具有超宽防护带的低剖面能量选择表面

弓文剑，陈新伟，张文梅

（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

0 引言

在通信系统中，高功率微波（High-power microwave，HPM）对电子器件的威胁越来越大。HPM不仅会干扰信号接收装置，还可能使整个通信设备瘫痪。因此，保护电子设备不受HPM的侵扰至关重要。传统的防护方式通过电磁兼容技术演变而来，主要利用金属板来隔离高功率的电磁能量，但正常的通信信号也会被阻断。随着电磁防护研究的发展，出现了许多新型的电磁防护技术如频率选择表面（Frequency selective surface，FSS）和能量选择表面（Energy selective surface，ESS）等。

FSS作为一种空间滤波器［1］，具有良好的频率选择特性，通过金属之间的耦合作用，既可以实现带阻［2］特性也可以实现带通［3-4］特性，被广泛应用于通信系统。近年来，FSS逐渐向有源频率选择表面（Active frequency selective surface，AFSS）的方向发展，常见的AFSS通过外加直流偏置的方式控制二极管状态，从而实现调控谐振频率［5-8］，此外，还可以采用机械控制［9］，光控制［10］等方式来实现对AFSS的调控。但上述FSS均无法在通带内防护HPM。

ESS在FSS的基础上，通过加载PIN二极管等具有开关特性的集总元件进一步实现了能量选择特性。Yang等提出了一种可以跟入射波场强大小自适应导通的ESS，它由密集的PIN二极管阵列组成，在0.5 GHz～1.5 GHz范围内，正常信号可以实现低损耗透射，而当入射波的电场强度达到1300 V/m时，ESS的插入损耗迅速增大，当电场强度达到2400 V/m时达到最大值，约为20 dB，实现了对HPM的防护［11-12］。Zhou等采用六边形螺旋贴片与PIN二极管组合的方式，不仅实现了在3.75 GHz与8.55 GHz两个频点处的能量选择特性，还可以针对性地防护三种不同极化的HPM［13］。Hu等结合等效电路分析法，通过在传统PIN二极管阵列的背面加载了十字形金属贴片，使ESS的输入阻抗与自由空间波阻抗相匹配，成功拓宽了ESS的防护带宽［14］。此外，还可以利用多层结构间的耦合来实现超宽带防护，但采用这种方法实现超宽带的同时，结构的剖面厚度也随之增大［15-18］。

本文提出了一种具有超宽防护带的低剖面ESS。该ESS可以根据入射波功率大小在传输与反射两种模式间自适应转换，且采用了单层结构，在实现超宽带防护的同时还具有较低的剖面。结果表明，在低功率时，信号可以在4 GHz～4.64 GHz范围内低损耗传输，高功率时则在0～6.98 GHz范围内被反射，防护带的相对带宽达到200%。

1 结构设计与参数分析

1.1 结构设计

所提出的ESS单元结构及多个单元的排布方式如图1所示，它由一个金属方环（边长为p，宽度为 w1），一个金属圆环（外半径 r1，内半径r2）和一个变形的耶路撒冷十字架结构（臂长为l，臂宽为w2）组成，三者均印制在厚度为h的 PTFE 介质基板（εr=2.2，tanδ=0.002）上，其中，p≈0.27λg（λg为 ESS 工作频段中心频率处的导波波长）。通过在金属圆环与十字架结构之间的缝隙处加载四个PIN二极管来实现ESS的自适应状态转换功能。在图1（c）中，电磁波的传播方向为k，当入射波功率水平较低时，PIN二极管处于截止状态，可等效为一个小电容Coff，此时ESS表现为一个带通FSS；当入射波功率水平较高时，PIN二极管处于导通状态，可等效为阻值为Ron的小电阻，将圆环与十字架结构连接起来，此时ESS可以反射HPM从实现超宽带防护。此外，由于ESS采用单层结构，因此具有较低的剖面，约为0.018λg。

图1 所提出的ESS结构(a)单元结构的俯视图；(b)单元结构的侧视图；(c)多个单元的排布方式Fig.1 Proposed ESS structure.(a)top view of ESS unit;(b)side view of ESS unit;(c)The arrangement of multiple ESS units

我们利用CST Microwave Studio对所提出的ESS进行了仿真优化，优化后的ESS尺寸参数如表1所示，其中PIN二极管型号为SMP1345-079（Ron=2 Ω，Coff=0.15 pF）。

表1 优化后的尺寸参数(mm)Table 1 Optimized dimensional parameters（mm）

2 参数分析

当低功率信号入射时，该ESS通带的中心频率f0主要由圆环内半径r2决定，传输零点f1所在频点则主要受到r3与w1取值的影响；当HPM入射时，ESS的防护带宽则由r2，r3，w1共同影响。我们分别研究了上述参数变化对ESS性能的影响，结果如下。

2.1 r2对ESS性能的影响

r2取不同值时ESS的S参数，结果如图2所示。由图2（a）可知，当入射波功率水平较低时，随着r2的增大，通带的中心频率f0逐渐从4.55 GHz降低到4.17 GHz，传输零点f1逐渐从6.13 GHz移动至 5.71 GHz；由图 2（b）可知，当HPM入射时，随着r2的增大，S11在0～8 GHz范围内约为0 dB，S21＜-10 dB的带宽由8.20 GHz（0～8.20 GHz）减少至5.98 GHz（0～5.98 GHz）。

图2 r2取不同值时ESS的S参数(a)低功率信号入射；(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对ESS性能的影响

r3对ESS的影响如图3所示。由图3（a），当低功率信号入射时，随着r3的增大，传输零点f1逐渐从5.95 GHz移动至5.49 GHz，f0逐渐从4.37 GHz降低至3.88 GHz。这主要是由于十字架结构与圆环间的缝隙宽度减小导致结构的等效电容增大，从而使谐振频率向低频移动。当HPM入射时，由图3（b）可知S21＜-10 dB的带宽逐渐从 6.80 GHz（0～6.80 GHz）增大至8.20（0～8.20 GHz），S11在 0～9.62 GHz范围内均大于-1 dB。

图3 r3取不同值时ESS的S参数(a)低功率信号入射；(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对ESS性能的影响

w1对ESS的影响如图4所示。由图4（a），当入射波功率较低时PIN二极管处于截止状态，随着w1的增大，传输零点f1逐渐从5.76 GHz移动至 6.51 GHz，f0逐渐从 4.29 GHz移动至6.51 GHz。这主要是由于随着方环宽度的增大导致其等效电感减小，从而使传输零点的谐振频率向高频移动。当HPM入射时，由图4（b）可知，S21＜-10 dB的带宽逐渐从6.98 GHz（0～6.98 GHz）增大至 7.59（0～7.59 GHz），且防护能力随着w1的增大逐渐略微提升。S11在0～9.02 GHz范围内均大于-1 dB。

图4 w1取不同值时ESS的S参数（a）低功率信号入射；（b）HPM入射Fig.4 Simulated S-parameters for the ESS with different w1.（a）low power level；（b）high power level

3 仿真结果

电磁波垂直入射下该ESS的S参数结果如图5所示。由图5（a）可知，在低功率信号入射时，通带的-3 dB带宽为640 MHz（4 GHz～4.64 GHz）且在4.36 GHz处的插入损耗为0.01 dB。进一步，由于5.95 GHz处传输零点的出现，使得通带的高频侧具有了较好的带外选择性。在图5（b）中，当HPM入射时，S21＜-10 dB的带宽为6.98 GHz（0～6.98 GHz），其相对带宽为200%。

图5 ESS的S参数（a）低功率信号入射；（b）HPM入射Fig.5 Simulated S-parameters for the ESS.（a）low power level；（b）high power level

另外，我们研究了ESS在不同入射角θ下的性能，结果如图6所示。在图6（a）中，当入射信号功率较低时，随着θ从0°增加到60°，通带 的 -3 dB 带 宽 从 640 MHz（4 GHz～4.64 GHz）减小到 320 MHz（4.16 GHz～4.48 GHz），f0，f1的频点基本不变。由图 6（b）可知，入射信号功率高时，随着 θ从 0°增加到 60°，S21＜-10 dB 的带宽从 6.89 GHz（0～6.89 GHz）增大到10 GHz（0～10 GHz）。因此，该ESS可在0～60°范围内保持稳定的传输性能，并且其防护能力随着入射角度的增大而提升。此外由图7还可知，ESS具良好的极化不敏感性，这是由于单元结构的中心对称性质。

图6 不同入射角θ下ESS的S参数（a）低功率信号入射；（b）HPM入射Fig.6 Simulated S-parameters for the ESS with different θ.（a）low power level；（b）high power level

图7 不同极化角φ下ESS的S参数（a）低功率信号入射；（b）HPM入射Fig.7 Simulated S-parameters for the ESS with different φ.（a）low power level；（b）high power level

最后将本文提出的ESS与其他文献中的ESS性能进行了对比，结果如表2所示。由表2可知，本文提出的ESS具有与较低的剖面与较小的单元结构，实现了超宽带防护，且入射角稳定性可达60°。

表2 部分性能对比Table 2 Comparison of partial performance parameters

4 结论

本文提出了一种具有超宽防护带的低剖面能量选择表面。金属贴片与PIN二极管组合能够使能量选择表面结构在小功率信号入射时具有带通特性，而在大功率微波入射时可以在很宽的频带范围内将其反射，从而达到防护目的，在电磁防护领域具有重要意义。