基于壓控導電原理的電磁環境自適應防護罩設計

摘 要： 設計了一種具有能量選擇特性的電磁防護罩，該防護罩基于PIN二極管壓控導電特性，具有電磁環境自適應特點。通過分析PIN二極管壓控導電特性，提出了防護罩設計方案，仿真研究了各因素對理想防護罩防護性能的影響，實驗驗證了防護罩的能量選擇特性。在1.6 GHz以下頻段，防護罩對弱電磁信號的衰減小于2 dB，對強電磁脈沖的屏蔽衰減大于18 dB，最大可達46 dB。

關鍵詞： 壓控導電； 自適應防護； 屏蔽效能； 插入損耗

中圖分類號： TN973.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0132?04

0 引 言

隨著強電磁脈沖（Electromagnetic Pulse，EMP）和高功率微波（High Power Microwave，HPM）等技術的發展與應用，信息化條件下的電子系統受到越來越大的威脅。

強電磁脈沖具有峰值場強大、功率密度高、頻譜范圍寬、殺傷范圍廣等特點[1]，當微波頻段的功率密度達到0.01～1 W/cm2時將形成干擾，雷達和通信設備難以正常工作；當功率密度達到10～100 W/cm2時，可形成軟殺傷，使電子系統功能紊亂；當功率密度達到1～100 kW/cm2時，可形成硬殺傷，破壞電子元器件、集成電路等 [2]。因此，為了提高電子系統在強電磁脈沖環境中的生存能力與使用效能，必須采取有效的防護手段。

常規強電磁脈沖防護的主要思想是通過對電磁能量的反射、吸收、屏蔽等手段，防止強電磁脈沖對電子系統造成毀傷。然而常規手段在隔離了強電磁脈沖的同時也阻斷了被防護對象對正常電磁波的輻射和接收，甚至不能開機。

為了解決電子設備對強電磁脈沖防護和正常收發之間的矛盾，必須探索新的防護手段。這種防護手段應能同時實現設備正常信號收發的低插入損耗和防護強電磁脈沖的高隔離度。

本文結合PIN壓控導電特性和金屬網屏蔽理論，設計了一種類似波導限幅器的自適應防護罩。通過仿真，研究分析了各因素對該結構防護性能的影響，并通過實驗驗證了該防護罩的能量選擇特性。

1 自適應防護罩的設計

提出的自適應防護罩利用了電磁脈沖的強電場效應，即在電磁脈沖感應的大電壓作用瞬間由高阻態變為低阻態，對外界干擾起到屏蔽作用；而對于安全的電磁信號，由于信號強度弱，在防護罩結構表面感應的電壓小，整個結構仍然呈現出高阻效應，使得有用信號正常通過。本節分別從實現原理和壓控導電結構的特性分析兩個方面對這一防護罩進行設計說明。

1.1 防護罩實現原理

考慮一個無限大的阻抗表面[S，]當平面波垂直入射時，根據電磁理論，阻抗表面會感應出表面電流，定義電流沿[x]方向傳輸，大小為[JS。]均勻平面波與阻抗表面如圖1所示。

則由電流產生的場沿[+x]和[-x]方向傳播，其場分量可寫為：

[ES+x=-12ηJSe-jkzHS+y=-12JSe-jkz，z>0]

[ES-x=-12ηJSejkzHs-y=12JSejkz，z<0]

根據表面阻抗定義，進一步得到反射和透射系數[3]：

[Γ=ErEi=ES-xEix=-η2ZS+ηΤ=EtEi=ES+x+EixEix=2ZS2ZS+η]

由式可知，當防護罩處于透波模式時，要使插入損耗盡可能小，則要求表面阻抗[ZS]盡可能大；當防護罩處于隔離模式時，希望屏蔽效能盡可能大，則[ZS]要盡可能小。

為實現變阻抗特性，圖2給出了一種壓控導電結構設計，采用壓控導電元件陣列組成網格，壓控導電元件之間細金屬線保持電連接，網格尺寸小于入射波長的[110，]當強電磁脈沖作用時，網格上會感應出高電壓，驅動元件陣列導通，形成一個導電網格，[ZS]變小，此時該結構類似完整的金屬屏蔽網，可以阻擋強電磁脈沖進入系統內部；當強電磁脈沖消失后，網格上的感應電壓不足以驅動元件陣列導通，[ZS]變得很大，基本不影響電磁波的傳輸，此時該結構等效于離散“十”字形金屬陣列，可以有效透射低能量的電磁信號[4]。

1.2 壓控導電元件特性分析

PIN二極管是由高摻雜的P區和N區中間夾有本征區I層半導體所構成。在微波電路中，I區電導率受外加微波信號能量強度調制，可承受高峰值功率、快上升前沿和高重復率的電磁脈沖。為了分析其壓控導電特性，設計了圖3所示的典型PIN二極管的仿真電路[5]。在微波信號作用下，PIN二極管通過自偏置實現電磁能量選擇。低輸入電平信號下，其插入損耗較小或無損耗，對噪聲系數無明顯影響，仿真時以零偏電容代替；高輸入電平信號下，其插入損耗較大，對輸入信號大幅衰減，仿真時以直流電阻代替。

圖3中，[P1]為微波信號源，DC_Block為隔直電容，[R1，R2]分別為源阻抗和負載阻抗，為實現阻抗匹配，阻值均為50 Ω。PIN和Schottky二極管反向并聯，Schottky二極管給PIN二極管提供偏置電流和直流回路。

PIN二極管瞬態仿真結果如圖4所示。[P1]提供幅度[Vin]為10 V、頻率為1 GHz微波信號，得到負載[R2]兩端[Vout]降為2 V，相當于PIN二極管開路時的40%。

從圖4可以看出，處于微波段的PIN二極管具有壓控導電特性，容易滿足需求，適合作為防護罩的壓控導電單元。

2 仿真分析

針對圖2給出的防護結構，分析了該防護罩的電磁性能。仿真中同時考慮網格尺寸和PIN阻抗特性的影響，設置4種防護罩結構設計方案，見表1。其中網格邊長均小于入射電磁波長的[110。]因PIN二極管加工工藝不同，致使其存在性能差異。BAP63零偏電容[CT]小，截止特性較好；HSMP4820直流電阻[R1]小，導通性能較好。 因此，本文選取這兩種型號二極管作為仿真對象，同時用隔離度[I]表征防護罩屏蔽效能，插入損耗IL表征透射效率，研究其防護效能。

仿真結果如圖5所示，在強電磁脈沖作用下隔離度[I]與網格尺寸、入射波頻率成反比，符合金屬網格屏蔽規律。PIN二極管直流電阻小于1.8 Ω時，同尺寸防護罩[I?f]曲線幾乎重合。當PIN二極管導通時，防護罩近似短路，形成低阻抗表面，絕大部分入射波被反射，避免被防護設備毀傷。

弱電磁信號作用下，防護罩的透射效率仿真結果如圖6所示。對比圖5，圖6，防護罩在不同頻點出現諧振。網格尺寸一致時，諧振頻率點[f]隨著零偏電容[CT]的減小而增大。二極管零偏電容[CT]一致時，諧振頻率點[f]隨著網格尺寸的減小而增大。故諧振頻率點[f]與網格尺寸、零偏電容值成反比變化。

綜上所述，提高隔離度[I，]需要使用直流電阻小的PIN二極管，并加密網格；降低插入損耗IL，回避諧振影響，需要使用零偏電容小的PIN二極管和稀疏網格。但實際上，PIN二極管的直流電阻越小，I層厚度就越薄，零偏電容越大。故防護罩設計時，提高隔離度和降低插入損耗存在矛盾，需針對防護需求，合理選擇網絡尺寸和PIN二極管。

3 實驗研究

以喇叭天線作為防護對象，選用BAP63型號PIN二極管，FR4覆銅襯底，1 mm寬金屬引線，制作防護罩A（3 mm間距）、防護罩B（5 mm間距）。防護罩實物照片及實驗配置如圖7所示。防護罩緊貼喇叭口面放置，喇叭天線為垂直極化。

采用基于矢量網絡分析儀的收發天線測試方案。外加直流偏置電壓控制PIN二極管的開斷，模擬強電磁脈沖作用時防護罩的狀態，并測量其插入損耗IL及隔離度[I。]實驗設置如圖8所示。直流電源斷開，PIN二極管未導通，防護罩處于高阻態，測量插入損耗IL；直流電源連通，PIN二極管導通，防護罩處于低阻態模式，測量隔離度[I。]

測試結果如圖9，圖10所示。圖中顯示不同狀態下天線發射與接收功率的比值隨頻率[f]的變化情況。當[f<1.6] GHz時，防護罩插入損耗滿足[ILB]18 dB，其中[IB>]46 dB（[f=]1.55 GHz）；當[f>]2 GHz時，防護罩[A，B]的防護性能趨于一致，曲線波動對應頻點基本相同，僅存在幅度上的微小差異。

PIN二極管的封裝電容和電感會影響其阻抗特性[6]。防護罩[B]在屏蔽時，PIN二極管陣列導通產生諧振，對強電磁脈沖的反射與吸收同時存在。防護罩[B]網格尺寸較大，但有[IB>IA]（[f<2] GHz）。防護罩[B]在透波時，存在寄生電容、電感，消除了純電容情況的大幅諧振，防護罩的透波性能得到改善，僅有部分頻點小幅諧振。

實測外加直流偏置后，二極管的正向導通壓降為0.8 V，導通電流為20 mA。由于高電平微波信號對二極管I區電導率調制作用不如直流有效[7]，強電磁脈沖輻照功率密度將大于上述數據。通過調節金屬網格尺寸、降低PIN二極管限幅門限、提高PIN功率容量等措施，可制作針對不同防護需求的防護罩。

4 結 論

通過分析PIN二極管的壓控導電特性，結合金屬網格屏蔽理論，提出了電磁環境自適應防護罩的設計思想；對理想防護罩進行了仿真研究，分析了各因素對防護罩防護性能的影響；對防護罩進行實驗研究，從傳輸特性角度對其性能進行分析，實現了1.6 GHz以下頻段防護罩插入損耗小于2 dB；2 GHz以下頻段，隔離度大于18 dB。

該電磁防護罩具有自適應、超寬帶等優點。通過改善加工工藝、調整網格結構和選用理想器件，可實現對不同頻段、不同防護需求的裝備和系統的強電磁脈沖防護。

參考文獻

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[7] 懷特.微波半導體控制電路[M].北京：科學出版社，1983.