双极化能量选择表面

本发明涉及电磁防护，尤其是一种双极化能量选择表面。

背景技术：

1、微电子技术与脉冲功率技术的进步使得通信、导航等射频系统遭受日益加剧的电磁威胁。在此趋势下，天线及其阵列等电子组件正变得更小型化和多功能化，这进而使得系统的灵敏度门限阈值降低。电磁脉冲作为一种短暂的电磁现象，通过空间辐射进行传播，对电子和微波设备可造成重大损害。

2、如何有效地抑制高能量电磁波对电子信息系统的危害，是目前国内外研究的热点。传统上应对高能量微波的手段多采用“后门”的方式来保护电子系统。但是，高能量微波仍然可以通过“前门耦合”的方式对电子系统产生干扰，其通过发射机、接收机的天线直接进入电子设备，使得微波能量直接作用在电子系统的关键部件上，如集成电路、半导体器件等。当微波能量达到一定量级时，可能干扰甚至烧毁这些部件，导致系统失效。针对“前门”耦合的问题，国防科技大学的刘培国教授团队于2009年首次提出能量选择表面(ess)的概念。ess是一种场致阻抗变化的结构，由金属周期结构、场控开关器件和介质基板组合而成。当正常工作信号通过时，ess呈现透波状态，以较小的插入损耗(il)传输信号；当高能量微波通过时，ess呈现防护状态，能够以较高的防护效能(se)隔离电磁波的传输。ess的概念自提出以来，逐渐成为了电磁防护领域研究的热点。

3、然而，目前大部分研究都是采取单谐振的思路，通过利用二极管电容在低频段的高阻特性在透波状态产生一个低通的通带。当二极管导通时，结构低频段呈现低阻特性，从而产生一个高通的阻带，优点是结构简单，易于设计。目前基于单谐振方案的缺点是：能量选择表面起到防护效果的频率范围往往为低频，其在透波状态下呈现低通特性，其插入损耗随着频率升高逐渐变大。当工作频段处在中频甚至高频时，往往无法实现较低的插入损耗，使得带内传输效率低下，导致电子设备的性能下降，例如信号弱化、系统噪声增加、通信质量降低以及干扰能力减弱等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术单谐振的局限性，本发明提供一种双极化能量选择表面，其在透波状态呈现低插入损耗的带通特性，同时在防护状态呈现高防护效能的带阻特性。通过调整结构的设计参数，可以在特定的频率范围内同时实现极低的插入损耗和较高的防护效能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种双极化能量选择表面，包括周期分布的双极化能量选择表面单元，双极化能量选择表面单元包括介质基板以及设置在介质基板上表面的金属贴片结构单元，所述金属贴片结构单元包括金属贴片、集总电容以及二极管。

4、进一步地，所述金属贴片包括第一金属条、第二金属条、第三金属条和第四金属条，所述第一金属条和第二金属条正交，所述第一金属条和第二金属条等长度，所述第一金属条和第二金属条正交于第一金属条纵向中线的左侧、第二金属条横向中线的上侧；

5、第一金属条和第二金属条正交位置左侧的第一金属条在靠近第一金属条左端端头的位置断开，形成第一缺口，第一缺口中加载有第一集总电容，第一集总电容的两端分别连接在第一缺口左右两边的第一金属条上；第一金属条和第二金属条正交位置右侧的第一金属条在靠近第一金属条纵向中线的位置断开，形成第二缺口，第二缺口中加载有第一二极管，第一二极管的两端分别连接在第二缺口左右两边的第一金属条上；第二缺口一侧设置有第三金属条，所述第三金属条由两条第一纵向边条和连接在两条第一纵向边条一端的第一横向边条围合而成，两条第一纵向边条的另一端形成第三金属条的两端，所述第三金属条的两端分别与第二缺口左右两侧的第一金属条连接；

6、第一金属条和第二金属条正交位置上侧的第二金属条在靠近第二金属条上端端头的位置断开，形成第三缺口，第三缺口中加载有第二集总电容，第二集总电容的两端分别连接在第三缺口上下两边的第二金属条上，第一金属条和第二金属条正交位置下方的第二金属条在靠近第二金属条横向中线的位置断开，形成第四缺口，第四缺口中加载有第二二极管，第二二极管的两端分别连接在第四缺口上下两边的第二金属条上，第四缺口一侧设置有第四金属条，所述第四金属条由两条第二横向边条和连接在两条第二横向边条一端的第二纵向边条围合而成，两条第二横向边条的另一端形成第四金属条的两端，所述第四金属条的两端分别与第四缺口上下两边的第二金属条连接。

7、对于本发明，在各二极管处于截止状态时，金属贴片结构单元等效为双谐振电路，在工作频率附近实现了带通的特性：在各二极管导通后，金属贴片结构单元变成串联单谐振，从而实现了带阻的特性。

8、与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

9、本发明基于双谐振等效电路模型提出了一种低插入损耗和高防护效能的双极化能量选择表面，它由两个垂直分布并加载了二极管的谐振环以及两个集总电容构成，在4.5～5.5ghz实现对信号的通带以及对高能量微波的阻带，通过等效电路模型揭示了设计原理。仿真结果表明，当其处于波透波状态时，插入损耗小于1db；当其处于防护状态时，防护效能大于20db。

10、本发明提供的双极化能量选择表面具有良好的角度稳定性和双极化防护特性，在c波段实现了低插入损耗和高防护效能，可保护te极化和tm极化的高能量微波，入射角可达40°。

11、本发明提供的双极化能量选择表面作为一种新型的高能量微波防护结构，具有双极化、低成本和良好的能量选择特性，在通信和导航等电子系统的高能量微波保护领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种双极化能量选择表面，其特征在于，包括周期分布的双极化能量选择表面单元，双极化能量选择表面单元包括介质基板以及设置在介质基板上表面的金属贴片结构单元，所述金属贴片结构单元包括金属贴片、集总电容以及二极管。

2.根据权利要求1所述的双极化能量选择表面，其特征在于，所述金属贴片包括第一金属条、第二金属条、第三金属条和第四金属条，所述第一金属条和第二金属条正交，所述第一金属条和第二金属条等长度，所述第一金属条和第二金属条正交于第一金属条纵向中线的左侧、第二金属条横向中线的上侧；

3.根据权利要求1所述的双极化能量选择表面，其特征在于，所述介质基板采用相对介电常数为4.3的fr4基板材料制成。

4.根据权利要求2所述的双极化能量选择表面，其特征在于，所述第一金属条和第二金属条等宽度、等厚度。

5.根据权利要求4所述的双极化能量选择表面，其特征在于，第三金属条的第一纵向边条的长度与第四金属条的第二横向边条的长度相等，均为l1，第三金属条的第一横向边条的长度与第四金属条的第二纵向边条的长度相等，均为l2，第一横向边条、第二横向边条、第一纵向边条、第二纵向边条的宽度均相等，均为s1。

6.根据权利要求5所述的双极化能量选择表面，其特征在于，所述第一缺口距离第一金属条左端端头的距离等于第三缺口距离第二金属条上端端头的距离，距离长度均为f。

7.根据权利要求6所述的双极化能量选择表面，其特征在于，所述第一缺口、第二缺口间的第一金属条长度和第三缺口、第四缺口间的第二金属条长度相等，均为l。

8.据权利要求7所述的双极化能量选择表面，其特征在于，所述第一缺口、第二缺口、第三缺口、第四缺口的断开长度相等，均为g。

9.根据权利要求8所述的双极化能量选择表面，其特征在于，所述介质基板厚度h为0.5mm；第一金属条和第二金属条的长度p为9.5mm，厚度he为0.035mm，宽度s2为1.0mm；所述f为0.5mm，l为5mm，g为0.5mm，s1为0.1mm，l1为1.0mm，l2为3.3mm。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的双极化能量选择表面，其特征在于，在各二极管处于截止状态时，金属贴片结构单元等效为双谐振电路，在工作频率附近实现了带通的特性：在各二极管导通后，金属贴片结构单元变成串联单谐振，从而实现了带阻的特性。

技术总结本发明提供了一种双极化能量选择表面，包括周期分布的双极化能量选择表面单元，双极化能量选择表面单元包括介质基板以及设置在介质基板上表面的金属贴片结构单元，所述金属贴片结构单元包括金属贴片、集总电容以及二极管。本发明在二极管处于截止状态时该结构等效为双谐振电路，在工作频率附近实现了带通的特性；在二极管导通后等效电路模型变为串联单谐振，从而实现了带阻的特性。本发明提供的双极化能量选择表面具有良好的角度稳定性和双极化防护特性。技术研发人员：张鸿霖,刘培国,查淞,黄贤俊,蒋欢,周涛受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29