及连接外围金属贴片与中间井字金属贴片的二极管形成；在介质板背面上，对应每个电磁单元设计十字形的金属贴片。

所述的步骤3中，确定的最终能量选择表面的每个电磁单元的周期长度为15mm，介质板的厚度为0.5mm。每个电磁单元的外围上下左右的每条金属贴片的长度为8.4mm，宽度为0.8mm，距离电磁单元边的间隙为0.05mm；中间井字金属贴片由四条金属贴片形成，每条贴片长10.3mm，宽1mm。每个电磁单元在中间井字的每个金属贴片向外延伸处均设置一个二极管，与外围金属贴片连接，二极管的长度为1.5mm。每个电磁单元的介质板背面的每个电磁单元的十字形的金属贴片由两条金属贴片形成，每条贴片宽1.1mm。

相对于现有技术，本发明方法优点和积极效果在于：

(1)本发明方法实现的能量选择表面实现了双极化应用，在双极化的工作模式下，可以节省天线的数量，同时防护来自能量选择表面上的x方向和y方向的电磁脉冲；

(2)本发明方法制造简单、成本低廉，在频率一定、阵列大小一定的情况下，所实现的能量选择表面与常规的十字形能量选择表面相比，可以节省4倍的二极管数量，极大的降低的制作成本以及人工焊接的成本；

(3)本发明方法实现的能量选择表面，在正常信号入射的情况下，在插入损耗低于5dB时，能屏蔽效能大于17dB的频段为2.12-4GHz，带宽为61.4％，在S波段具有宽带宽的特点；

(4)本发明方法在控制能量选择表面单元透射系数时，保持单元整体结构不变，只需调节单元缩放比例，即可调节透射系数，整体设计比较简单，能方便地获得所需能量选择表面单元；

(5)本发明方法考虑成本因素，在同一波段下尽可能的扩大周期长度，减少所需的二极管个数和能量选择表面单元的个数，降低了人工焊接的成本，并经实验证明，本发明方法设计的能量选择表面结构，更改入射波入射角度，能实现能量选择表面的大角度稳定特性。

附图说明

图1为本发明基于双极化的S波段能量选择表面的构建流程图；

图2为本实施例使用HFSS仿真软件设计的能量选择表面完全通断时的模型示意图；

图3为图2中能量选择表面二极管完全导通时的屏蔽效能示意图；

图4为图2中能量选择表面二极管完全断开时的插入损耗示意图；

图5为本发明方法设计的能量选择表面单元结构图；

图6为本发明实施例在入射波正常入射时的插入损耗图；

图7为本发明实施例在入射波正常入射时的屏蔽效能图；

图8为本发明实施例在TM波不同角度入射的插入损耗图；

图9为本发明实施例在TE波不同角度入射的插入损耗图；

图10为本发明实施例在TM波不同角度入射的屏蔽效能图；

图11为本发明实施例在TE波不同角度入射的屏蔽效能图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明技术方案的实现。

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。

本发明的基于双极化的S波段能量选择表面的构建方法，采用了能量选择表面的等效电路理论，通过仿真频率选择表面确定能量选择表面的形状，达到双极化的效果，确定各个位置单元的尺寸，通过等效电路原理确定二极管的型号，将频率选择表面与二极管连接起来确定最终的能量选择表面，微调单元尺寸，达到屏蔽高脉冲，透过低脉冲的效果。通过本发明方法构建的能量选择表面具有双极化、成本低廉、制造简单等优势，具有良好的能量选择特性，对微波无线电能传输进一步推广应用具有重要意义。

本发明实施例主要基于ANSYS Electronics仿真软件或者高频结构仿真HFSS软件实现。如图1所示，本实施例的基于双极化的S波段能量选择表面构建方法，包括如下4个步骤，下面分别对各步骤进行说明。

步骤1：通过仿真频率选择表面确定能量选择表面的形状，达到双极化的效果。

能量选择表面由金属贴片、二极管、金属背板以及介质板组成，在介质板正面设计电磁单元阵列。如图2所示，本发明实施例设计的能量选择表面，在介质板正面设计电磁单元阵列，每个电磁单元由位于外围的上下左右的四条金属贴片和位于中间的井字金属贴片，以及连接外围金属贴片与中间井字金属贴片的二极管形成。

由于本发明的能量选择表面想要实现双极化的功能，因此电磁单元选择井字结构。根据想要的形状，使用HFSS仿真软件设计正常信号通过和强电磁脉冲通过时的等效模型，如图2所示。图2左侧为金属贴片完全连接时的单元图形，即对应能量选择表面二极管完全导通，即强电磁脉冲通过时的等效模型。图2右侧为金属贴片完全断开的单元图形，即对应能量选择表面二极管完全断开，即正常信号通过时的等效模型。使用仿真软件对不同情况的等效模型进行频域仿真可以看到他们的屏蔽效能和插入损耗。

如图3所示，对能量选择表面二极管完全导通时的等效模型进行频域仿真，从图中可看出，在S波段信号入射的屏蔽效能大于30dB的频段为2-3.4GHz，带宽为51.8％。如图4所示，对能量选择表面二极管完全断开时的等效模型进行频域仿真，从图中可以看出，在S波段的插入损耗S21在7dB以内，表明低脉冲信号可以正常通过。图中，TE mode表示输入为横电波，TM mode表示输入为横磁波，横坐标表示入射的S波段信号频率，纵坐标表示参数S21，在图中分别表征插入损耗、屏蔽效能。

从图3和图4可以看出，本发明选取的井字结构的表面单元在防护高功率脉冲信号，允许低功率信号正常通过，符合能量选择表面的基本要求，可以进行下一步工作。

如图5所示，本发明实施例设计的能量选择表面，金属背板是指在介质板背面对应每个电磁单元设计的十字形金属贴片。

步骤2：确定能量选择表面上各个位置单元的尺寸，通过等效电路原理确定二极管的型号。确定选用的二极管型号，本发明要求当入射S波段信号的电磁能量波较小时，二极管处于断开状态，能量可以通过；当入射S波段信号的电磁能量波较大时，二极管此时被导通，入射的电磁能量波无法通过。

为了达到上述目的，选取的二极管应该具有低电容、低损耗的特点。在本发明实施例中选择的二极管型号为BAP70-03。

本发明设计电磁单元的尺寸相比现有技术中能量选择表面的单元要大，现有单元的大小一般设计为4mm*4mm，而本发明设计为15mm*15mm，如图5和表1所示。

步骤3：对电磁单元整体缩放，通过仿真软件测量不同缩放尺寸下的电磁单元的插入损耗和屏蔽效能，确定满足需要的最终能量选择表面单元。

为了能量选择表面可以自适应的调整通断两种状态，将二极管的位置选择在可以控制开关的地方，连接井字金属贴片(即双十字金属贴片)与周围四个金属贴片，但在S波段带宽太窄。通过调整单元贴片的长度、金属板的宽度、介质板厚度等使透射率的频点左移，带宽变大，达到实际应用的目的——插入损耗小于10dB，屏蔽效能大于20dB。

本发明设计如图2所示的能量选择表面单元，通过改变能量选择表面的单元缩放尺寸，可通过仿真获得不同调整方案下的能量选择表面单元的屏蔽效能和插入损耗，即实现通过调整单元周期金属贴片长度来调整输入信号透射系数的目的，从而达到本发明要求的低能量信号低损耗通过、强电磁脉冲被抑制的功能。本发明实施例中设置的要求是，二极管断开时透射系数低于-10db，二极管工作时透射系数低于-2db。

本发明经过调整最终确定能量选择表面单元的结构尺寸如表1所示。

表1确定的能量选择表面单元的结构尺寸

从图5可以看出，在介质板的正面，双十字金属贴片垂直分布，周围四个金属贴片与介质板周围的缝隙为0.05mm，四个金属贴片与双十字金属贴片通过8个二极管连接起来，在介质板的背部有一个十字金属贴片，以提高低通信号的透射率。

更具体地，如图5和表1所示，采用本发明方法设计的一种基于双极化的S波段能量选择表面，在介质板正面设计电磁单元阵列，每个电磁单元由位于外围的上下左右的四条金属贴片和位于中间的井字金属贴片，以及连接外围金属贴片与中间井字金属贴片的二极管形成；每个电磁单元的大小为15mm*15mm，即单元的周期长度P为15mm；上下左右的每条金属贴片的长度A为8.4mm，宽度d为0.8mm，距离电磁单元边的间隙ds为0.05mm；中间井字金属贴片是由四条金属贴片形成的一个双十字金属贴片，每条金属贴片的长度L为10.3mm，宽度w为1mm；连接井字金属贴片与周围金属贴片的二极管的长度wp为1.5mm；介质板的厚度H设计为0.5mm；在介质板背面上，对应每个电磁单元设计十字形的金属贴片，每条金属贴片的长度为15mm，宽度wx设计为1.1mm。

步骤4：为验证大角度入射时能量选择表面的稳定性，在HFSS软件里更改不同的入射角度。由于本发明设计的能量选择表面是双极化，因此需要同时考虑X极化和Y极化角度改变时对能量选择表面有没有造成影响。将入射角度从0°到40°变化，观察TE波和TM波的插入损耗和屏蔽效能有没有明显变化。

从图6中可看出，正常入射时在2-4GHz的插入损耗均低于7.5dB，低于5dB的带宽为2.37-4GHz，带宽为51.1％。

从图7中可以看出，正常入射时屏蔽效能大于17dB的频段为2.12-4GHz，带宽为61.4％，因此本发明所实现的能量选择表面是一个宽带能量选择表面。

从图8中可以看出，TM波的插入损耗随入射角度theta(θ)的增大而减小，带宽随入射角度的增大而增大，而图9中TE波的变化趋势则相反，插入损耗随入射角度的增大而增大，带宽随入射角度的增大而减小，但总体来说变化相对稳定，依然具有较低的插入损耗。

从图10中可以看出，TM波的屏蔽效能随入射角度的增大而减小，带宽随入射角度的增大而减小，频点有右移的趋势，而图11中TE波的变化趋势则相反，屏蔽效能随入射角度的增大而增大，带宽随入射角度的增大而增大，频点有左移的趋势，但总体来说变化相对稳定，依然具有强大的屏蔽能力。

通过上面实验可以看出，采用本发明方法可更加方便和简单的设计所需要的能量选择表面单元，解决了目前S波段的能量选择表面在实现双极化功能时存在生产成本高的问题，所设计的能量选择表面具有性能优异、结构简单、成本低廉、实现双极化、在S波段具有宽带宽的特点，拓展了能量选择表面的功能，进一步丰富了能量选择表面的设计思路。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。上述实施例中所描述的实施方式也并不代表与本申请相一致的所有实施方式，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。