基于能量选择表面的电磁防护新方法

杨 成，黄贤俊，刘培国

（国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙 410073）

基于能量选择表面的电磁防护新方法

杨 成，黄贤俊，刘培国

（国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙 410073）

利用场致导电材料或压控导电结构的特性，设计能量选择表面，阐述了其能量低通的防护机理，给出了一种典型的设计方法，然后选用PIN二极管在印制电路板上制作了3块能量选择表面进行测试，实现了不同时刻的屏蔽和透波功能，验证了能量选择表面作为新型电磁防护方法的可行性和灵活性。

能量选择表面；电磁防护；PIN二极管

近些年来，高功率微波（HPM）、超宽带武器、电磁炸弹等电磁脉冲武器出现，严重威胁了电子设备的安全。这些电磁武器工作频带宽、场强能量高、覆盖半径大，给现有的电磁防护带来了新的挑战。当电磁威胁集中作用于设备工作频带时，常采用2种防护措施：1）设备级的电磁防护，采用快反应速度的保护器件，如天线端口加装快速脉冲放电器，射频前端、线缆加装光耦合器、PIN限幅器、等离子体限幅器等［1－2］；2）系统级的电磁加固，采用空间场的电磁防护，如机箱外壳屏蔽，内壳涂覆吸波材料，孔缝处采用截止波导、滤波器加隔离舱等［3］。

但空间场的电磁防护是把双刃剑，它在隔离强电磁脉冲的同时，往往也阻断了被保护设备的信号收发。因此，在强电磁环境中工作的电子设备，其电磁防护的隔离与透波构成一对矛盾。为解决这种矛盾，笔者提出了基于能量选择表面的电磁防护新方法，它实现了电磁能量的低通特性，即对容易造成系统损伤的高强度电磁信号完全“阻挡”，以抵御强电磁脉冲的攻击，对系统最大承受范围内的低强度电磁信号及时“放行”，以保证正常的电磁信号的接收和发送。

1 防护机理

能量选择表面（energy selective surfaces，简称ESS）是一种通过场致导电材料或压控导电结构设计的电磁防护手段，具有电磁环境自适应特性。它从感应空间电磁场强出发，以空间电磁能量作为激励源，实时地改变材料的电磁特性或结构的阻抗特性，继而改变能量选择表面对电磁波的传输特性，最终决定空间电磁分布。简而言之，能量选择表面是一个空间场强限幅器，可实现电磁能量的低通特性。

如图1所示，当t＝t1时刻，空间电磁场强低于设备所能承受最大场强Eth，能量选择表面呈透波特性，插入损耗很小，安全电磁信号几乎无衰减的通过；当t＝t2时刻，空间电磁场强逐渐接近设备所能承受最大场强Eth，能量选择表面插入损耗逐渐增大，此时的电磁信号部分被反射，部分继续通过；当t＝t3时刻，空间电磁场强超过设备所能承受最大场强Eth，能量选择表面类似理想金属，入射的强电磁信号全部被反射，实现全屏蔽的防护效果。实际运用中，能量选择表面可以通过空间场强激励改变透波与隔离状态，称之为无源能量选择表面，也可以通过外加偏置来控制，此时称之为有源能量选择表面。

图1 能量选择表面防护示意图

2 ESS设计与分析

能量选择表面可以利用场致导电材料，如具有电致电阻效应La0．67Ca0．33MnO3［4］等，具有遂穿导电特性的金属／非金属两相纳米颗粒体系Cu／SiO2，氧化物纳米颗粒体系La1－xSr MnO3，Sr2Fe MnO6等来实现，也可以利用压控导电元件，如PIN二极管管芯在纳米结构层次上实现，或小封装尺寸的贴片二极管在PCB上实现。

一种典型的能量选择表面结构如图2所示，该能量选择表面具有周期结构，每个周期单元由小段导线与一反向并联的二极管对串联组成，可用于防护线极化的强电磁信号。从理论上讲，对于理想的能量选择表面，通过调整导线长度、二极管排列方向以及周期单元尺寸可以实现任意频带的电磁防护。但实际上，强电磁脉冲或者高功率微波的能量分布频带有限，而且频率越高，电磁波在空间中衰减越大，对设备威胁越小，因此能量选择表面可针对实际的防护需求来设计。

为研究能量选择表面的能量低通特性，笔者选取L，S波段进行防护研究，设计了3块能量选择表面进行测试，结构尺寸如表1所示。值得指出的是，处于透波工作模式的能量选择表面应当具有小的插入损耗，故选用恩智浦（NXP）3种小零偏电容的贴片PIN二极管。

图2 能量选择表面结构示意图

表1 ESS结构设计参数

3 实验测试

参考国军标GJB 6190—2008电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法［5］，笔者将屏蔽室采用金属板代替，以减少屏蔽室内谐振对测试的影响，设计了如图3所示金属板开窗的实验方案，以测量能量选择表面处于透波工作模式的插入损耗和处于屏蔽模式的隔离度。

实验时，将发射和接收天线分别置于金属板两侧一定距离处，并在金属板中心开窗，使三者中心处于同一水平线上（注：金属档板的尺寸根据所需测试的频段、开窗的大小以及发射天线的方向图决定），本实验频率为1～6 GHz，金属板大小为2 m×3 m，开窗为20 cm×15 cm，发射接收天线距金属板1～1．5 m，图4给出了实验场景。

按照设计要求，当能量选择表面处于安全场强环境中时，对电磁波的传输呈透波特性，即插入损耗较低。测试中，由于处于L，S频段的喇叭天线主瓣较宽，测试系统虽避免了谐振，却引入了多径传播效应（即电磁波从金属板周围绕射进入接收天线），这可以通过时域加窗处理消除［6－8］。图5给出了小信号辐照条件下，经过时域加窗修正后的能量选择表面透波性能对比。不难发现，处于L，S波段工作的能量选择表面插入损耗基本在1 dB左右，对空间电磁波的传输影响较小。对照表1给出的二极管参数，可以得出：使用贴片元件的封装越小，零偏电容越小，列方向上二极管间距越小，则能量选择表面的插入损耗越小。

图3 能量选择表面实验方案

由于无源能量选择表面由透波向隔离状态改变，需要极大的空间场强，这对测试人员和设备的自身防护提出了严格的要求。为验证能量选择表面处于隔离工作模式时的屏蔽效果，笔者采用有源能量选择表面进行实验。图6给出了外加直流偏置条件下能量选择表面的防护效果。不难发现，除采用BAP6402设计的ESS3隔离度稍低以外，其他2块能量选择表面L，S波段的电磁波传输衰减至少大于20 d B。由表1可知，采用BAP6403设计ESS2周期单元列间距最小，故其隔离度最好。

通过上述实验，从原理上可以证明：基于PIN二极管设计的能量选择表面具有能量低通的防护特性，可在不影响电子设备正常工作的前提下，有效地防护强电磁脉冲和高功率微波攻击，相比其他强电磁防护手段，具备自适应性强、工作频带宽、功率容量大等特点。

图4 实验场景

图5 弱场强条件下ESS透波性能对比

图6 强场强条件下ESS屏蔽效能对比

4 结 语

基于能量选择表面的电磁防护手段具有能量低通特性，按照实际使用分为有源ESS和无源ESS，是一种新型防护手段。从能量选择表面防护机理出发，给出一种典型的结构设计，实际制作了3块基于PIN二极管的能量选择表面，在L，S波段进行测试，从原理上验证了能量选择表面的能量低通特性。结果表明，透波条件下，ESS插入损耗在1 dB左右，隔离条件下，ESS屏蔽效能至少大于20 d B，通过进一步的改进，可以代替金属应用于常规电磁屏蔽场所，如天线防护、关键区域防护、敏感部件防护和人员防护等，也可应用于具有严格电磁兼容指标的航空、航天设备。在实际应用中，能量选择表面还应注意柔性和共形设计、高速响应设计以及防止高电压导致的电击穿和强电流导致的热击穿等工程问题，以提高其实用化水平。

［1］ LEENOV D．The silicon pin diode as a microwave radar protector at megawatt levels［J］．IEEE Trans on Electron Devices，1964，11（2）：53－59．

［2］ PATEL S D，SUBROWSKY L D，SADDOW S E，et al．Microstrip plasma limiter［J］．IEEE MTI－S Digest，1989（7）：879－882．

［3］ 赵福辰．电磁屏蔽材料的发展现状［J］．材料开发与应用，2001，16（5）：29－33．

［4］ ALTGILBERS L，BAKEVICIUS S，KIPRIJANOVIC O，et al．Fast protector against emp using electrical field induced resistance change in La0．67Ca0．33Mn O3thin films［A］．Proc of IEEE Pulsed Power Plasma Science［C］．［S．l．］：［s．n．］，2001．545－548．

［5］ GJB 6190—2008，电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法［S］．

［6］ HINES M，STINEHEIFER H．Time domain oscillograph microwave network analysis using frequency domain data［J］．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1974，22（3）：276－282．

［7］ 韩晓东，黄珍元，郑利颖．基于chirp＿z逆变换矢量网络分析仪时域测量技术［J］．电子测量技术，2003（3）：1－2．

［8］ 徐 杰，黄敬健，黄居敏．矢量网络分析仪时域功能分析［J］．电子测量技术，2008，31（9）：35－37．

TN07

A

1008－1542（2011）12－0081－04

2011－06－20；责任编辑：张士莹

武器装备预研基金资助项目（9140A04020310KG0112）

杨 成（1987－），男，湖北随州人，硕士研究生，主要从事电磁兼容方面的研究。