基于能量選擇表面的電磁防護(hù)新方法

楊 成，黃賢俊，劉培國

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410073）

基于能量選擇表面的電磁防護(hù)新方法

楊 成，黃賢俊，劉培國

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410073）

利用場致導(dǎo)電材料或壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的特性，設(shè)計能量選擇表面，闡述了其能量低通的防護(hù)機(jī)理，給出了一種典型的設(shè)計方法，然后選用PIN二極管在印制電路板上制作了3塊能量選擇表面進(jìn)行測試，實現(xiàn)了不同時刻的屏蔽和透波功能，驗證了能量選擇表面作為新型電磁防護(hù)方法的可行性和靈活性。

能量選擇表面；電磁防護(hù)；PIN二極管

近些年來，高功率微波（HPM）、超寬帶武器、電磁炸彈等電磁脈沖武器出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅了電子設(shè)備的安全。這些電磁武器工作頻帶寬、場強(qiáng)能量高、覆蓋半徑大，給現(xiàn)有的電磁防護(hù)帶來了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)電磁威脅集中作用于設(shè)備工作頻帶時，常采用2種防護(hù)措施：1）設(shè)備級的電磁防護(hù)，采用快反應(yīng)速度的保護(hù)器件，如天線端口加裝快速脈沖放電器，射頻前端、線纜加裝光耦合器、PIN限幅器、等離子體限幅器等［1－2］；2）系統(tǒng)級的電磁加固，采用空間場的電磁防護(hù)，如機(jī)箱外殼屏蔽，內(nèi)殼涂覆吸波材料，孔縫處采用截止波導(dǎo)、濾波器加隔離艙等［3］。

但空間場的電磁防護(hù)是把雙刃劍，它在隔離強(qiáng)電磁脈沖的同時，往往也阻斷了被保護(hù)設(shè)備的信號收發(fā)。因此，在強(qiáng)電磁環(huán)境中工作的電子設(shè)備，其電磁防護(hù)的隔離與透波構(gòu)成一對矛盾。為解決這種矛盾，筆者提出了基于能量選擇表面的電磁防護(hù)新方法，它實現(xiàn)了電磁能量的低通特性，即對容易造成系統(tǒng)損傷的高強(qiáng)度電磁信號完全“阻擋”，以抵御強(qiáng)電磁脈沖的攻擊，對系統(tǒng)最大承受范圍內(nèi)的低強(qiáng)度電磁信號及時“放行”，以保證正常的電磁信號的接收和發(fā)送。

1 防護(hù)機(jī)理

能量選擇表面（energy selective surfaces，簡稱ESS）是一種通過場致導(dǎo)電材料或壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)設(shè)計的電磁防護(hù)手段，具有電磁環(huán)境自適應(yīng)特性。它從感應(yīng)空間電磁場強(qiáng)出發(fā)，以空間電磁能量作為激勵源，實時地改變材料的電磁特性或結(jié)構(gòu)的阻抗特性，繼而改變能量選擇表面對電磁波的傳輸特性，最終決定空間電磁分布。簡而言之，能量選擇表面是一個空間場強(qiáng)限幅器，可實現(xiàn)電磁能量的低通特性。

如圖1所示，當(dāng)t＝t1時刻，空間電磁場強(qiáng)低于設(shè)備所能承受最大場強(qiáng)Eth，能量選擇表面呈透波特性，插入損耗很小，安全電磁信號幾乎無衰減的通過；當(dāng)t＝t2時刻，空間電磁場強(qiáng)逐漸接近設(shè)備所能承受最大場強(qiáng)Eth，能量選擇表面插入損耗逐漸增大，此時的電磁信號部分被反射，部分繼續(xù)通過；當(dāng)t＝t3時刻，空間電磁場強(qiáng)超過設(shè)備所能承受最大場強(qiáng)Eth，能量選擇表面類似理想金屬，入射的強(qiáng)電磁信號全部被反射，實現(xiàn)全屏蔽的防護(hù)效果。實際運用中，能量選擇表面可以通過空間場強(qiáng)激勵改變透波與隔離狀態(tài)，稱之為無源能量選擇表面，也可以通過外加偏置來控制，此時稱之為有源能量選擇表面。

圖1 能量選擇表面防護(hù)示意圖

2 ESS設(shè)計與分析

能量選擇表面可以利用場致導(dǎo)電材料，如具有電致電阻效應(yīng)La0．67Ca0．33MnO3［4］等，具有遂穿導(dǎo)電特性的金屬／非金屬兩相納米顆粒體系Cu／SiO2，氧化物納米顆粒體系La1－xSr MnO3，Sr2Fe MnO6等來實現(xiàn)，也可以利用壓控導(dǎo)電元件，如PIN二極管管芯在納米結(jié)構(gòu)層次上實現(xiàn)，或小封裝尺寸的貼片二極管在PCB上實現(xiàn)。

一種典型的能量選擇表面結(jié)構(gòu)如圖2所示，該能量選擇表面具有周期結(jié)構(gòu)，每個周期單元由小段導(dǎo)線與一反向并聯(lián)的二極管對串聯(lián)組成，可用于防護(hù)線極化的強(qiáng)電磁信號。從理論上講，對于理想的能量選擇表面，通過調(diào)整導(dǎo)線長度、二極管排列方向以及周期單元尺寸可以實現(xiàn)任意頻帶的電磁防護(hù)。但實際上，強(qiáng)電磁脈沖或者高功率微波的能量分布頻帶有限，而且頻率越高，電磁波在空間中衰減越大，對設(shè)備威脅越小，因此能量選擇表面可針對實際的防護(hù)需求來設(shè)計。

為研究能量選擇表面的能量低通特性，筆者選取L，S波段進(jìn)行防護(hù)研究，設(shè)計了3塊能量選擇表面進(jìn)行測試，結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。值得指出的是，處于透波工作模式的能量選擇表面應(yīng)當(dāng)具有小的插入損耗，故選用恩智浦（NXP）3種小零偏電容的貼片PIN二極管。

圖2 能量選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖

表1 ESS結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

3 實驗測試

參考國軍標(biāo)GJB 6190—2008電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法［5］，筆者將屏蔽室采用金屬板代替，以減少屏蔽室內(nèi)諧振對測試的影響，設(shè)計了如圖3所示金屬板開窗的實驗方案，以測量能量選擇表面處于透波工作模式的插入損耗和處于屏蔽模式的隔離度。

實驗時，將發(fā)射和接收天線分別置于金屬板兩側(cè)一定距離處，并在金屬板中心開窗，使三者中心處于同一水平線上（注：金屬檔板的尺寸根據(jù)所需測試的頻段、開窗的大小以及發(fā)射天線的方向圖決定），本實驗頻率為1～6 GHz，金屬板大小為2 m×3 m，開窗為20 cm×15 cm，發(fā)射接收天線距金屬板1～1．5 m，圖4給出了實驗場景。

按照設(shè)計要求，當(dāng)能量選擇表面處于安全場強(qiáng)環(huán)境中時，對電磁波的傳輸呈透波特性，即插入損耗較低。測試中，由于處于L，S頻段的喇叭天線主瓣較寬，測試系統(tǒng)雖避免了諧振，卻引入了多徑傳播效應(yīng)（即電磁波從金屬板周圍繞射進(jìn)入接收天線），這可以通過時域加窗處理消除［6－8］。圖5給出了小信號輻照條件下，經(jīng)過時域加窗修正后的能量選擇表面透波性能對比。不難發(fā)現(xiàn)，處于L，S波段工作的能量選擇表面插入損耗基本在1 dB左右，對空間電磁波的傳輸影響較小。對照表1給出的二極管參數(shù)，可以得出：使用貼片元件的封裝越小，零偏電容越小，列方向上二極管間距越小，則能量選擇表面的插入損耗越小。

圖3 能量選擇表面實驗方案

由于無源能量選擇表面由透波向隔離狀態(tài)改變，需要極大的空間場強(qiáng)，這對測試人員和設(shè)備的自身防護(hù)提出了嚴(yán)格的要求。為驗證能量選擇表面處于隔離工作模式時的屏蔽效果，筆者采用有源能量選擇表面進(jìn)行實驗。圖6給出了外加直流偏置條件下能量選擇表面的防護(hù)效果。不難發(fā)現(xiàn)，除采用BAP6402設(shè)計的ESS3隔離度稍低以外，其他2塊能量選擇表面L，S波段的電磁波傳輸衰減至少大于20 d B。由表1可知，采用BAP6403設(shè)計ESS2周期單元列間距最小，故其隔離度最好。

通過上述實驗，從原理上可以證明：基于PIN二極管設(shè)計的能量選擇表面具有能量低通的防護(hù)特性，可在不影響電子設(shè)備正常工作的前提下，有效地防護(hù)強(qiáng)電磁脈沖和高功率微波攻擊，相比其他強(qiáng)電磁防護(hù)手段，具備自適應(yīng)性強(qiáng)、工作頻帶寬、功率容量大等特點。

圖4 實驗場景

圖5 弱場強(qiáng)條件下ESS透波性能對比

圖6 強(qiáng)場強(qiáng)條件下ESS屏蔽效能對比

4 結(jié) 語

基于能量選擇表面的電磁防護(hù)手段具有能量低通特性，按照實際使用分為有源ESS和無源ESS，是一種新型防護(hù)手段。從能量選擇表面防護(hù)機(jī)理出發(fā)，給出一種典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實際制作了3塊基于PIN二極管的能量選擇表面，在L，S波段進(jìn)行測試，從原理上驗證了能量選擇表面的能量低通特性。結(jié)果表明，透波條件下，ESS插入損耗在1 dB左右，隔離條件下，ESS屏蔽效能至少大于20 d B，通過進(jìn)一步的改進(jìn)，可以代替金屬應(yīng)用于常規(guī)電磁屏蔽場所，如天線防護(hù)、關(guān)鍵區(qū)域防護(hù)、敏感部件防護(hù)和人員防護(hù)等，也可應(yīng)用于具有嚴(yán)格電磁兼容指標(biāo)的航空、航天設(shè)備。在實際應(yīng)用中，能量選擇表面還應(yīng)注意柔性和共形設(shè)計、高速響應(yīng)設(shè)計以及防止高電壓導(dǎo)致的電擊穿和強(qiáng)電流導(dǎo)致的熱擊穿等工程問題，以提高其實用化水平。

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TN07

A

1008－1542（2011）12－0081－04

2011－06－20；責(zé)任編輯：張士瑩

武器裝備預(yù)研基金資助項目（9140A04020310KG0112）

楊 成（1987－），男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事電磁兼容方面的研究。