基于壓控導電結(jié)構(gòu)的能量選擇表面防護機理和仿真實驗研究

楊 成 黃賢俊 劉培國

國防科學技術大學電子科學與工程學院，湖南長沙410073

0 引 言

隨著微電子技術和脈沖功率技術的發(fā)展，武器裝備面臨著嚴峻的電磁威脅。一方面，為滿足高速信號傳輸和低功耗的設計指標，武器裝備大量采用半導體和集成電路設計，導致系統(tǒng)電磁敏感閾值下降；另一方面，強電磁脈沖武器在輻射瞬間能釋放出高功率、超寬譜的強電磁脈沖［1－3］，進入敏感系統(tǒng)會導致半導體器件擊穿、集成電路燒毀，使設備失效或永久損壞。為提高武器裝備在強電磁環(huán)境中的生存能力和作戰(zhàn)效能，必須采取有效的強電磁脈沖防護手段和措施。

強電磁脈沖防護的目的是防止電磁脈沖的能量通過輻射或傳導方式進入敏感系統(tǒng)，以艦船平臺為例，美軍提出了艦船3 級加固的方法［4－5］，即平臺加固、系統(tǒng)加固和電路加固，主要采用了屏蔽、濾波、限幅和接地等防護手段與措施。屏蔽手段采用具有高電導率、高磁導率材料制成的連續(xù)屏蔽體，如金屬絲網(wǎng)、鍍金薄膜、夾金屬網(wǎng)玻璃等；濾波和限幅則采用濾波器、微波限幅器、氣體放電管和浪涌保護器件等。此外，良好的接地、合理的線纜布局以及操作時間回避等也是對電子系統(tǒng)進行電磁加固的常用方法。

上述防護方法多從傳統(tǒng)電磁兼容技術過渡而來，應用于強電磁脈沖防護時存在一定的局限。高功率微波源瞬時電磁脈沖峰值場強可達數(shù)百千伏每米，要使艦船平臺能有效抵御電磁脈沖武器的攻擊，就必須對強電磁脈沖進行隔離。最有效的隔離手段是金屬屏蔽，但金屬屏蔽在有效屏蔽強電磁脈沖的同時，也阻斷了被保護設備的信號收發(fā)。

在復雜的電磁環(huán)境中，武器裝備既要能抵御電磁脈沖武器的攻擊，又要能正常接收和發(fā)送電磁信號，這對強電磁脈沖防護提出了更高的要求，即要求建立一種能量選擇的防護機制：允許安全電磁信號通過，禁止強電磁信號進入系統(tǒng)。而現(xiàn)有防護手段均不能滿足上述防護需求，為此，本文從能量選擇的防護機制出發(fā)，將研究能量選擇表面（Energy Selective Surface，ESS）對能量的選擇和對強電磁脈沖的防護機理，設計一種ESS 結(jié)構(gòu)并進行仿真和實驗驗證，為武器裝備強電磁防護提供新的途徑和方法［6-7］。

1 防護機理

針對能量選擇的防護機制，本文提出了一種可用于強電磁脈沖防護的ESS。ESS 是一種利用強電磁效應改變阻抗特性、實現(xiàn)能量選擇的電磁防護表面。這種電磁防護表面利用了電磁脈沖的強電場效應，具有變阻抗特性，即在低功率的安全電磁波照射下處于高阻態(tài)，在高功率電磁波照射下瞬變?yōu)榈妥钁B(tài)。同時，這種材料還要有一個合理的安全閾值，即當空間場強大于安全閥值時，材料導電特性發(fā)生突變，從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)，對電磁波的作用從允許通過轉(zhuǎn)變?yōu)榻?，從而有效避免大于安全閾值的電磁脈沖對被保護設備造成損毀。

假設空間電磁波的電場強度如圖1 所示變化，Eth為武器裝備所能承受的最大場強。在t=t1時刻，空間電磁場強低于Eth，ESS 未導通，插入損耗很小，安全電磁信號幾乎無衰減地通過；在t=t2時刻，空間電磁場強逐漸接近設備所能承受的最大場強Eth，ESS 部分導通，插入損耗逐漸增大，此時的電磁信號部分被反射；在t=t3時刻，空間電磁場強超過了電子系統(tǒng)所能承受的最大場強Eth，ESS 完全導通，所有的入射信號全部被反射，使武器裝備免受強電磁輻射的攻擊。

圖1 ESS 自適應防護示意圖Fig.1 Illustration of Energy Selective Surface protection

ESS 對電磁波傳輸?shù)挠绊懕砻嫔鲜怯勺杩固匦詻Q定，實質(zhì)上是由其表面的感應電流大小決定?？傮w來說，ESS 對電磁波的作用分為反射、透射和吸收3 部分。如圖2 所示，假設電磁波沿＋z方向垂直入射，根據(jù)感應定理，空間總場為入射場和散射場的疊加。x 方向的電場對電子產(chǎn)生作用，在ESS 表面形成感應電流（傳導電流或極化電流），產(chǎn)生散射場。該散射場沿－z 方向傳播，形成反射場，沿＋z 方向傳播與原入射場一起表現(xiàn)為透射場，同時，電子在ESS 表面運動可能轉(zhuǎn)化為焦耳熱，形成能量耗散。

圖2 ESS 表面感應電流輻射場示意圖Fig.2 Illustration of field radiated by ESS surface inducing current

當入射波功率較低時，ESS 為高阻態(tài)，形成的表面感應電流很微弱，對入射波的傳播幾乎無影響；當入射波功率足夠高時，ESS 發(fā)生突變，進入低阻態(tài)，ESS 表面形成很強的感應電流，該電流沿＋z 方向傳播，與原入射場相抵消，使總的透射場發(fā)生大幅衰減，即有效隔離強電磁信號。

為定量描述ESS 對電磁波的作用，參照阻抗邊界［8］，定義ESS 表面阻抗ZS滿足：

式中，JS為阻抗表面的面電流密度，大小等于n×和分別為ESS 表面兩側(cè)的切向磁場；Et為切向電場；ZS為ESS 的表面阻抗，可寫成RS+jXS，其中RS表示表面電阻分量，對應傳導電流，單位為Ω/方，XS表示表面電抗分量，對應極化電流，單位為Ω/方。

ZS表征了ESS 表面切向電場與面電流密度之間的關系。如圖3 所示，假設空間中存在x 方向流動的平面電流層，任意劃出一塊長方形區(qū)域，則ESS 表面切向電場Et在數(shù)值上等于沿電場方向單位長度的總壓降，即Et=V/L，ESS 表面面電流密度JS在數(shù)值上等于流過寬度為單位長度的電流帶電流，即JS=I/W，故表面阻抗可表示為：

式中，Z 表示電流為x 方向流動時長方形區(qū)域的測量阻抗。不難看出，當W=L 時，表面阻抗ZS與長方形測量阻抗相等，所以表面阻抗ZS的單位為Ω/方。

圖3 表面阻抗與測量阻抗對比示意圖Fig.3 Comparison of surface impedance with metrical impedance

下面，將以時諧場為例對ESS 防護機理進行定量分析。如圖2 所示，已知入射場，ESS 位于Z=0 的平面，Et()0 為ESS 表面的切向電場。假設ESS 表面的面電流密度JS僅隨切向電場的幅度A 變化，即

式中，J0和C 均為常數(shù)；，其中為感應電流JS產(chǎn)生的輻射場沿＋z 方向傳播的電場分量，可通過場的變換方法求得［9］：

由公式（2），可得ESS 的表面阻抗：

故在Z=0 處切向電場Et(0)與入射電場滿足：

求解得：

式中，W(·) 為朗伯W 函數(shù)（Lambert's W function），即方程wew=x 的解（x 為自變量），它無法表示成初等函數(shù)，但容易通過數(shù)值方法計算。

令J0=10-14，C=1/3，采用頻率為1 GHz、幅度為300 V/m 的連續(xù)波激勵，觀察阻抗表面對入射波傳輸?shù)乃p。圖4 給出了入射波與透射波的波形對比，透射波場強基本保持在100 V/m 以下，起到了明顯的限幅作用。如圖5 所示，由于面電流密度與切向電場幅度呈指數(shù)關系，當空間場強接近100 V/m 時，面電流密度急劇上升。

圖4 入射波與透射波對比Fig.4 Comparison of incidence with transmission wave

圖5 面電流密度與切向電場的關系Fig.5 Illustration of surface current density and tangential electric field

綜上所述，當ESS 為低阻態(tài)時，相當于一個低阻性或高容抗表面，電磁波通過ESS 時衰減極大；當ESS 為高阻態(tài)時，相當于一個高阻性或高感抗表面，電磁波很容易通過ESS 繼續(xù)傳播。簡而言之，具有能量低通特性的ESS 就相當于一個空間限幅器。

當ESS 的表面阻抗完全由空間電磁場決定時，稱為無源ESS；當通過外加偏壓的方式輔助ESS 導通時，稱為有源ESS。

2 仿真研究

圖6 給出了一種利用壓控導電結(jié)構(gòu)設計的ESS。該ESS 由正反并聯(lián)的二極管對陣列組成，具有變阻抗特性，可用于y 向線極化的強電磁防護。當強電磁脈沖作用時，二極管兩端金屬連線會感應出高電壓，驅(qū)動二極管導通，促使ESS 表面阻抗變小，從而有效隔離強電磁脈沖；當強電磁脈沖消失后，二極管恢復截止狀態(tài)，ESS 表面阻抗變得很大，可有效透射低功率的電磁波，基本不影響正常信號的收發(fā)。

圖6 壓控導電結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Geometry of ESS designed by voltage conductive structure

下面，將通過仿真對無窮大ESS 防護特性進行驗證。ESS 仿真尺寸為w=4 mm，d1=0.7 mm，d2=2.3 mm。二極管采用如圖7 所示的簡化模型，二極管電流Id和電壓Ud滿足：

式中，Gs為反向偏壓時二極管對應的電導，此處為0；I0為二極管反向飽和電流，通常取1.0×10-14A；q 為電子電荷；k 為波爾茲曼常數(shù)；T 為二極管結(jié)溫度，通常取300 K。二極管串聯(lián)電阻取1 Ω，并聯(lián)電容取1.0×10-14F。

圖7 二極管等效電路Fig.7 An equivalent circuit of a diode

圖8 給出了ESS 仿真模型，按照Floquet 定理，具有周期結(jié)構(gòu)的無限大ESS 可簡化為一個周期單元研究［10－12］。假設平面波沿＋z 方向垂直入射，將＋z 方向設為PML 邊界，ESS 周期單元四壁設為周期邊界，采用CST-MWS 對ESS 進行仿真。

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

從理論上講，ESS 對z 向傳播的垂直極化（y向）的電磁波具有能量低通特性，即對高于某一場強閾值Eth的電磁波具有較高的屏蔽效能，可阻礙電磁波傳輸，對低于場強閾值Eth的電磁波具有較低的插入損耗，電磁波可順利通過。

仿真結(jié)果如圖9 所示。由圖中可看出，當空間場強小于200 V/m 時，ESS 的插入損耗較低，電磁波能順利通過，而當空間場強大于200 V/m 后，ESS 對電磁波的傳輸衰減越來越大，類似于空間限幅器的作用效果，具有自適應防護的特性。

圖9 不同入射場強條件下ESS 的透波性能Fig.9 Simulation results of ESS in different incidence

ESS 的防護特性與二極管的狀態(tài)密切相關，圖10 給出了二極管兩端感應電壓隨入射波的變化情況。不難發(fā)現(xiàn)，當空間場強較低時，二極管兩端的電壓感應小于0.7 V，處于截止狀態(tài)，ESS 表面阻抗很大，電磁波可以順利通過；而當空間場強很高時，二極管兩端的電壓感應大于0.7 V，處于導通狀態(tài)，ESS 表面阻抗很小，電磁波很難透過ESS繼續(xù)傳播，起到了很好的隔離效果。

圖10 二極管感應電壓對比Fig.10 Comparisons of diode inducing voltage

3 實驗驗證

為了驗證ESS 的防護性能，本文將采取外加偏壓的方式等效強場激勵，對喇叭天線防護罩的防護性能進行研究。

如圖11 所示，本文制作了一塊可用于喇叭天線防護罩的ESS，采用電路版圖的方式將金屬連線印刷在PCB 上，然后將二極管焊接在PCB 表面。防護罩選用的是NXP 公司的PIN 二極管（型號為BAP5103，SOD323 封裝），尺寸為w=3 mm，d1=2 mm，d2=2 mm。實驗時，防護罩緊貼接收天線口徑面，發(fā)射天線距離防護罩的距離要滿足遠場條件，使防護罩表面近似平面波入射。

圖11 天線防護罩實驗場景Fig.11 Experiment scene of an antenna shield

零偏條件下，喇叭口徑面無ESS 防護時天線接收到的功率記為P0，喇叭口徑面有ESS 防護時天線接收到的功率記為Pa；正偏壓條件下，喇叭口徑面有ESS 防護時天線接收到的功率記為Pb。ESS 未導通時對電磁波的傳輸衰減可表示為P0-Pa，記為ESS 插入損耗；ESS 導通時對電磁波的傳輸衰減可表示為P0-Pb，記為ESS 隔離度。

圖12 有源ESS 的防護特性Fig.12 Experimental results of an active ESS

圖12 給出了有源ESS 工作于L 波段（1～2 GHz）的測試結(jié)果。由圖可看出，當f ＜1.75 GHz時，ESS 的插入損耗小于2 dB，而當 f 接近1.9 GHz 時，插入損耗出現(xiàn)了極大值，接近5 dB。這一方面是由于ESS 與喇叭口徑距離太近造成了近場耦合，另一方面是由于PIN 二極管的封裝電容及元件焊接的不一致性而導致的諧振。當1.3 GHz ＜f ＜2.0 GHz 時，ESS 的隔離度大于20 dB，最大可達46 dB，具有較好的隔離效果。與插入損耗的情況類似，隔離度在局部出現(xiàn)了諧振。

實測直流偏置時，二極管的正向?qū)▔航禐?.8 V，導通電流為20 mA，對應的二極管的等效電阻僅有幾歐姆。在強電磁脈沖輻照條件下，PIN二極管兩端感應的電壓超過其限幅電壓后，也能達到直流導通的防護效果。因此，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)格尺寸、降低PIN 限幅功率、提高PIN 功率容量等措施，可設計出預防干擾、軟殺傷和硬殺傷等不同毀傷程度的防護罩。

4 結(jié) 論

本文針對武器裝備面臨的強電磁威脅，提出了具有能量低通特性的ESS。該ESS 具有可變的表面阻抗，既能隔離強電磁脈沖，又能保證被保護設備的正常收發(fā)。利用二極管的壓控導電特性，本文設計了一種可防護線極化強電磁脈沖的ESS，并進行了相關仿真和實驗。結(jié)果表明，ESS對弱電磁信號的插入損耗小于2 dB，對強電磁信號的隔離度大于20 dB，具有能量低通的防護效果。

ESS 防護功率容量高、工作頻帶寬、自適應防護能力強，克服了現(xiàn)有防護手段在防護功率和防護功能上的不足，可設計成防護屏、防護罩，應用于武器裝備平臺和作戰(zhàn)指揮中心等場合，從而對電磁脈沖炸彈和高功率微波武器進行綜合防護。

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