一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面制造技术

本发明专利技术属于电磁防护技术领域，提供一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，用以解决电磁防护问题。本发明专利技术对能量选择表面和频率选择表面级联结构的等效电路进行改进设计，基于改进后等效电路设计得到一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面；在低功率密度入射时，本发明专利技术中能量选择表面在S波段产生一个通带，保证被保护的天线正常的接收和发射信号；在高功率密度入射时，本发明专利技术中能量选择表面能够将全频带的电磁波全反射；并且，本发明专利技术采用旋转对称结构，具有极化不敏感性。与现有技术相比，本发明专利技术提出的能量选择表面拥有更为简单的结构、更低的剖面、更高的屏蔽效能，并且能提供宽带更宽的防护，实现超宽带防护。实现超宽带防护。实现超宽带防护。

【技术实现步骤摘要】
一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面


[0001]本专利技术属于电磁防护
，具体提供一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面。

技术介绍

[0002]随着电子信息技术的飞速发展，各类电子信息设备在军事和民事方面得到了大量的应用，但是也大大增加了被强电磁脉冲干扰的可能性，这种强电磁脉冲可能来自于大自然，也可能来自于电磁武器。在军事方面，雷达为了增强雷达的探测能力和信息获取能力，要求雷达具有高灵敏度，但是也大大提高了雷达系统受到电磁损伤的可能性；在民事领域，如金融中心、指控中心、供电控制中心等电子设备密集聚集的区域，也面临多方面的强电磁威胁。
[0003]电磁脉冲的防护可以大致分为后门防护和前门防护，后门指的是电子设备壳体的孔洞、缝隙、电缆等，主要采用屏蔽、接地、滤波等技术进行防护；而前门则指的是系统的天线和传感器，现阶段防护方式主要是使用限幅器和频率选择表面。限幅器虽然可以对流入电路的电流进行大幅衰减，但是其在满足大幅衰减信号的同时又会影响正常信号的通过；频率选择表面虽然可以将带外的大功率信号进行隔离，但是带内的强电磁威胁却无法进行防护；因此，研究一种行之有效的前门电磁防护手段具有重要的实际意义。
[0004]能量选择表面是近些年提出新型电磁表面，是一种典型的自适应强电磁防护装置。现阶段的能量选择表面大多能够对工作频带内的高功率电磁脉冲提供防护，但是，一方面通带外的高功率微波依然可以通过能量选择表面，进而通过所保护的天线耦合进电子系统；另一方面通带外的电磁波通过能量选择表面，进而被天线全反射，导致雷达反射截面大幅增加。为了增加防护带宽，文献“D.Qin,R.Ma,J.Su,X.Chen,R.Yang and W.Zhang,Ultra
‑
Wideband Strong Field Protection Device Based on Metasurface,in IEEE Transactionson Electromagnetic Compatibility,vol.62,no.6,pp.2842
‑
2848,Dec.2020,doi:10.1109/TEMC.2020.3020840.”提出一种基于超表面的超宽带强场保护装置，将频率选择表面和能量选择表面叠加实现超宽带强场保护；但是，该方法为了保持两个表面独立工作，必须保证两表面相隔足够的高度，无法实现低剖面。因此，如何利用较低的剖面和较简单的结构实现具有超宽带防护的能量选择表面仍然是一个尚未解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述电磁防护的问题，提出一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，具有更为简单的结构、更低的剖面、更高的屏蔽效能，并实现超宽带防护。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，由若干个周期性单元呈周期排布构成，所述周期性单元呈正方形结构，包括：从下至上依次设置的底层金属结构6、第二介质基板层4、金属网格结构5、第一介质基板层1与能量选择结构2；其特征在于：
[0008]所述能量选择结构沿中心呈90
°
旋转对称结构、由十字形金属结构与四个PIN二极管3构成，所述十字形金属结构沿第一介质基板层上表面的中线设置、且十字形金属结构中沿第一介质基板层上表面的中线开设有顶层十字形缝隙，所述四个PIN二极管对应加载于顶层十字形缝隙中、且分别位于十字形金属结构的四条金属臂上；
[0009]所述金属网格结构沿中心呈90
°
旋转对称结构、采用田字形金属结构；
[0010]所述底层金属结构沿中心呈90
°
旋转对称结构、采用覆盖第二介质基板层下表面的金属层，金属层沿第二介质基板层下表面的中线开设有底层十字形缝隙7。
[0011]进一步的，田字形金属结构中间金属线的宽度为边框金属线的2倍。
[0012]进一步的，底层十字形缝隙采用弯折结构。
[0013]进一步的，所述第一介质基板层1与第二介质基板层4采用相同介质基板，且厚度相同。
[0014]从工作原理上讲：
[0015]能量选择表面(ESS)实现的方式是在金属结构上加载PIN二极管，当处于低功率密度时，二极管处于截止状态，可以近似的等效为一个小电容；当处于高功率密度时，二极管处于导通状态，可以近似等效为一个小电感串联一个小电阻；二极管的工作状态改变时，会导致ESS的表面阻抗产生巨大的差异，从而实现ESS透射和屏蔽两种工作状态。为了方便进一步阐述原理，通过建立等效电路来分析能量选择表面。
[0016]如图5所示为
技术介绍
中基于超表面的超宽带强场保护装置的等效电路示意图，能量选择表面与频率选择表面之间的空气层视为一段传输线，也就是在能量选择表面与频率选择表面中间添加一个串联的电感和并联的电容，而等效出的并联电容值非常小，可以将其忽略；因此，图1中能量选择表面与频率选择表面通过一个串联的电感L0耦合，两表面之间的空气层厚度越厚，电感值越大，能量选择表面与频率选择表面之间的耦合就越小；由此可见，为了保证两层表面的独立工作，则需要两表面之间弱耦合，即需要保证一定的空气层厚度。
[0017]如图6所示为本专利技术中具有超宽带防护的低剖面能量选择表面的等效电路示意图，在能量选择结构A(能量选择结构2)与频率选择结构B(底层金属结构6)中间添加了一层金属网格结构5，等效为并联电感L3；同样，第一介质基板层1与第二介质基板层4也可以视为一段传输线，并且，两介质基板层的厚度与介电常数相同，在等效电路中等效为串联电感L2，由此，两个电感L2与电感L3构成了一个T型网络。通过变换，将T型网络变化为pai型网络，如图7所示；变换后的两个并联电感L
31
分别与能量选择结构A、频率选择结构B合并，从而变成了能量选择结构C与频率选择结构D，则能量选择结构C与频率选择结构D通过电感L
21
耦合，并且，串联电感L
21
的值要远大于变换前串联电感L2的值。由此可见，如图7所示等效电路形式与图5类似，所达到的效果相同；而在本专利技术中，由于金属网格结构5的添加，能够在串联电感L2值较小的情况下、即低剖面的情况下，实现能量选择表面与频率选择表面级联的效果。另外，经过变换后，电感L
31
能够与能量选择结构2结合，共同构成一个谐振器E，从而降低能量选择结构的设计复杂度；同理，电感L
31
能够与底层金属结构6结合，共同构成一个谐振器F，从而将低底层金属结构的设计复杂度。
[0018]为进一步说明本专利技术超宽带防护的工作原理，下面给出更为详细的等效电路，如图8所示为本专利技术中能量选择表面处于透射状态下的等效电路示意图，如图9所示为本专利技术
中能量选择表面处于屏蔽状态下的等效电路示意图；由于电感的阻抗特性，并联的电感的频率响应表现为低阻高通，所以并联的电感会对低频段起到抑制作用，并且，并联的电感值越小对低频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超宽带防护的低剖面能量选择表面，由若干个周期性单元呈周期排布构成，所述周期性单元呈正方形结构，包括：从下至上依次设置的底层金属结构(6)、第二介质基板层(4)、金属网格结构(5)、第一介质基板层(1)与能量选择结构(2)；其特征在于：所述能量选择结构沿中心呈90
°
旋转对称结构、由十字形金属结构与四个PIN二极管(3)构成，所述十字形金属结构沿第一介质基板层上表面的中线设置、且十字形金属结构中沿第一介质基板层上表面的中线开设有顶层十字形缝隙，所述四个PIN二极管对应加载于顶层十字形缝隙中、且分别位于十字形金属结构的四条金属臂上；所述金属网格结构沿中心呈9...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贤峰，张旭宁，李禹霄，杨德强，刘思豪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：