一种新型电磁能量选择表面结构设计与仿真分析

高 扬，陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

故意电磁干扰(IEMI)是指人为的、有针对性的对电子设备造成的各种干扰.1999年2月，在苏黎世EMC研讨会上对IEMI进行了定义和研究，同年8月国际无线电科学家联盟(URSI)在一次特别会议正式对IEMI的概念、方式以及可能产生的影响进行了讨论，有关这些方面的研究开始引起了国内外学者的关注[1].

故意电磁干扰有许多手段，其中最具破坏力的方式是高功率微波(HPM)和电磁脉冲(EMP)武器产生的高能电磁脉冲.高能脉冲可以与电子设备耦合，通过前门(如天线和传感器)和后门(如通风口开关，电缆)激发破坏性电流对电子设备的元件进行攻击.一般应对此类干扰的方法是使用导电金属外壳将设备与外界隔离，但是大多数的电子和电气设备都有诸如天线端口、通风口等与外界相连的部分，完全隔离难度较大.文献[2]提出一种等离子限幅器的优化思路，引入气体击穿方程对限幅器进行建模，分析了等离子体限幅器的设计参数对性能的影响；文献[3]提出一种限制频率选择表面(LFSS)结构，通过在十字孔形频率选择表面(FSS)的交叉点上加载4个PIN二极管以限制S波段的传输功率；文献[4]提出一种能量敏感带通滤波器(ESBPF)，即在平面带通滤波器的缝隙谐振腔顶部中心加载反平行肖特基势垒二极管，使得其在高功率电磁脉冲下不会丧失带通特性，同时将两个ESBPF级联形成双层结构来提高最大防护功率；文献[5]提出一种基于电磁能量选择表面(ESS)的新防护手段，该ESS结构为非常密集的二极管阵列，高功率电磁脉冲作用于ESS时产生的感应电场使得二极管导通，表面波阻抗会迅速降低，从而实现对高功率电磁脉冲的防护.

本文提出了一种新型的ESS结构，单元由十字形贴片与在其四臂加载的矩形金属枝节构成，并在单元间加载PIN二极管，构成一种能量与频率双重选择的表面结构.当没有高功率电磁脉冲干扰时，该表面工作于透波模式，单元枝节形成的二维阵列结构会在高频产生透射共振，使得表面不仅在低频有一工作频带，在高频也有一频带供信号通过，此时该表面为一种FSS，有效屏蔽带外信号，当高功率脉冲作用于表面时会自适应开启防护模式，屏蔽电磁波.本文分析了能量选择防护的原理，并对ESS进行了仿真测试与参数分析.仿真结果表明，该ESS在防护模式下的-20 dB带宽可达3.4 GHz，透射模式下有两个频带，低频部分的-3 dB带宽可以达到1.3 GHz(0 GHz～1.3 GHz)，此外，在5.36 GHz有一谐振点，-3 dB带宽可达150 MHz.

1 能量选择表面原理及防护机制

一般的电磁防护设备使用的是金属屏蔽，但是这种方法在屏蔽空间中电磁波的同时也阻止了工作信号的传输，不能在通信设备上使用.因此，需要引入一种选择机制，在屏蔽高功率电磁波的同时可以使工作信号正常通过.当输入工作信号时，网络等效阻抗为无穷大，不会影响正常的信号收发；当输入高功率脉冲时，网络等效阻抗变得很小，从而屏蔽电磁波.ESS的传输系数T可以表示为

T=2ZESS/(2ZESS+Zo),(1)

式中：Zo为空气中的波阻抗；ZESS为ESS平面的表面阻抗，可以写为入射场强的函数f=f(ZESS)，当入射场强很小时，ZESS无穷大，此时传输系数T为1，工作信号可以无消耗通过，当入射场强超过一定的阈值时，ZESS迅速减小，使得传输系数T变得很小，电磁波急剧衰减[6].

基于压控导电的ESS结构利用强电磁场产生的感应电流导通二极管，从而改变平面的波阻抗[7].在正常情况下，空间电磁场强度低于ESS的防护阈值，PIN二极管两端的感应电压小于导通的门限，二极管截止，此时工作信号可以正常通过；当高功率微波辐照ESS时，PIN二极管两边的感应电压超过门限使得二极管导通，表面形成金属网格或栅格结构，屏蔽电磁波[8].在实际情况下，二极管并不需要采用反向并联结构，因为高功率微波的周期远小于二极管导通的截止时间，当电磁波进入负向峰值时，PIN二极管不会立即从导通状态转换到截止状态，因此，在高功率微波作用下ESS会一直处于防护模式[9].

2 能量选择表面结构设计

本文提出的ESS结构如图1 所示，ESS由周期性的金属贴片单元和单元间的二极管组成，金属贴片分为中间十字形结构与其四臂的金属枝节.十字形结构的周期d1=4 mm，金属条宽度w1=0.4 mm，二极管长度d3=1 mm，单元间距离w2=1 mm，结构放置于介电常数为3.48的介质板上，介质板厚度t=0.5 mm.

图1 能量选择表面结构Fig.1 The structure of ESS

当垂直极化的电磁波作用于表面时，会在表面激起感应电场，根据入射波的强度，ESS会在透波模式和防护模式中切换：当表面通过正常信号时，所产生的感应电压小于二极管导通的阈值，二极管处于截止状态，单元结构的枝节形成具有很窄狭缝的二维阵列结构，这种结构会在特定的入射波长下产生共振，从而使得该表面在高频有一个频带供信号通过；当强电磁脉冲作用于表面时，在表面产生的感应电压会使二极管导通，金属单元被导通的二极管连接，从而使相邻单元形成金属网格栅格结构，表面波阻抗迅速降低，屏蔽电磁波.

3 仿真与参数分析

本节主要对ESS结构进行仿真并进行参数分析.根据Floque理论[10]，无穷大的周期阵列可以简化为一个单元进行研究.仿真的思路是将二极管在导通和截止状态下的特性用等效电路来代替，从而模拟在正常信号和高功率脉冲作用于表面时ESS的电磁特性.由于在实际情况下，二极管在截止与导通时的特性并不能完全等效为理想开关，故在仿真时二极管用等效电路代替，二极管型号为BAP6402，二极管截止时可等效为一个电容，Cd= 0.14 pF，二极管导通时可等效为电感和电阻串联，电感Ld=0.8 nH，电阻Rd=1.5 Ω，仿真结果如图2 所示.由图可以看出该新型ESS与经典十字形ESS相比，在透波模式下除了在低频有一频带供信号通过，工作带宽为 0 GHz～1.3 GHz，同时在5.36 GHz处会发生透射谐振，其产生的通带可供高频信号通过，工作带宽为5.28 GHz～5.43 GHz；防护模式下的防护带宽提高至 3.4 GHz.

(a) 透波模式

图3 为周期大小对ESS性能的影响，可以看出单元周期的大小会同时对防护模式下的带宽以及透波模式下的谐振频率产生影响，其中当周期d1由3 mm提高到5 mm时其在防护模式下的带宽由d1=3 mm时的4.37 GHz降低至d1=5 mm时的2.74 GHz，透波模式下的谐振频率由d1=3 mm 时的6.6 GHz下降至d1=5 mm时的4.75 GHz.由上节分析可知，ESS主要由二极管导通后所形成的金属网格和长缝结构降低表面波阻抗实现电磁屏蔽，而改变周期大小则会改变其在防护模式下金属网格的大小与长缝的数量.当周期变大时网格的密度变小，长缝的条数也变小，屏蔽效能下降，而透波模式下FSS的谐振频率也与枝节的长度有关，故选取不同的周期大小会得到不同的防护带宽以及谐振频率.

(a) 防护模式

图4 所示为单元间缝隙宽度w2对ESS性能的影响，由图可知在缝隙宽度w2由0.6 mm增加到1.4 mm的过程中，透波模式下的谐振频率变化很小，防护模式下带宽由3.76 GHz降低到2.81 GHz.可以看出缝隙宽度w2的增加在透波模式下对高频谐振频率的影响较小，但在防护模式下宽度越高防护带宽越低.考虑工艺的限制，要合理选取w2的大小保证其在实际加工过程中不会产生较大误差.

(a) 防护模式

图5 所示为垂直臂d2的大小对ESS性能的影响，由图可知在d2由3 mm增大到5 mm时，其在防护模式下带宽变化很小，而在透波模式下谐振频率则由6.1 GHz下降到5.08 GHz，这也说明了该ESS在二极管防护模式的防护特性主要由单元间缝隙宽度决定，而在透波模式下的谐振频率主要由金属枝节长度决定.

(a) 防护模式

4 结 论

基于半导体器件的压控导电特性与FSS的频率选择特性，本文提出了一种新型ESS结构，该设计在十字形ESS单元结构上做了改进，使得该平面在入射波功率超过阈值时会有更高的屏蔽带宽，而入射波功率小于阈值时该平面有频率选择特性，在高频产生透波谐振.由S参数图可以看出，当ESS处于透射模式时，低频部分的频带宽度为1.3 GHz，高频部分的谐振频率为5.36 GHz，频带宽度为150 MHz；当ESS处于防护模式时，-20 dB带宽可达到3.4 GHz.仿真结果表明，ESS对频段内的工作信号呈带通特性，对高功率电磁波和带外信号呈带阻特性，在兼容高功率电磁波与工作信号正常收发的同时，屏蔽带外信号，提高电磁设备的工作效率与安全性.