弓文劍，陳新偉，張文梅

（山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

在通信系統(tǒng)中，高功率微波（High-power microwave，HPM）對電子器件的威脅越來越大。HPM不僅會干擾信號接收裝置，還可能使整個通信設(shè)備癱瘓。因此，保護電子設(shè)備不受HPM的侵擾至關(guān)重要。傳統(tǒng)的防護方式通過電磁兼容技術(shù)演變而來，主要利用金屬板來隔離高功率的電磁能量，但正常的通信信號也會被阻斷。隨著電磁防護研究的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的電磁防護技術(shù)如頻率選擇表面（Frequency selective surface，F(xiàn)SS）和能量選擇表面（Energy selective surface，ESS）等。

FSS作為一種空間濾波器［1］，具有良好的頻率選擇特性，通過金屬之間的耦合作用，既可以實現(xiàn)帶阻［2］特性也可以實現(xiàn)帶通［3-4］特性，被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)。近年來，F(xiàn)SS逐漸向有源頻率選擇表面（Active frequency selective surface，AFSS）的方向發(fā)展，常見的AFSS通過外加直流偏置的方式控制二極管狀態(tài)，從而實現(xiàn)調(diào)控諧振頻率［5-8］，此外，還可以采用機械控制［9］，光控制［10］等方式來實現(xiàn)對AFSS的調(diào)控。但上述FSS均無法在通帶內(nèi)防護HPM。

ESS在FSS的基礎(chǔ)上，通過加載PIN二極管等具有開關(guān)特性的集總元件進一步實現(xiàn)了能量選擇特性。Yang等提出了一種可以跟入射波場強大小自適應(yīng)導(dǎo)通的ESS，它由密集的PIN二極管陣列組成，在0.5 GHz～1.5 GHz范圍內(nèi)，正常信號可以實現(xiàn)低損耗透射，而當入射波的電場強度達到1300 V/m時，ESS的插入損耗迅速增大，當電場強度達到2400 V/m時達到最大值，約為20 dB，實現(xiàn)了對HPM的防護［11-12］。Zhou等采用六邊形螺旋貼片與PIN二極管組合的方式，不僅實現(xiàn)了在3.75 GHz與8.55 GHz兩個頻點處的能量選擇特性，還可以針對性地防護三種不同極化的HPM［13］。Hu等結(jié)合等效電路分析法，通過在傳統(tǒng)PIN二極管陣列的背面加載了十字形金屬貼片，使ESS的輸入阻抗與自由空間波阻抗相匹配，成功拓寬了ESS的防護帶寬［14］。此外，還可以利用多層結(jié)構(gòu)間的耦合來實現(xiàn)超寬帶防護，但采用這種方法實現(xiàn)超寬帶的同時，結(jié)構(gòu)的剖面厚度也隨之增大［15-18］。

本文提出了一種具有超寬防護帶的低剖面ESS。該ESS可以根據(jù)入射波功率大小在傳輸與反射兩種模式間自適應(yīng)轉(zhuǎn)換，且采用了單層結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)超寬帶防護的同時還具有較低的剖面。結(jié)果表明，在低功率時，信號可以在4 GHz～4.64 GHz范圍內(nèi)低損耗傳輸，高功率時則在0～6.98 GHz范圍內(nèi)被反射，防護帶的相對帶寬達到200%。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

所提出的ESS單元結(jié)構(gòu)及多個單元的排布方式如圖1所示，它由一個金屬方環(huán)（邊長為p，寬度為 w1），一個金屬圓環(huán)（外半徑 r1，內(nèi)半徑r2）和一個變形的耶路撒冷十字架結(jié)構(gòu)（臂長為l，臂寬為w2）組成，三者均印制在厚度為h的 PTFE 介質(zhì)基板（εr=2.2，tanδ=0.002）上，其中，p≈0.27λg（λg為 ESS 工作頻段中心頻率處的導(dǎo)波波長）。通過在金屬圓環(huán)與十字架結(jié)構(gòu)之間的縫隙處加載四個PIN二極管來實現(xiàn)ESS的自適應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。在圖1（c）中，電磁波的傳播方向為k，當入射波功率水平較低時，PIN二極管處于截止狀態(tài)，可等效為一個小電容Coff，此時ESS表現(xiàn)為一個帶通FSS；當入射波功率水平較高時，PIN二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，可等效為阻值為Ron的小電阻，將圓環(huán)與十字架結(jié)構(gòu)連接起來，此時ESS可以反射HPM從實現(xiàn)超寬帶防護。此外，由于ESS采用單層結(jié)構(gòu)，因此具有較低的剖面，約為0.018λg。

圖1 所提出的ESS結(jié)構(gòu)(a)單元結(jié)構(gòu)的俯視圖；(b)單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；(c)多個單元的排布方式Fig.1 Proposed ESS structure.(a)top view of ESS unit;(b)side view of ESS unit;(c)The arrangement of multiple ESS units

我們利用CST Microwave Studio對所提出的ESS進行了仿真優(yōu)化，優(yōu)化后的ESS尺寸參數(shù)如表1所示，其中PIN二極管型號為SMP1345-079（Ron=2 Ω，Coff=0.15 pF）。

表1 優(yōu)化后的尺寸參數(shù)(mm)Table 1 Optimized dimensional parameters（mm）

2 參數(shù)分析

當?shù)凸β市盘柸肷鋾r，該ESS通帶的中心頻率f0主要由圓環(huán)內(nèi)半徑r2決定，傳輸零點f1所在頻點則主要受到r3與w1取值的影響；當HPM入射時，ESS的防護帶寬則由r2，r3，w1共同影響。我們分別研究了上述參數(shù)變化對ESS性能的影響，結(jié)果如下。

2.1 r2對ESS性能的影響

r2取不同值時ESS的S參數(shù)，結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，當入射波功率水平較低時，隨著r2的增大，通帶的中心頻率f0逐漸從4.55 GHz降低到4.17 GHz，傳輸零點f1逐漸從6.13 GHz移動至 5.71 GHz；由圖 2（b）可知，當HPM入射時，隨著r2的增大，S11在0～8 GHz范圍內(nèi)約為0 dB，S21＜-10 dB的帶寬由8.20 GHz（0～8.20 GHz）減少至5.98 GHz（0～5.98 GHz）。

圖2 r2取不同值時ESS的S參數(shù)(a)低功率信號入射；(b)HPM入射Fig.2 Simulated S-parameters for the ESS with different r2.（a）low power level；（b）high power level

2.2 r3對ESS性能的影響

r3對ESS的影響如圖3所示。由圖3（a），當?shù)凸β市盘柸肷鋾r，隨著r3的增大，傳輸零點f1逐漸從5.95 GHz移動至5.49 GHz，f0逐漸從4.37 GHz降低至3.88 GHz。這主要是由于十字架結(jié)構(gòu)與圓環(huán)間的縫隙寬度減小導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的等效電容增大，從而使諧振頻率向低頻移動。當HPM入射時，由圖3（b）可知S21＜-10 dB的帶寬逐漸從 6.80 GHz（0～6.80 GHz）增大至8.20（0～8.20 GHz），S11在 0～9.62 GHz范圍內(nèi)均大于-1 dB。

圖3 r3取不同值時ESS的S參數(shù)(a)低功率信號入射；(b)HPM入射Fig.3 Simulated S-parameters for the ESS with different r3.（a）low power level；（b）high power level

2.3 w1對ESS性能的影響

w1對ESS的影響如圖4所示。由圖4（a），當入射波功率較低時PIN二極管處于截止狀態(tài)，隨著w1的增大，傳輸零點f1逐漸從5.76 GHz移動至 6.51 GHz，f0逐漸從 4.29 GHz移動至6.51 GHz。這主要是由于隨著方環(huán)寬度的增大導(dǎo)致其等效電感減小，從而使傳輸零點的諧振頻率向高頻移動。當HPM入射時，由圖4（b）可知，S21＜-10 dB的帶寬逐漸從6.98 GHz（0～6.98 GHz）增大至 7.59（0～7.59 GHz），且防護能力隨著w1的增大逐漸略微提升。S11在0～9.02 GHz范圍內(nèi)均大于-1 dB。

圖4 w1取不同值時ESS的S參數(shù)（a）低功率信號入射；（b）HPM入射Fig.4 Simulated S-parameters for the ESS with different w1.（a）low power level；（b）high power level

3 仿真結(jié)果

電磁波垂直入射下該ESS的S參數(shù)結(jié)果如圖5所示。由圖5（a）可知，在低功率信號入射時，通帶的-3 dB帶寬為640 MHz（4 GHz～4.64 GHz）且在4.36 GHz處的插入損耗為0.01 dB。進一步，由于5.95 GHz處傳輸零點的出現(xiàn)，使得通帶的高頻側(cè)具有了較好的帶外選擇性。在圖5（b）中，當HPM入射時，S21＜-10 dB的帶寬為6.98 GHz（0～6.98 GHz），其相對帶寬為200%。

圖5 ESS的S參數(shù)（a）低功率信號入射；（b）HPM入射Fig.5 Simulated S-parameters for the ESS.（a）low power level；（b）high power level

另外，我們研究了ESS在不同入射角θ下的性能，結(jié)果如圖6所示。在圖6（a）中，當入射信號功率較低時，隨著θ從0°增加到60°，通帶 的 -3 dB 帶 寬 從 640 MHz（4 GHz～4.64 GHz）減小到 320 MHz（4.16 GHz～4.48 GHz），f0，f1的頻點基本不變。由圖 6（b）可知，入射信號功率高時，隨著 θ從 0°增加到 60°，S21＜-10 dB 的帶寬從 6.89 GHz（0～6.89 GHz）增大到10 GHz（0～10 GHz）。因此，該ESS可在0～60°范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的傳輸性能，并且其防護能力隨著入射角度的增大而提升。此外由圖7還可知，ESS具良好的極化不敏感性，這是由于單元結(jié)構(gòu)的中心對稱性質(zhì)。

圖6 不同入射角θ下ESS的S參數(shù)（a）低功率信號入射；（b）HPM入射Fig.6 Simulated S-parameters for the ESS with different θ.（a）low power level；（b）high power level

圖7 不同極化角φ下ESS的S參數(shù)（a）低功率信號入射；（b）HPM入射Fig.7 Simulated S-parameters for the ESS with different φ.（a）low power level；（b）high power level

最后將本文提出的ESS與其他文獻中的ESS性能進行了對比，結(jié)果如表2所示。由表2可知，本文提出的ESS具有與較低的剖面與較小的單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超寬帶防護，且入射角穩(wěn)定性可達60°。

表2 部分性能對比Table 2 Comparison of partial performance parameters

4 結(jié)論

本文提出了一種具有超寬防護帶的低剖面能量選擇表面。金屬貼片與PIN二極管組合能夠使能量選擇表面結(jié)構(gòu)在小功率信號入射時具有帶通特性，而在大功率微波入射時可以在很寬的頻帶范圍內(nèi)將其反射，從而達到防護目的，在電磁防護領(lǐng)域具有重要意義。