基于壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的能量選擇表面防護(hù)機(jī)理和仿真實(shí)驗(yàn)研究

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

0 引 言

隨著微電子技術(shù)和脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，武器裝備面臨著嚴(yán)峻的電磁威脅。一方面，為滿足高速信號傳輸和低功耗的設(shè)計(jì)指標(biāo)，武器裝備大量采用半導(dǎo)體和集成電路設(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)電磁敏感閾值下降；另一方面，強(qiáng)電磁脈沖武器在輻射瞬間能釋放出高功率、超寬譜的強(qiáng)電磁脈沖［1－3］，進(jìn)入敏感系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件擊穿、集成電路燒毀，使設(shè)備失效或永久損壞。為提高武器裝備在強(qiáng)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(qiáng)電磁脈沖防護(hù)手段和措施。

強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的目的是防止電磁脈沖的能量通過輻射或傳導(dǎo)方式進(jìn)入敏感系統(tǒng)，以艦船平臺(tái)為例，美軍提出了艦船3 級加固的方法［4－5］，即平臺(tái)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(hù)手段與措施。屏蔽手段采用具有高電導(dǎo)率、高磁導(dǎo)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(hù)器件等。此外，良好的接地、合理的線纜布局以及操作時(shí)間回避等也是對電子系統(tǒng)進(jìn)行電磁加固的常用方法。

上述防護(hù)方法多從傳統(tǒng)電磁兼容技術(shù)過渡而來，應(yīng)用于強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)時(shí)存在一定的局限。高功率微波源瞬時(shí)電磁脈沖峰值場強(qiáng)可達(dá)數(shù)百千伏每米，要使艦船平臺(tái)能有效抵御電磁脈沖武器的攻擊，就必須對強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)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(qiáng)電磁脈沖的同時(shí)，也阻斷了被保護(hù)設(shè)備的信號收發(fā)。

在復(fù)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(qiáng)電磁脈沖防護(hù)提出了更高的要求，即要求建立一種能量選擇的防護(hù)機(jī)制：允許安全電磁信號通過，禁止強(qiáng)電磁信號進(jìn)入系統(tǒng)。而現(xiàn)有防護(hù)手段均不能滿足上述防護(hù)需求，為此，本文從能量選擇的防護(hù)機(jī)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(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)機(jī)理，設(shè)計(jì)一種ESS 結(jié)構(gòu)并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為武器裝備強(qiáng)電磁防護(hù)提供新的途徑和方法［6-7］。

1 防護(hù)機(jī)理

針對能量選擇的防護(hù)機(jī)制，本文提出了一種可用于強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的ESS。ESS 是一種利用強(qiáng)電磁效應(yīng)改變阻抗特性、實(shí)現(xiàn)能量選擇的電磁防護(hù)表面。這種電磁防護(hù)表面利用了電磁脈沖的強(qiáng)電場效應(yīng)，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(shí)，這種材料還要有一個(gè)合理的安全閾值，即當(dāng)空間場強(qiáng)大于安全閥值時(shí)，材料導(dǎo)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梗瑥亩行П苊獯笥诎踩撝档碾姶琶}沖對被保護(hù)設(shè)備造成損毀。

假設(shè)空間電磁波的電場強(qiáng)度如圖1 所示變化，Eth為武器裝備所能承受的最大場強(qiáng)。在t=t1時(shí)刻，空間電磁場強(qiáng)低于Eth，ESS 未導(dǎo)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(shí)刻，空間電磁場強(qiáng)逐漸接近設(shè)備所能承受的最大場強(qiáng)Eth，ESS 部分導(dǎo)通，插入損耗逐漸增大，此時(shí)的電磁信號部分被反射；在t=t3時(shí)刻，空間電磁場強(qiáng)超過了電子系統(tǒng)所能承受的最大場強(qiáng)Eth，ESS 完全導(dǎo)通，所有的入射信號全部被反射，使武器裝備免受強(qiáng)電磁輻射的攻擊。

圖1 ESS 自適應(yīng)防護(hù)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(shí)質(zhì)上是由其表面的感應(yīng)電流大小決定。總體來說，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(shè)電磁波沿＋z方向垂直入射，根據(jù)感應(yīng)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(yīng)電流（傳導(dǎo)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(shí)，電子在ESS 表面運(yùn)動(dòng)可能轉(zhuǎn)化為焦耳熱，形成能量耗散。

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

當(dāng)入射波功率較低時(shí)，ESS 為高阻態(tài)，形成的表面感應(yīng)電流很微弱，對入射波的傳播幾乎無影響；當(dāng)入射波功率足夠高時(shí)，ESS 發(fā)生突變，進(jìn)入低阻態(tài)，ESS 表面形成很強(qiáng)的感應(yīng)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(qiáng)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(yīng)傳導(dǎo)電流，單位為Ω/方，XS表示表面電抗分量，對應(yīng)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(guān)系。如圖3 所示，假設(shè)空間中存在x 方向流動(dòng)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(dòng)時(shí)長方形區(qū)域的測量阻抗。不難看出，當(dāng)W=L 時(shí)，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(shí)諧場為例對ESS 防護(hù)機(jī)理進(jìn)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(shè)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(yīng)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(jì)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(lì)，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(qiáng)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(guān)系，當(dāng)空間場強(qiáng)接近100 V/m 時(shí)，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(guān)系Fig.5 Illustration of surface current density and tangential electric field

綜上所述，當(dāng)ESS 為低阻態(tài)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)低阻性或高容抗表面，電磁波通過ESS 時(shí)衰減極大；當(dāng)ESS 為高阻態(tài)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)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(dāng)于一個(gè)空間限幅器。

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

2 仿真研究

圖6 給出了一種利用壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)電磁防護(hù)。當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖作用時(shí)，二極管兩端金屬連線會(huì)感應(yīng)出高電壓，驅(qū)動(dòng)二極管導(dǎo)通，促使ESS 表面阻抗變小，從而有效隔離強(qiáng)電磁脈沖；當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖消失后，二極管恢復(fù)截止?fàn)顟B(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(dǎo)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(hù)特性進(jìn)行驗(yàn)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(shí)二極管對應(yīng)的電導(dǎo)，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(gè)周期單元研究［10－12］。假設(shè)平面波沿＋z 方向垂直入射，將＋z 方向設(shè)為PML 邊界，ESS 周期單元四壁設(shè)為周期邊界，采用CST-MWS 對ESS 進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)空間場強(qiáng)小于200 V/m 時(shí)，ESS 的插入損耗較低，電磁波能順利通過，而當(dāng)空間場強(qiáng)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(yīng)防護(hù)的特性。

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

ESS 的防護(hù)特性與二極管的狀態(tài)密切相關(guān)，圖10 給出了二極管兩端感應(yīng)電壓隨入射波的變化情況。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空間場強(qiáng)較低時(shí)，二極管兩端的電壓感應(yīng)小于0.7 V，處于截止?fàn)顟B(tài)，ESS 表面阻抗很大，電磁波可以順利通過；而當(dāng)空間場強(qiáng)很高時(shí)，二極管兩端的電壓感應(yīng)大于0.7 V，處于導(dǎo)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(yīng)電壓對比Fig.10 Comparisons of diode inducing voltage

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證ESS 的防護(hù)性能，本文將采取外加偏壓的方式等效強(qiáng)場激勵(lì)，對喇叭天線防護(hù)罩的防護(hù)性能進(jìn)行研究。

如圖11 所示，本文制作了一塊可用于喇叭天線防護(hù)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(hù)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(shí)驗(yàn)時(shí)，防護(hù)罩緊貼接收天線口徑面，發(fā)射天線距離防護(hù)罩的距離要滿足遠(yuǎn)場條件，使防護(hù)罩表面近似平面波入射。

圖11 天線防護(hù)罩實(shí)驗(yàn)場景Fig.11 Experiment scene of an antenna shield

零偏條件下，喇叭口徑面無ESS 防護(hù)時(shí)天線接收到的功率記為P0，喇叭口徑面有ESS 防護(hù)時(shí)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(hù)時(shí)天線接收到的功率記為Pb。ESS 未導(dǎo)通時(shí)對電磁波的傳輸衰減可表示為P0-Pa，記為ESS 插入損耗；ESS 導(dǎo)通時(shí)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(hù)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(dāng)f ＜1.75 GHz時(shí)，ESS 的插入損耗小于2 dB，而當(dāng) f 接近1.9 GHz 時(shí)，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(dǎo)致的諧振。當(dāng)1.3 GHz ＜f ＜2.0 GHz 時(shí)，ESS 的隔離度大于20 dB，最大可達(dá)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(shí)測直流偏置時(shí)，二極管的正向?qū)▔航禐?.8 V，導(dǎo)通電流為20 mA，對應(yīng)的二極管的等效電阻僅有幾歐姆。在強(qiáng)電磁脈沖輻照條件下，PIN二極管兩端感應(yīng)的電壓超過其限幅電壓后，也能達(dá)到直流導(dǎo)通的防護(hù)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(shè)計(jì)出預(yù)防干擾、軟殺傷和硬殺傷等不同毀傷程度的防護(hù)罩。

4 結(jié) 論

本文針對武器裝備面臨的強(qiáng)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(qiáng)電磁脈沖，又能保證被保護(hù)設(shè)備的正常收發(fā)。利用二極管的壓控導(dǎo)電特性，本文設(shè)計(jì)了一種可防護(hù)線極化強(qiáng)電磁脈沖的ESS，并進(jìn)行了相關(guān)仿真和實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，ESS對弱電磁信號的插入損耗小于2 dB，對強(qiáng)電磁信號的隔離度大于20 dB，具有能量低通的防護(hù)效果。

ESS 防護(hù)功率容量高、工作頻帶寬、自適應(yīng)防護(hù)能力強(qiáng)，克服了現(xiàn)有防護(hù)手段在防護(hù)功率和防護(hù)功能上的不足，可設(shè)計(jì)成防護(hù)屏、防護(hù)罩，應(yīng)用于武器裝備平臺(tái)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(jìn)行綜合防護(hù)。

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