超寬帶強(qiáng)電磁防護(hù)能量選擇表面設(shè)計(jì)

毋召鋒,徐延林,劉培國

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

近年來,隨著信息技術(shù)的深度發(fā)展,各種軍用電子信息系統(tǒng)的集成化、智能化程度越來越高。這種高度集成化的軍用武器系統(tǒng)或平臺在性能、體積、功耗方面均有極大的優(yōu)勢,但與此同時卻大大增加了其對于強(qiáng)電磁脈沖攻擊的敏感度和易損性。特別是隨著高功率電磁脈沖技術(shù)的不斷發(fā)展成熟,強(qiáng)電磁脈沖武器成為現(xiàn)今集成化軍用平臺或系統(tǒng)的“頭號殺手”[1]。有學(xué)者在對全球高功率微波武器專利梳理的基礎(chǔ)上指出,在軍事需求與技術(shù)進(jìn)步的共同驅(qū)動下,高功率微波武器技術(shù)發(fā)展迅速,正朝著小型化、脈沖參數(shù)可調(diào)化、高功率輻射、高機(jī)動性等方向發(fā)展[2]。高功率微波可以通過天線、電纜等耦合途徑進(jìn)入電子信息系統(tǒng),造成內(nèi)部半導(dǎo)體器件擊穿、器件毀傷,故而已經(jīng)對雷達(dá)[3]、導(dǎo)航接收機(jī)[4]、通信設(shè)備[5]等典型電子信息系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)電磁威脅,亟須發(fā)展有針對性的強(qiáng)電磁防護(hù)手段。

根據(jù)電磁波的耦合途徑,常規(guī)的電磁防護(hù)手段可以分為前門防護(hù)和后門防護(hù)兩類[6]。其中,后門防護(hù)主要針對設(shè)備的線纜、機(jī)殼孔縫等后門耦合途徑,通常采用屏蔽、濾波、接地等技術(shù)手段阻止高功率微波進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部;前門防護(hù)則針對電子信息系統(tǒng)的電磁信號傳輸通路采取防護(hù)措施,防止高功率微波進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,主要有濾波[7]、限幅[8]、防護(hù)電路[9]等技術(shù)手段。但是,當(dāng)高功率微波能量集中于設(shè)備的工作頻帶內(nèi)時,電子系統(tǒng)對強(qiáng)電磁攻擊信號的防護(hù)與正常工作信號的收發(fā)兼容成為前門防護(hù)設(shè)計(jì)的難題。為了解決這一矛盾性問題,劉培國等[10]提出了一種具有能量選擇特性的電磁防護(hù)表面,對電磁波具有能量域的低通特性,該表面允許正常信號的收發(fā),阻止高功率電磁脈沖的通過。隨后,有學(xué)者針對能量選擇表面的工作機(jī)理[11]、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]、性能設(shè)計(jì)[13-14]、實(shí)驗(yàn)方法研究[15-16]等開展了一系列工作,證明了能量選擇表面對于強(qiáng)電磁攻擊威脅具有有效的防護(hù)能力。

能量選擇表面最初的結(jié)構(gòu)比較簡單,就是在條形金屬柵格上加載PIN二極管,通過外部輻照場強(qiáng)控制PIN二極管的通斷來實(shí)現(xiàn)針對線極化天線的強(qiáng)電磁防護(hù)[10];隨后,為了進(jìn)一步擴(kuò)展這一結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍,有學(xué)者先后設(shè)計(jì)了具備圓極化特性的十字結(jié)構(gòu)[16]和環(huán)形結(jié)構(gòu)[17],具備寬帶特性的雙層結(jié)構(gòu)[18]等,極大擴(kuò)展了能量選擇表面的種類。另外,基于能量選擇這一防護(hù)機(jī)理,Zhang等[19]還針對性設(shè)計(jì)了一些具有強(qiáng)電磁防護(hù)功能的波導(dǎo)防護(hù)器件。然而,目前較為成熟且經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的能量選擇表面工作頻率大多在L波段或者耐受場強(qiáng)較低。

本文在傳統(tǒng)能量選擇表面的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,將頻率選擇結(jié)構(gòu)[20]引入能量選擇表面的設(shè)計(jì)思想,通過加載高頻開關(guān)二極管大幅度提升了傳統(tǒng)能量選擇表面的工作頻率上限和工作帶寬?；谶@一設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)并加工制作了一種箭頭形超寬帶能量選擇表面,仿真和實(shí)測結(jié)果表明,仿真條件下,實(shí)現(xiàn)了覆蓋L、S、C頻段的超寬帶低插入損耗(平均小于1 dB),防護(hù)性能大于22 dB;波導(dǎo)測試條件下,在L、S波段平均插入損耗為1 dB,防護(hù)能力達(dá)到了14 dB,初步驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)低插入損耗和高防護(hù)的特性。

1 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

1.1 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

能量選擇防護(hù)表面的核心實(shí)際上是一種具備波阻抗非線性變換能力的電磁結(jié)構(gòu),自然界中一些具備非線性電磁特征參數(shù)的天然材料二氧化釩、石墨烯等在理論上都可以為能量選擇自適應(yīng)防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)提供支撐,但是其存在響應(yīng)速度慢、設(shè)計(jì)難度大等問題,而人工電磁材料為能量選擇表面的設(shè)計(jì)帶來了新的契機(jī)。能量選擇表面的工作原理和理論分析已經(jīng)比較完備[10-13],本文基于這些原理設(shè)計(jì)了一種新型的箭頭形結(jié)構(gòu)。

能量選擇表面的基本單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包含兩個反向放置的箭頭形金屬結(jié)構(gòu),中間縫隙由二極管連接。其中,中間縫隙寬度由加載的二極管的封裝尺寸決定,記為d。

當(dāng)外界強(qiáng)電磁脈沖輻照到該表面時,將在上下兩個金屬之間感應(yīng)出較強(qiáng)的電場,當(dāng)感應(yīng)出來的電場足以使二極管導(dǎo)通時,二極管由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài),連通上下兩個金屬枝節(jié)。此時,上下金屬結(jié)構(gòu)相對于入射波而言就是一個由低阻元件連接的整體,感應(yīng)出來的電流就可以在整個表面流動,從而形成一個完整的金屬網(wǎng)格對入射的強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)行屏蔽。當(dāng)外界的電磁信號比較弱時,不能使二極管導(dǎo)通,此時整個結(jié)構(gòu)就是一個個離散的金屬網(wǎng)格,呈現(xiàn)透波特性,從而使入射電磁波低損耗通過。

1.2 周期單元仿真

為了探究單元結(jié)構(gòu)的透波特性和防護(hù)特性,首先基于三維電磁場仿真軟件計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)(computer simulation technology, CST)微波工作室的頻域求解器對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行無限大周期仿真,邊界條件設(shè)置為Fluent周期邊界,單元周期為q,仿真模型和邊界設(shè)置見圖2,對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)

圖2 理想周期邊界仿真示意圖Fig.2 Simulation diagram of ideal periodic boundary

在仿真中,一般將二極管等效為集總元件的串并聯(lián)來簡化仿真或者使用二極管的S參數(shù)來代替實(shí)際的二極管。這里將二極管等效為集總元件,即當(dāng)二極管導(dǎo)通時等效為一個小電阻和引線電感的串聯(lián),當(dāng)二極管關(guān)閉時為一個電容與引線電感的串聯(lián)[21]。

當(dāng)二極管處于關(guān)斷狀態(tài)時,整個能量選擇表面表現(xiàn)為透波模式,此時二極管總的電容會對透波的插入損耗產(chǎn)生較大影響,圖3是不同等效電容下的插入損耗仿真結(jié)果。從圖中可以看出,二極管電容越小,其在高頻段的插入損耗越小,透波率越好,這是因?yàn)樾‰娙莸亩O管對上下金屬感應(yīng)的電磁波具有較好的隔離作用。

圖3 插入損耗與二極管等效電容的關(guān)系Fig.3 Relationship between insertion loss and equivalent capacitance of diode

當(dāng)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時,整個能量選擇表面切換為屏蔽模式,此時二極管等效為一個連接上下金屬結(jié)構(gòu)的小電阻。圖4仿真了不同等效電阻值對屏蔽效果的影響,從圖中可以看出導(dǎo)通電阻對屏蔽效果的影響比較小,電阻值從0.1～5 Ω變化,屏蔽效能基本保持不變。

圖4 防護(hù)效能隨二極管導(dǎo)通電阻的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between protection effectiveness and resistance of diode

從上述分析可以看出,二極管的選擇對能量選擇表面的插入損耗有較大影響。首先應(yīng)該選擇具有小結(jié)電容的二極管,其次是對前向?qū)ㄗ柚当容^小的二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文選擇MACOM公司的開關(guān)二極管,根據(jù)手冊這款二極管的結(jié)電容只有0.018 pF,可以滿足設(shè)計(jì)要求。

場路聯(lián)合仿真按照真實(shí)的物理時空關(guān)系進(jìn)行仿真,而非場路分離的方法,這就使得仿真結(jié)果更加貼合實(shí)際,并在仿真過程中直接考慮了電路器件與電磁場的耦合[11,15]。使用場路聯(lián)合仿真,直接利用數(shù)據(jù)手冊中二極管的S參數(shù)與金屬結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真可以得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。場路聯(lián)合仿真所選二極管在不同偏置電壓電流下的S參數(shù)如圖5所示,金屬結(jié)構(gòu)的仿真尺寸與表1中保持一致,分別用不同電流條件下的二極管S參數(shù)來等效關(guān)閉狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)的二極管進(jìn)行仿真。

圖5 二極管在不同偏置下的傳輸曲線Fig.5 Transmission curve of diode with different DC bias

圖6是場路聯(lián)合仿真的計(jì)算結(jié)果,從圖中可以看出二極管在不同的電壓電流偏置下具有不同的傳輸系數(shù)。當(dāng)電壓為-5 V和0 V時,二極管中沒有電流流過,此時二極管沒有導(dǎo)通,設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為低插入損耗的透波結(jié)構(gòu)。從圖6中可以看出,當(dāng)二極管中的電流逐漸增大時,就會呈現(xiàn)對強(qiáng)電磁信號的屏蔽,當(dāng)電流為5 mA時,二極管已經(jīng)導(dǎo)通,此時具有最大的屏蔽效能。同時,從圖中的仿真曲線來看,偏置電壓-5 V和0 V的曲線基本重合,導(dǎo)通電流5 mA和10 mA的曲線基本重合,這說明只要二極管完全導(dǎo)通或者關(guān)斷時,結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)與二極管兩端的電壓和電流大小無關(guān)。

圖6 場路聯(lián)合仿真?zhèn)鬏斍€Fig.6 Transmission curve of field and circuit co-simulation

從以上仿真可以看出,不論是將開關(guān)二極管等效為集總元件還是使用場路聯(lián)合仿真,都能夠證明所設(shè)計(jì)的能量選擇表面可以用于強(qiáng)電磁防護(hù)。

2 波導(dǎo)內(nèi)有限邊界設(shè)計(jì)與仿真

2.1 有限邊界設(shè)計(jì)

實(shí)際加工制作的能量選擇表面不可能是無限周期,需要根據(jù)實(shí)際使用場景和實(shí)驗(yàn)條件來確定整個表面的尺寸和形狀。有限大與無限大周期邊界的不同主要有兩點(diǎn):一是靠近邊界的單元結(jié)構(gòu)具有邊界效應(yīng),二是二極管是電流導(dǎo)通型半導(dǎo)體器件,需要提供直流回路來使二極管處于穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)整個表面比較大或者電磁場的主要能量不在邊界處時,可以忽略邊界效應(yīng)的影響。因此,這里只考慮二極管直流回路的完整性設(shè)計(jì)。

圖7是有限邊界的設(shè)計(jì)示意圖,在整個能量選擇表面的外圍添加了一個矩形的金屬框,將整個二極管陣列的正負(fù)極直接連接起來。當(dāng)二極管導(dǎo)通后,電流可以沿著外圍的金屬框由正極流向負(fù)極,從而形成一個完整的直流回路。由于實(shí)際使用中,可能有個別二極管損壞或者焊接不可靠,從而使這個二極管所在的一整列都無法形成完整的直流回路,影響導(dǎo)通后的強(qiáng)電磁防護(hù)能力。因此,在外圍邊框的基礎(chǔ)上,將每個二極管都通過中間導(dǎo)線連接到一起,即所有二極管都有自己單獨(dú)的直流回路,不會被其他二極管影響,這樣具有更高的可靠性。

圖7 有限邊界設(shè)計(jì)示意圖Fig.7 Diagram of limited boundary design

2.2 波導(dǎo)內(nèi)有限邊界仿真

為了測試有界模型的防護(hù)性能,需要模擬一個強(qiáng)電磁輻照的環(huán)境。在波導(dǎo)內(nèi)容易獲得較大的電場強(qiáng)度,用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)的能量選擇表面。在實(shí)際測試前,將上節(jié)設(shè)計(jì)的有界模型放置到波導(dǎo)中進(jìn)行仿真。波導(dǎo)選擇1.72～2.61 GHz,內(nèi)壁尺寸為109 mm×54 mm。在CST的微波工作室中,建立波導(dǎo)模型,采用時域計(jì)算工具,其仿真模型如圖8所示,設(shè)計(jì)的模型將波導(dǎo)的上下金屬內(nèi)壁進(jìn)行電連接,利用波導(dǎo)金屬壁為二極管提供直流回路。

圖8 波導(dǎo)仿真模型Fig.8 Simulation model in waveguide

用電磁全波仿真軟件計(jì)算二極管在關(guān)斷和導(dǎo)通兩種狀態(tài)時波導(dǎo)的傳輸系數(shù),仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9的仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)二極管關(guān)斷時,波導(dǎo)中的插入損耗和無限大周期結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果有所增大;當(dāng)二極管導(dǎo)通時,屏蔽防護(hù)性能變好。但是從整體上看,在波導(dǎo)中設(shè)計(jì)的能量選擇表面依然可以滿足小信號傳輸和強(qiáng)電磁防護(hù)的性能。因此,設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以在波導(dǎo)中進(jìn)行測試。

圖9 能量選擇表面在波導(dǎo)中的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of energy selective surface in waveguide

3 透波特性和防護(hù)特性測試

為了驗(yàn)證提出的新型能量選擇表面可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁防護(hù)與信號正常收發(fā)的兼容性,即對小信號有良好的透波特性,對大功率信號有隔離作用。在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ22(內(nèi)壁109 mm×54 mm,工作頻率1.72～2.61 GHz)內(nèi),加工制作了一個能量選擇表面樣件,波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行插入損耗和防護(hù)性能的測試。圖10是使用柔性介質(zhì)基板(FPC基板)加工的一個波導(dǎo)內(nèi)能量選擇表面測試樣件,外圍金屬邊框與波導(dǎo)的法蘭邊尺寸一致,通過波導(dǎo)法蘭可以更好地與波導(dǎo)壁進(jìn)行電連接。

圖10 能量選擇表面波導(dǎo)樣件 Fig.10 Protype of energy selective surface in waveguide

小信號測試直接使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,測試安裝有能量選擇表面波導(dǎo)的插入損耗就可以得到加工的樣件在波導(dǎo)內(nèi)的透波特性。防護(hù)性能測試則需要用到信號源、功率放大器、頻譜儀以及防止功率反射保護(hù)功放的隔離器,通過測量注入波導(dǎo)與透過能量選擇表面后的能量就可以計(jì)算出屏蔽性能。測試連接方式如圖11所示,同時可以用定向耦合器監(jiān)測注入的功率和反射功率。

圖11 大功率注入測試連接框圖Fig.11 High power injection test connection block diagram

3.1 小信號透波特性測試

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試加工的樣件在波導(dǎo)中的插入損耗,輸入功率為-20 dBm。可以得到在整個頻段內(nèi)插入損耗如圖12所示。從圖中可以看出,設(shè)計(jì)的樣件在1.7 GHz到6 GHz的插入損耗最小有0.2 dB,最大有1.4 dB。因此,設(shè)計(jì)的樣件在波導(dǎo)中對小功率信號具有較好的透波特性。

圖12 小信號插入損耗測試曲線Fig.12 Small signal insertion loss test curve

3.2 大功率注入防護(hù)特性測試與結(jié)果分析

大功率防護(hù)性能測試按照圖11中的連接方式進(jìn)行測試。逐漸增大信號源的輸出功率,直至功率放大器接近飽和。測量透過能量選擇表面的功率隨著輸入功率增大的變化,可以計(jì)算出在不同入射功率下的屏蔽效能。通過波導(dǎo)中TE10主模的功率計(jì)算公式可以計(jì)算出波導(dǎo)中心位置的場強(qiáng)峰值。

式中,P為注入波導(dǎo)的電磁波功率,a和b分別為波導(dǎo)內(nèi)壁的長和寬,E為波導(dǎo)正中間的電場,η為波阻抗,λ為電磁波的波長。

測試結(jié)果如圖13所示,當(dāng)注入功率小于31 dBm(0.62 kV/m)時,信號以較小的損耗通過波導(dǎo);當(dāng)輸入功率達(dá)到34 dBm(0.89 kV/m)時二極管已經(jīng)開始導(dǎo)通,此時對信號的屏蔽性能在4 dB左右;隨著注入功率的增大,屏蔽效能隨著增加,當(dāng)注入功率達(dá)到46 dBm(3.5 kV/m)時,屏蔽效能平均有14 dB。由于在46 dBm時,功率放大器已經(jīng)接近飽和,因此沒有進(jìn)一步增大注入功率。從測試結(jié)果已經(jīng)可以看出,設(shè)計(jì)的樣件在小功率時呈現(xiàn)透波性能,在大功率時呈現(xiàn)屏蔽性能。

圖13 波導(dǎo)中不同功率注入時的屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness of waveguide with different power injection

從大功率注入實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,設(shè)計(jì)的新型能量選擇表面在空間電場小于0.6 kV/m時,處于透波狀態(tài);當(dāng)空間電場大于0.9 kV/m時,二極管開始工作,能量選擇表面起到防護(hù)作用,即該能量選擇表面的防護(hù)門限為0.9 kV/m。

這里測試的屏蔽效能與圖9的仿真結(jié)果(35 dB)相比要小,主要原因是波導(dǎo)中電場的不均勻性以及注入功率不夠大。矩形波導(dǎo)中的主模是TE10模,簡單描述就是電場在波導(dǎo)中間位置場強(qiáng)大而在兩邊小,靠近窄邊金屬壁處的電場最小為0。為了簡便,在圖9仿真中假設(shè)所有陣列中的二極管同時導(dǎo)通,因此具有35 dB的屏蔽效能。實(shí)際測試中,由于波導(dǎo)中電場的不均勻,陣列中二極管隨著注入功率的增大從最中間到兩側(cè)依次導(dǎo)通,也就出現(xiàn)了圖13測試的中間態(tài)。

加工的樣件一共有27列周期陣列,由于波導(dǎo)中電場主要集中在中間位置,因此靠近中間列的二極管最先導(dǎo)通。設(shè)最先導(dǎo)通中間的二極管列數(shù)為N,在波導(dǎo)中進(jìn)行了仿真,其結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看出,隨著二極管導(dǎo)通列數(shù)N的增加,屏蔽效能是在不斷增加的。圖13的仿真結(jié)果與N=9的曲線比較類似,也就說明實(shí)驗(yàn)注入波導(dǎo)中的能量只能使靠近中間的9列單元陣列導(dǎo)通。若注入功率進(jìn)一步增大,則實(shí)驗(yàn)測試到的屏蔽效能會更大。

圖14 屏蔽效能隨二極管導(dǎo)通列數(shù)的變化Fig.14 Variation of shielding effectiveness with the number of conducting columns of diodes

4 結(jié)論

本文通過加載二極管的方法,將典型的頻率選擇表面設(shè)計(jì)成具有能量選擇特性的強(qiáng)電磁防護(hù)結(jié)構(gòu)。首先,用無限大周期結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證單元結(jié)構(gòu)的強(qiáng)電磁防護(hù)的可行性;隨后,通過添加外圍邊框?qū)崿F(xiàn)了有限大表面的設(shè)計(jì);最后,在波導(dǎo)中仿真、加工,并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)方法。在波導(dǎo)中,實(shí)驗(yàn)測試插入損耗平均小于1 dB,強(qiáng)電磁防護(hù)能力有14 dB。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,能量選擇表面的設(shè)計(jì)可以借鑒現(xiàn)有的頻率選擇表面結(jié)構(gòu),通過加載非線性(對電場功率敏感)器件,實(shí)現(xiàn)對小信號的低插入損耗透波和強(qiáng)電磁的屏蔽防護(hù),從而保護(hù)后端敏感易損電路。