阅读说明：本技术 一种超宽频带强电磁场防护装置 (Ultra-wideband strong electromagnetic field protection device ) 是由 张文梅 秦冬梅 张丽红 杨荣草 贾鹤萍 梁美彦 于 2019-10-27 设计创作，主要内容包括：一种超宽频带强电磁场防护装置,涉及空间强电磁场防护领域,它包括有源频率选择表面、两层介质基板、带通频率选择表面；其中,有源频率选择表面印制在上层介质基板的上表面；带通频率选择表面印制在下层介质基板的下表面；两层介质基板中间是空气层；有源频率选择表面的单元结构为刻蚀了方环形缝隙和四条圆弧形缝隙的金属贴片,方环形缝隙的四条边上跨接有开关二极管,圆弧形缝隙上加载了三条等距排列的矩形贴片；带通频率选择表面的单元结构与有源频率选择表面相似,只是方环形缝隙和圆弧形缝隙尺寸与后者不同。本发明解决了目前防护装置防护带宽有限,造成大功率信号泄露的问题。(An ultra-wide band strong electromagnetic field protection device relates to the field of space strong electromagnetic field protection, and comprises an active frequency selection surface, two layers of dielectric substrates and a band-pass frequency selection surface; the active frequency selection surface is printed on the upper surface of the upper-layer dielectric substrate; the band-pass frequency selection surface is printed on the lower surface of the lower-layer dielectric substrate; an air layer is arranged between the two dielectric substrates; the unit structure of the active frequency selection surface is a metal patch etched with a square annular gap and four arc-shaped gaps, four edges of the square annular gap are connected with switching diodes in a spanning mode, and three rectangular patches which are arranged at equal intervals are loaded on the arc-shaped gaps; the unit structure of the band-pass frequency selective surface is similar to that of the active frequency selective surface except that the dimensions of the square annular gap and the circular arc gap are different from those of the latter. The invention solves the problem of high-power signal leakage caused by limited protection bandwidth of the conventional protection device.)

一种超宽频带强电磁场防护装置

技术领域

本发明用于空间强电磁场防护领域，具体涉及一种超宽频带强电磁场防护装置。

背景技术

随着高功率微波武器(HPMW)技术已趋于成熟，由HPMW产生的强电磁脉冲可通过天线耦合进入雷达、通信等电子系统，从而对电子设备造成不可逆的损害。因此，研究电子设备在强场条件下的防护策略具有十分重要的意义。

一般来说，高功率微波(HPM)的空间防护措施主要有两种，第一种是有源频率选择表面，它由频率选择表面、具有开关特性的半导体器件以及偏置电路构成。通过控制半导体器件的通断，有源频率选择表面可实现工作信号收发和带内HPM防护的兼容(S. Monni etal., “Limiting frequency selective surfaces,” in Proc. Eur. Microw. Conf.,Oct. 2009, pp. 606-609.)。但通带外的某些特定频段的高功率微波依旧可以通过有源频率选择表面，从而造成射频前端敏感模块的损坏。第二种是能量选择表面(ESS)，它通常由金属栅格和半导体器件构成。ESS能够根据入射波功率值的大小自适应的进行HPM防护(C.Yang et al., “A novel method of energy selective surface for adaptive HPM/EMPprotection,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 12, pp. 112-115,2013)。但是由于加工精度的限制，目前能量选择表面可防护的范围一般在0-3GHz，对高频HPM的防护性能有限。

鉴于有源频率选择表面只能防护带内HPM以及能量选择表面对高频HPM信号不具备防护效果的问题。本发明提出了一种具有超宽频带强场防护能力的防护装置。

发明内容

本发明为解决目前有源频率选择表面和能量选择表面防护带宽有限，而造成HPM泄露的问题，提出了一种采用带通频率选择表面和有源频率选择表面级联的方法实现超宽带强场防护的防护设备。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种超宽频带强电磁场防护装置，按照自上而下的顺序，依次包括有源频率选择表面、上层介质基板、下层介质基板、带通频率选择表面；

所述有源频率选择表面印制在上层介质基板的上表面；所述带通频率选择表面印制在下层介质基板的下表面；上层介质基板和下层介质基板中间为空气层；有源频率选择表面的轴线、上层介质基板的轴线、下层介质基板的轴线、带通频率选择表面的轴线相重合；

所述有源频率选择表面由M×M个单元构成，每个单元是一个方形金属贴片，所述方形金属贴片上刻蚀有方环形缝隙，在方环形缝隙的四条缝隙上跨接有PIN二极管；在所述方环形缝隙包围的内部贴片上蚀刻有半径为R的圆弧形缝隙，在所述圆弧形缝隙上加载有三条等距排列的矩形贴片；

所述带通频率选择表面由M×M个单元构成，每个单元是一个方形金属贴片，所述方形金属贴片上刻蚀有方环形缝隙；在所述方环形缝隙包围的内部贴片上蚀刻有半径为S的圆弧形缝隙，在所述圆弧形缝隙上加载有三条等距排列的矩形贴片；

强场防护装置的传输特性受入射信号功率的控制；当低功率信号入射时(防护装置样品处的功率密度<17W/m²)，由于感应电压小于阈值电压，二极管截止。此时，有源频率选择表面和带通频率选择表面的谐振频率均为f ₁，二者对工作频率为f ₁的信号均表现为透射，所以，工作频率为f ₁的电磁波可以传输。而HPM入射时(防护装置样品处的功率密度>17W/m²)，由于感应电压大于导通电压，二极管导通，有源频率选择表面的谐振频率移至f ₂，此时除频率为f ₂外的HPM均被有源频率选择表面反射，只有频率为f ₂的HPM可透过有源频率选择表面继续传输，而谐振频率为f ₁的带通频率选择表面对频率为f ₂的HPM信号表现出强反射，因此，强场防护装置可实现对高功率信号的超宽带防护。

本发明中超宽带是指相对带宽超过100%。高功率微波指脉冲武器产生的微波信号。

与现有的有源频率选择表面相比，所述的本发明利用带通频率选择表面与有源频率选择表面级联的方法不仅展宽了有源频率选择表面的工作带宽，还实现了对带内带外HPM的全频段防护，并且明显地改善了尖峰泄露问题，提高了防护效果；同时，本发明通过在方环形缝隙单元的中心贴片上刻蚀圆弧缝隙，增加了单元结构谐振频率的可调性；所实现的强场防护装置可传输通带内3.28-3.92GHz的正常通信信号，相对带宽达到17.78%，***损耗低于0.72dB，并且阻止0-20GHz的高功率微波进入系统，屏蔽效能大于13dB。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是有源频率选择表面单元结构实现过程示意图。

其中，a是在方形金属贴片5上刻蚀了方环形缝隙；b是在方环形缝隙包围的内部贴片8上蚀刻了半径为R的圆弧形缝隙9；c是在圆弧形缝隙9上加载了三条等距排列的矩形贴片10；d是在方环形缝隙的四条缝隙上跨接了PIN二极管；

图3是带通频率选择表面单元结构实现过程示意图。

图中，e是在方形金属贴片11上刻蚀了方环形缝隙12；f是在方环形缝隙包围的内部贴片13上蚀刻了半径为R的圆弧形缝隙14；g是在圆弧形缝隙9上加载了三条等距排列的矩形贴片15；

图4是本发明在低功率信号入射条件下的S₂₁示意图。

图5是本发明在高功率信号入射条件下的S₂₁示意图。

图6是本发明在低功率信号入射条件下的瞬态响应示意图。

图7是本发明在高功率信号入射条件下的瞬态响应示意图。

图8是本发明在不同入射场强条件下的透射场强示意图。

图9是本发明在不同入射场强条件下的屏蔽效能示意图。

图中：1-有源频率选择表面，2-上层介质基板，3-下层介质基板，4-带通频率选择表面，5-方形金属贴片，6-方环形缝隙，7-PIN二极管，8-内部贴片，9-圆弧形缝隙，10-矩形贴片，11-方形金属贴片，12-方环形缝隙，13-内部贴片，14-圆弧形缝隙，15-矩形贴片。

具体实施方式

一种可在超宽频带内实现强电磁场防护的装置，包括有源频率选择表面1、上层介质基板2、下层介质基板3、带通频率选择表面4；

所述有源频率选择表面1印制在上层介质基板2的上表面；所述带通频率选择表面4印制在下层介质基板3的下表面；上层介质基板2和下层介质基板3中间为空气层；有源频率选择表面1的轴线、上层介质基板2的轴线、下层介质基板3的轴线、带通频率选择表面4的轴线相重合；

所述有源频率选择表面1由M×M个单元构成，每个单元是一个方形金属贴片5，所述方形金属贴片5上刻蚀有方环形缝隙6，在方环形缝隙6的四条缝隙上跨接有PIN二极管7；在所述方环形缝隙6包围的内部贴片8上蚀刻有半径为R的圆弧形缝隙9，在所述圆弧形缝隙9上加载有三条等距排列的矩形贴片10；

所述带通频率选择表面4由M×M个单元构成，每个单元是一个方形金属贴片11，所述方形金属贴片11上刻蚀有方环形缝隙12；在所述方环形缝隙12包围的内部贴片13上蚀刻有半径为S的圆弧形缝隙14，在所述圆弧形缝隙14上加载有三条等距排列的矩形贴片15；

具体实施时，M=20，R=8.15mm，S=9.4mm。

如图4所示，曲线I表示有源频率选择表面在低功率信号入射条件下的传输系数S₂₁，曲线II表示防护装置在低功率信号入射条件下的传输系数S₂₁。通过图4可以看出：有源频率选择表面在3.46GHz处谐振，***损耗为0.33dB。工作带宽（|S₁₁|< -10 dB）为3.3-3.65GHz。此外，有源频率选择表面还在10.37GHz和15.56GHz处发生高次谐振。引入带通频率选择表面以后，由于电磁防护装置变成了双层结构，所以工作频带得到展宽（3.28GHz-3.92GHz），相对带宽达到17.78%，***损耗增大到0.72dB。

如图5所示，曲线I表示有源频率选择表面在高功率信号入射条件下的传输系数S₂₁，曲线II表示防护装置在高功率信号入射条件下的传输系数S₂₁。通过图5可以看出：当高功率信号入射时，感应电压大于阈值电压，二极管导通，有源频率选择表面的谐振点右移，通带内屏蔽效能增加至17dB，但有源频率选择表面对7.76GHz的HPM失去防护效果。而增加了理想带通频率选择表面后，7.76GHz处的传输损耗增大了12.5dB，最终，防护装置的屏蔽效能在0-20GHz的超宽带范围内始终大于13dB。

如图6所示，曲线I表示电场强度为10V/m的调制正弦平面波激励有源频率选择表面时的瞬态响应，曲线II表示电场强度为10V/m的调制正弦平面波激励防护装置时的瞬态响应。通过图6可以看出：有源频率选择表面和防护装置均工作在传输状态，透射信号的波形与入射信号基本相同。其中，有源频率选择表面透射信号最大场强为8.4V/m，防护装置的透射信号最大场强为8.3V/m，***损耗比有源频率选择表面约增加了0.1dB，对正常工作信号传输的影响基本可忽略不计。

如图7所示，曲线I表示电场强度为2000V/m的调制正弦平面波激励有源频率选择表面时的瞬态响应，曲线II表示电场强度为2000V/m的调制正弦平面波激励防护装置时的瞬态响应。通过图6可以看出：有源频率选择表面和防护装置均工作在防护状态，透射信号波形相较于入射信号发生明显失真。有源频率选择表面透射信号最大场强为797V/m，防护装置的透射信号最大场强为315V/m。本发明明显地减少了尖峰泄露，提高了对HPM的防护能力。

图8为本发明在不同入射场强条件下的透射场强示意图。由图8可以看出，当入射场强由0V/m逐渐增大到80V/m时，透射场强随入射场强线性增大。随着场强继续增大，二极管开始逐渐导通，透射场强随入射场强呈现非线性变化。

图9为本发明的屏蔽效能随入射波场强变化示意图。由图9可以看出，屏蔽效能SE随入射场强在2-20dB范围内变化。当电场强度在0-80V/m范围内变化时，防护装置处于稳定的传输状态，带内***损耗为2dB，随着场强逐渐增大，防护装置上的二极管部分导通，屏蔽效能SE随场强E线性增大，当场强增大到600V/m时，二极管全部导通，防护装置处于稳定的防护状态，屏蔽效能SE稳定在17dB以上，但随着场强增加存在明显波动。在图9中可以看到有两个明显的拐点，一是入射场强E=80V/m，此时二极管刚刚开始导通。二是入射场强E=600V/m，此时二极管全部导通。