基于壓控導(dǎo)電的電磁防護(hù)罩的設(shè)計(jì)方案（一）

0 引言

隨著強(qiáng)電磁脈沖(Electromagnetic Pulse,EMP)和高功率微波(High Power Microwave,HPM)等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，信息化條件下的電子系統(tǒng)受到越來(lái)越大的威脅。

強(qiáng)電磁脈沖具有峰值場(chǎng)強(qiáng)大、功率密度高、頻譜范圍寬、殺傷范圍廣等特點(diǎn)，當(dāng)微波頻段的功率密度達(dá)到0.01~1 W/cm2時(shí)將形成干擾，雷達(dá)和通信設(shè)備難以正常工作;當(dāng)功率密度達(dá)到10~100 W/cm2時(shí)，可形成軟殺傷，使電子系統(tǒng)功能紊亂;當(dāng)功率密度達(dá)到1~100 kW/cm2時(shí)，可形成硬殺傷，破壞電子元器件、集成電路等。因此，為了提高電子系統(tǒng)在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境中的生存能力與使用效能，必須采取有效的防護(hù)手段。

常規(guī)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的主要思想是通過(guò)對(duì)電磁能量的反射、吸收、屏蔽等手段，防止強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)造成毀傷。然而常規(guī)手段在隔離了強(qiáng)電磁脈沖的同時(shí)也阻斷了被防護(hù)對(duì)象對(duì)正常電磁波的輻射和接收，甚至不能開機(jī)。

為了解決電子設(shè)備對(duì)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)和正常收發(fā)之間的矛盾，必須探索新的防護(hù)手段。這種防護(hù)手段應(yīng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常信號(hào)收發(fā)的低插入損耗和防護(hù)強(qiáng)電磁脈沖的高隔離度。

本文結(jié)合PIN壓控導(dǎo)電特性和金屬網(wǎng)屏蔽理論，設(shè)計(jì)了一種類似波導(dǎo)限幅器的自適應(yīng)防護(hù)罩。通過(guò)仿真，研究分析了各因素對(duì)該結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該防護(hù)罩的能量選擇特性。

1 自適應(yīng)防護(hù)罩的設(shè)計(jì)

提出的自適應(yīng)防護(hù)罩利用了電磁脈沖的強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)，即在電磁脈沖感應(yīng)的大電壓作用瞬間由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，對(duì)外界干擾起到屏蔽作用;而對(duì)于安全的電磁信號(hào)，由于信號(hào)強(qiáng)度弱，在防護(hù)罩結(jié)構(gòu)表面感應(yīng)的電壓小，整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然呈現(xiàn)出高阻效應(yīng)，使得有用信號(hào)正常通過(guò)。本節(jié)分別從實(shí)現(xiàn)原理和壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的特性分析兩個(gè)方面對(duì)這一防護(hù)罩進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。

1.1 防護(hù)罩實(shí)現(xiàn)原理

考慮一個(gè)無(wú)限大的阻抗表面S,當(dāng)平面波垂直入射時(shí)，根據(jù)電磁理論，阻抗表面會(huì)感應(yīng)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(chǎn)生的場(chǎng)沿+x 和-x 方向傳播，其場(chǎng)分量可寫為：

根據(jù)表面阻抗定義，進(jìn)一步得到反射和透射系數(shù)：

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

為實(shí)現(xiàn)變阻抗特性，圖2給出了一種壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用壓控導(dǎo)電元件陣列組成網(wǎng)格，壓控導(dǎo)電元件之間細(xì)金屬線保持電連接，網(wǎng)格尺寸小于入射波長(zhǎng)的1 10,當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖作用時(shí)，網(wǎng)格上會(huì)感應(yīng)出高電壓，驅(qū)動(dòng)元件陣列導(dǎo)通，形成一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)格，ZS 變小，此時(shí)該結(jié)構(gòu)類似完整的金屬屏蔽網(wǎng)，可以阻擋強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部;當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖消失后，網(wǎng)格上的感應(yīng)電壓不足以驅(qū)動(dòng)元件陣列導(dǎo)通，ZS 變得很大，基本不影響電磁波的傳輸，此時(shí)該結(jié)構(gòu)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(hào)。

1.2 壓控導(dǎo)電元件特性分析

PIN二極管是由高摻雜的P區(qū)和N區(qū)中間夾有本征區(qū)I層半導(dǎo)體所構(gòu)成。在微波電路中，I區(qū)電導(dǎo)率受外加微波信號(hào)能量強(qiáng)度調(diào)制，可承受高峰值功率、快上升前沿和高重復(fù)率的電磁脈沖。為了分析其壓控導(dǎo)電特性，設(shè)計(jì)了圖3所示的典型PIN二極管的仿真電路。在微波信號(hào)作用下，PIN二極管通過(guò)自偏置實(shí)現(xiàn)電磁能量選擇。低輸入電平信號(hào)下，其插入損耗較小或無(wú)損耗，對(duì)噪聲系數(shù)無(wú)明顯影響，仿真時(shí)以零偏電容代替;高輸入電平信號(hào)下，其插入損耗較大，對(duì)輸入信號(hào)大幅衰減，仿真時(shí)以直流電阻代替。

圖3 中，P1 為微波信號(hào)源，DC_Block 為隔直電容，R1,R2 分別為源阻抗和負(fù)載阻抗，為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，阻值均為50 Ω。PIN和Schottky二極管反向并聯(lián)，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(tài)仿真結(jié)果如圖4 所示。P1 提供幅度Vin 為10 V、頻率為1 GHz微波信號(hào)，得到負(fù)載R2 兩端Vout 降為2 V,相當(dāng)于PIN二極管開路時(shí)的40%.

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

2 仿真分析

針對(duì)圖2給出的防護(hù)結(jié)構(gòu)，分析了該防護(hù)罩的電磁性能。仿真中同時(shí)考慮網(wǎng)格尺寸和PIN 阻抗特性的影響，設(shè)置4種防護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，見表1.其中網(wǎng)格邊長(zhǎng)均小于入射電磁波長(zhǎng)的1 10.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(dǎo)通性能較好。因此，本文選取這兩種型號(hào)二極管作為仿真對(duì)象，同時(shí)用隔離度I 表征防護(hù)罩屏蔽效能，插入損耗IL表征透射效率，研究其防護(hù)效能。

仿真結(jié)果如圖5所示，在強(qiáng)電磁脈沖作用下隔離度I 與網(wǎng)格尺寸、入射波頻率成反比，符合金屬網(wǎng)格屏蔽規(guī)律。PIN 二極管直流電阻小于1.8 Ω時(shí)，同尺寸防護(hù)罩I-f 曲線幾乎重合。當(dāng)PIN 二極管導(dǎo)通時(shí)，防護(hù)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(hù)設(shè)備毀傷。

弱電磁信號(hào)作用下，防護(hù)罩的透射效率仿真結(jié)果如圖6 所示。對(duì)比圖5,圖6,防護(hù)罩在不同頻點(diǎn)出現(xiàn)諧振。網(wǎng)格尺寸一致時(shí)，諧振頻率點(diǎn)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(shí)，諧振頻率點(diǎn)f 隨著網(wǎng)格尺寸的減小而增大。故諧振頻率點(diǎn)f 與網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格。但實(shí)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(hù)罩設(shè)計(jì)時(shí)，提高隔離度和降低插入損耗存在矛盾，需針對(duì)防護(hù)需求，合理選擇網(wǎng)絡(luò)尺寸和PIN二極管。