基于压控导电结构的能量选择表面防护机理和仿真实验研究

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

0 引 言

随着微电子技术和脉冲功率技术的发展，武器装备面临着严峻的电磁威胁。一方面，为满足高速信号传输和低功耗的设计指标，武器装备大量采用半导体和集成电路设计，导致系统电磁敏感阈值下降；另一方面，强电磁脉冲武器在辐射瞬间能释放出高功率、超宽谱的强电磁脉冲［1－3］，进入敏感系统会导致半导体器件击穿、集成电路烧毁，使设备失效或永久损坏。为提高武器装备在强电磁环境中的生存能力和作战效能，必须采取有效的强电磁脉冲防护手段和措施。

强电磁脉冲防护的目的是防止电磁脉冲的能量通过辐射或传导方式进入敏感系统，以舰船平台为例，美军提出了舰船3 级加固的方法［4－5］，即平台加固、系统加固和电路加固，主要采用了屏蔽、滤波、限幅和接地等防护手段与措施。屏蔽手段采用具有高电导率、高磁导率材料制成的连续屏蔽体，如金属丝网、镀金薄膜、夹金属网玻璃等；滤波和限幅则采用滤波器、微波限幅器、气体放电管和浪涌保护器件等。此外，良好的接地、合理的线缆布局以及操作时间回避等也是对电子系统进行电磁加固的常用方法。

上述防护方法多从传统电磁兼容技术过渡而来，应用于强电磁脉冲防护时存在一定的局限。高功率微波源瞬时电磁脉冲峰值场强可达数百千伏每米，要使舰船平台能有效抵御电磁脉冲武器的攻击，就必须对强电磁脉冲进行隔离。最有效的隔离手段是金属屏蔽，但金属屏蔽在有效屏蔽强电磁脉冲的同时，也阻断了被保护设备的信号收发。

在复杂的电磁环境中，武器装备既要能抵御电磁脉冲武器的攻击，又要能正常接收和发送电磁信号，这对强电磁脉冲防护提出了更高的要求，即要求建立一种能量选择的防护机制：允许安全电磁信号通过，禁止强电磁信号进入系统。而现有防护手段均不能满足上述防护需求，为此，本文从能量选择的防护机制出发，将研究能量选择表面（Energy Selective Surface，ESS）对能量的选择和对强电磁脉冲的防护机理，设计一种ESS 结构并进行仿真和实验验证，为武器装备强电磁防护提供新的途径和方法［6-7］。

1 防护机理

针对能量选择的防护机制，本文提出了一种可用于强电磁脉冲防护的ESS。ESS 是一种利用强电磁效应改变阻抗特性、实现能量选择的电磁防护表面。这种电磁防护表面利用了电磁脉冲的强电场效应，具有变阻抗特性，即在低功率的安全电磁波照射下处于高阻态，在高功率电磁波照射下瞬变为低阻态。同时，这种材料还要有一个合理的安全阈值，即当空间场强大于安全阀值时，材料导电特性发生突变，从高阻态转换到低阻态，对电磁波的作用从允许通过转变为禁止，从而有效避免大于安全阈值的电磁脉冲对被保护设备造成损毁。

假设空间电磁波的电场强度如图1 所示变化，Eth为武器装备所能承受的最大场强。在t=t1时刻，空间电磁场强低于Eth，ESS 未导通，插入损耗很小，安全电磁信号几乎无衰减地通过；在t=t2时刻，空间电磁场强逐渐接近设备所能承受的最大场强Eth，ESS 部分导通，插入损耗逐渐增大，此时的电磁信号部分被反射；在t=t3时刻，空间电磁场强超过了电子系统所能承受的最大场强Eth，ESS 完全导通，所有的入射信号全部被反射，使武器装备免受强电磁辐射的攻击。

图1 ESS 自适应防护示意图Fig.1 Illustration of Energy Selective Surface protection

ESS 对电磁波传输的影响表面上是由阻抗特性决定，实质上是由其表面的感应电流大小决定。总体来说，ESS 对电磁波的作用分为反射、透射和吸收3 部分。如图2 所示，假设电磁波沿＋z方向垂直入射，根据感应定理，空间总场为入射场和散射场的叠加。x 方向的电场对电子产生作用，在ESS 表面形成感应电流（传导电流或极化电流），产生散射场。该散射场沿－z 方向传播，形成反射场，沿＋z 方向传播与原入射场一起表现为透射场，同时，电子在ESS 表面运动可能转化为焦耳热，形成能量耗散。

图2 ESS 表面感应电流辐射场示意图Fig.2 Illustration of field radiated by ESS surface inducing current

当入射波功率较低时，ESS 为高阻态，形成的表面感应电流很微弱，对入射波的传播几乎无影响；当入射波功率足够高时，ESS 发生突变，进入低阻态，ESS 表面形成很强的感应电流，该电流沿＋z 方向传播，与原入射场相抵消，使总的透射场发生大幅衰减，即有效隔离强电磁信号。

为定量描述ESS 对电磁波的作用，参照阻抗边界［8］，定义ESS 表面阻抗ZS满足：

式中，JS为阻抗表面的面电流密度，大小等于n×和分别为ESS 表面两侧的切向磁场；Et为切向电场；ZS为ESS 的表面阻抗，可写成RS+jXS，其中RS表示表面电阻分量，对应传导电流，单位为Ω/方，XS表示表面电抗分量，对应极化电流，单位为Ω/方。

ZS表征了ESS 表面切向电场与面电流密度之间的关系。如图3 所示，假设空间中存在x 方向流动的平面电流层，任意划出一块长方形区域，则ESS 表面切向电场Et在数值上等于沿电场方向单位长度的总压降，即Et=V/L，ESS 表面面电流密度JS在数值上等于流过宽度为单位长度的电流带电流，即JS=I/W，故表面阻抗可表示为：

式中，Z 表示电流为x 方向流动时长方形区域的测量阻抗。不难看出，当W=L 时，表面阻抗ZS与长方形测量阻抗相等，所以表面阻抗ZS的单位为Ω/方。

图3 表面阻抗与测量阻抗对比示意图Fig.3 Comparison of surface impedance with metrical impedance

下面，将以时谐场为例对ESS 防护机理进行定量分析。如图2 所示，已知入射场，ESS 位于Z=0 的平面，Et()0 为ESS 表面的切向电场。假设ESS 表面的面电流密度JS仅随切向电场的幅度A 变化，即

式中，J0和C 均为常数；，其中为感应电流JS产生的辐射场沿＋z 方向传播的电场分量，可通过场的变换方法求得［9］：

由公式（2），可得ESS 的表面阻抗：

故在Z=0 处切向电场Et(0)与入射电场满足：

求解得：

式中，W(·) 为朗伯W 函数（Lambert's W function），即方程wew=x 的解（x 为自变量），它无法表示成初等函数，但容易通过数值方法计算。

令J0=10-14，C=1/3，采用频率为1 GHz、幅度为300 V/m 的连续波激励，观察阻抗表面对入射波传输的衰减。图4 给出了入射波与透射波的波形对比，透射波场强基本保持在100 V/m 以下，起到了明显的限幅作用。如图5 所示，由于面电流密度与切向电场幅度呈指数关系，当空间场强接近100 V/m 时，面电流密度急剧上升。

图4 入射波与透射波对比Fig.4 Comparison of incidence with transmission wave

图5 面电流密度与切向电场的关系Fig.5 Illustration of surface current density and tangential electric field

综上所述，当ESS 为低阻态时，相当于一个低阻性或高容抗表面，电磁波通过ESS 时衰减极大；当ESS 为高阻态时，相当于一个高阻性或高感抗表面，电磁波很容易通过ESS 继续传播。简而言之，具有能量低通特性的ESS 就相当于一个空间限幅器。

当ESS 的表面阻抗完全由空间电磁场决定时，称为无源ESS；当通过外加偏压的方式辅助ESS 导通时，称为有源ESS。

2 仿真研究

图6 给出了一种利用压控导电结构设计的ESS。该ESS 由正反并联的二极管对阵列组成，具有变阻抗特性，可用于y 向线极化的强电磁防护。当强电磁脉冲作用时，二极管两端金属连线会感应出高电压，驱动二极管导通，促使ESS 表面阻抗变小，从而有效隔离强电磁脉冲；当强电磁脉冲消失后，二极管恢复截止状态，ESS 表面阻抗变得很大，可有效透射低功率的电磁波，基本不影响正常信号的收发。

图6 压控导电结构示意图Fig.6 Geometry of ESS designed by voltage conductive structure

下面，将通过仿真对无穷大ESS 防护特性进行验证。ESS 仿真尺寸为w=4 mm，d1=0.7 mm，d2=2.3 mm。二极管采用如图7 所示的简化模型，二极管电流Id和电压Ud满足：

式中，Gs为反向偏压时二极管对应的电导，此处为0；I0为二极管反向饱和电流，通常取1.0×10-14A；q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为二极管结温度，通常取300 K。二极管串联电阻取1 Ω，并联电容取1.0×10-14F。

图7 二极管等效电路Fig.7 An equivalent circuit of a diode

图8 给出了ESS 仿真模型，按照Floquet 定理，具有周期结构的无限大ESS 可简化为一个周期单元研究［10－12］。假设平面波沿＋z 方向垂直入射，将＋z 方向设为PML 边界，ESS 周期单元四壁设为周期边界，采用CST-MWS 对ESS 进行仿真。

图8 ESS 仿真模型Fig.8 Illustration of ESS model simulated in CST

从理论上讲，ESS 对z 向传播的垂直极化（y向）的电磁波具有能量低通特性，即对高于某一场强阈值Eth的电磁波具有较高的屏蔽效能，可阻碍电磁波传输，对低于场强阈值Eth的电磁波具有较低的插入损耗，电磁波可顺利通过。

仿真结果如图9 所示。由图中可看出，当空间场强小于200 V/m 时，ESS 的插入损耗较低，电磁波能顺利通过，而当空间场强大于200 V/m 后，ESS 对电磁波的传输衰减越来越大，类似于空间限幅器的作用效果，具有自适应防护的特性。

图9 不同入射场强条件下ESS 的透波性能Fig.9 Simulation results of ESS in different incidence

ESS 的防护特性与二极管的状态密切相关，图10 给出了二极管两端感应电压随入射波的变化情况。不难发现，当空间场强较低时，二极管两端的电压感应小于0.7 V，处于截止状态，ESS 表面阻抗很大，电磁波可以顺利通过；而当空间场强很高时，二极管两端的电压感应大于0.7 V，处于导通状态，ESS 表面阻抗很小，电磁波很难透过ESS继续传播，起到了很好的隔离效果。

图10 二极管感应电压对比Fig.10 Comparisons of diode inducing voltage

3 实验验证

为了验证ESS 的防护性能，本文将采取外加偏压的方式等效强场激励，对喇叭天线防护罩的防护性能进行研究。

如图11 所示，本文制作了一块可用于喇叭天线防护罩的ESS，采用电路版图的方式将金属连线印刷在PCB 上，然后将二极管焊接在PCB 表面。防护罩选用的是NXP 公司的PIN 二极管（型号为BAP5103，SOD323 封装），尺寸为w=3 mm，d1=2 mm，d2=2 mm。实验时，防护罩紧贴接收天线口径面，发射天线距离防护罩的距离要满足远场条件，使防护罩表面近似平面波入射。

图11 天线防护罩实验场景Fig.11 Experiment scene of an antenna shield

零偏条件下，喇叭口径面无ESS 防护时天线接收到的功率记为P0，喇叭口径面有ESS 防护时天线接收到的功率记为Pa；正偏压条件下，喇叭口径面有ESS 防护时天线接收到的功率记为Pb。ESS 未导通时对电磁波的传输衰减可表示为P0-Pa，记为ESS 插入损耗；ESS 导通时对电磁波的传输衰减可表示为P0-Pb，记为ESS 隔离度。

图12 有源ESS 的防护特性Fig.12 Experimental results of an active ESS

图12 给出了有源ESS 工作于L 波段（1～2 GHz）的测试结果。由图可看出，当f ＜1.75 GHz时，ESS 的插入损耗小于2 dB，而当 f 接近1.9 GHz 时，插入损耗出现了极大值，接近5 dB。这一方面是由于ESS 与喇叭口径距离太近造成了近场耦合，另一方面是由于PIN 二极管的封装电容及元件焊接的不一致性而导致的谐振。当1.3 GHz ＜f ＜2.0 GHz 时，ESS 的隔离度大于20 dB，最大可达46 dB，具有较好的隔离效果。与插入损耗的情况类似，隔离度在局部出现了谐振。

实测直流偏置时，二极管的正向导通压降为0.8 V，导通电流为20 mA，对应的二极管的等效电阻仅有几欧姆。在强电磁脉冲辐照条件下，PIN二极管两端感应的电压超过其限幅电压后，也能达到直流导通的防护效果。因此，通过调节网格尺寸、降低PIN 限幅功率、提高PIN 功率容量等措施，可设计出预防干扰、软杀伤和硬杀伤等不同毁伤程度的防护罩。

4 结 论

本文针对武器装备面临的强电磁威胁，提出了具有能量低通特性的ESS。该ESS 具有可变的表面阻抗，既能隔离强电磁脉冲，又能保证被保护设备的正常收发。利用二极管的压控导电特性，本文设计了一种可防护线极化强电磁脉冲的ESS，并进行了相关仿真和实验。结果表明，ESS对弱电磁信号的插入损耗小于2 dB，对强电磁信号的隔离度大于20 dB，具有能量低通的防护效果。

ESS 防护功率容量高、工作频带宽、自适应防护能力强，克服了现有防护手段在防护功率和防护功能上的不足，可设计成防护屏、防护罩，应用于武器装备平台和作战指挥中心等场合，从而对电磁脉冲炸弹和高功率微波武器进行综合防护。

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