有源頻率表面用于電磁兼容的可行性探討

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會進(jìn)入信息化社會。人類的生存環(huán)境也同電磁環(huán)境互相交融。早在1975年就有專家曾預(yù)言，隨著城市人口的迅速增長和科技的進(jìn)步，汽車、計算機等電氣設(shè)備進(jìn)入家庭，空間人為電磁能量每年增長7% ~ 14% ，也就是說25年電磁能量密度最高可增加26 倍，50年可增加700倍，21世紀(jì)電磁環(huán)境日益惡化。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何減少相互間的電磁干擾，使各種設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，即電磁兼容，是一個亟待解決的問題。

1?? 電磁兼容及有源頻率表面

所謂電磁兼容是指一切電氣、電子設(shè)備及系統(tǒng)在它們所處的電磁環(huán)境中( 有電磁干擾的情況下) 能正常工作而不減低其性能的能力 。為實現(xiàn)電磁兼容，選擇FSS 貼在敏感器件周圍，濾除干擾信號。接地、屏蔽、濾波是抑制電磁干擾的3 大技術(shù)，這是電子設(shè)備和系統(tǒng)在進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計過程中通用的3 種主要電磁干擾抑制方法。濾波是利用元器件減小或消除干擾信號，是抑制電磁干擾的重要手段之一。

頻率選擇表面( FSS) 是由大量導(dǎo)體貼片單元( 帶阻型) 或?qū)w屏周期性開孔單元( 帶通型) 組成的二維周期性陣列結(jié)構(gòu)，其特性是可以有效地控制電磁波的反射和傳輸。FSS 的應(yīng)用幾乎涉及所有的電磁波譜，如衛(wèi)星天線的頻率復(fù)用、天線罩、電路模擬吸收體，以及各種空間濾波器和準(zhǔn)光頻率器件等。然而使用無源FSS 結(jié)構(gòu)構(gòu)成的裝備，一旦成型，其諧振頻率、工作帶寬等電磁特性就再也沒辦法改變了，一旦所面對的外部環(huán)境發(fā)生改變，其性能將會大幅度降低。因此，為了克服上述缺陷，有學(xué)者提出了有源FSS 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)頻率選擇表面引入PIN 二極管這種有源器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1?? 有源FSS 結(jié)構(gòu)

圖1( a) 是構(gòu)成有源FSS 結(jié)構(gòu)( 直邊蝶形) 的基本單元，由許多這樣的基本單元組成的陣列就構(gòu)成了有源FSS 的吸收表面，如圖1( b) 所示。由該結(jié)構(gòu)構(gòu)成的吸波材料與普通吸波材料不同，普通的吸波材料是靠介質(zhì)本身的電阻性或磁阻性將入射過來的電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能，從而起到吸波的作用。普通的吸波材料一旦結(jié)構(gòu)給定后，其電阻層阻抗、介質(zhì)的電磁參數(shù)以及介質(zhì)厚度等就固定了，其輸入阻抗也就固定了，因此由普通吸波材料構(gòu)成的吸收體一旦結(jié)構(gòu)給定了，其吸波性能也就固定了。有源FSS 結(jié)構(gòu)因為在吸波材料中加入了二極管，而二極管的阻性可以通過外接偏置電壓對其控制,從而實現(xiàn)對吸波結(jié)構(gòu)電阻層阻抗進(jìn)行控制。這是設(shè)計吸波材料的一種新思路。由于采用這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成的吸波材料，其反射是可以控制的，因此具有非常靈活的特性，在軍用和民用中將具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

2?? 吸波原理

當(dāng)電磁波在空氣中傳播遇到媒質(zhì)時，由于媒質(zhì)的阻抗與自由空間的阻抗不匹配，電磁波在空氣與媒質(zhì)界面發(fā)生反射和透射。當(dāng)透射波進(jìn)入媒質(zhì)內(nèi)部后，可通過吸收、散射、干涉等多種手段，將電磁波轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，衰耗在媒質(zhì)內(nèi)部，從而使材料表面的電磁波反射大大減小。因此，吸波體與空氣媒質(zhì)的阻抗是否匹配對吸波材料的吸波特性具有重要影響。如圖2 所示單層吸波結(jié)構(gòu)。

圖2?? 單層吸波結(jié)構(gòu)模型

當(dāng)電磁波垂直入射時：

式中：Z 為電阻層阻抗； ZS 為介質(zhì)的特征阻抗；? 為電磁波傳輸系數(shù)，且 = 2?√ε r / λ，εr 為介電常數(shù)； d 為介質(zhì)厚度。相應(yīng)的反射系數(shù)為：

式中: ZO 為自由空間的波阻抗。由式( 2) 可知，當(dāng)Zin =ZO 時，反射系數(shù)為0，此時電磁波完全進(jìn)入吸波材料內(nèi)部，無電磁波反射，即阻抗匹配。由式( 1) 可知，可以通過調(diào)節(jié)電阻層阻抗、介質(zhì)的電磁參數(shù)以及介質(zhì)厚度來改變輸入阻抗，從而實現(xiàn)阻抗匹配，其中最容易調(diào)節(jié)的是電阻層的阻抗。

3?? 理論分析

在入射波作用下FSS 表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象，可以通過傳輸線理論近似，因此根據(jù)等效電路的原理，加以不同的極化和角度入射條件，可將FSS 單元用相應(yīng)的電路元件來等效，從而對FSS 進(jìn)行快捷的分析。有源FSS是在FSS 中加載二極管，使其在不同的偏置電壓下呈現(xiàn)出不同的電阻特性，從等效電路的角度看，在分析時可以將二極管等效為一可變電阻，因此采用傳輸線理論模型,有源FSS 結(jié)構(gòu)可等效為圖3 的電路模型。

圖3? 等效電路

在這個模型中，金屬板等效為短路面，介質(zhì)層等效為一段傳輸線，短路面通過介質(zhì)層接到頻率選擇表面上，其阻抗表現(xiàn)為：

式中: ZO 為自由空間阻抗，由FSS 引入的電抗，即通過串聯(lián)電感L S 和電容CS 表示; PIN 二極管用可變電阻作為其模型，由外接偏置電流來調(diào)節(jié)其阻抗。當(dāng)頻率選擇表面表現(xiàn)為一定容性時就會產(chǎn)生諧振。在諧振點上，電阻負(fù)載將吸收掉大量的電磁波能量。由此模型可以得出:

當(dāng)X 是感性時：

當(dāng)X 是容性時：

由式( 2) 可以計算出反射系數(shù)的表達(dá)式：

由式( 6) 可知，通過調(diào)節(jié)PIN 二極管的偏置電流,可以實現(xiàn)不同的諧振特性。

4?? 數(shù)值仿真

這里在波導(dǎo)中放置一個圖1 的吸波結(jié)構(gòu)單元，但該結(jié)構(gòu)單元中的PIN 二極管用純電阻替代，電阻值從20~250 ? 變化。當(dāng)電磁波進(jìn)入該波導(dǎo)后，首先經(jīng)過吸波結(jié)構(gòu)單元將被吸收掉一部分電磁波能量，而后經(jīng)過金屬壁反射回來再次被吸波結(jié)構(gòu)單元吸收掉一部分電磁波能量，通過觀察激勵端口的S11參數(shù)就可以觀察到吸波結(jié)構(gòu)單元對電磁波的吸收情況。圖4 為仿真所得到的S11 曲線。通過觀察可以看出，吸波結(jié)構(gòu)在3~ 11. 5 GHz頻率段內(nèi)吸波特性隨著加載電阻的阻值變化而變化。在這個頻段外，電阻阻值的變化對吸波結(jié)構(gòu)的吸波特性影響很小。當(dāng)吸波結(jié)構(gòu)單元中的純電阻為PIN 二極管時，就可以通過控制二極管的直流偏置來控制其阻值，從而控制吸波材料的吸波性能如圖4 所示，但電流過大或過小，該結(jié)構(gòu)都不具有吸波特性如圖5 所示。

圖4?? S11曲線一

圖5?? S11曲線二

5?? 結(jié)? 語

在此首先介紹了有源頻率選擇表面的基本結(jié)構(gòu)及吸波原理，然后在此基礎(chǔ)上用傳輸線理論對該吸波結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，最后，同過波導(dǎo)中放置該結(jié)構(gòu)，對其仿真分析。分析結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)母淖働IN 二極管的直流偏置，可以改變吸波結(jié)構(gòu)的吸波特性?？梢姡性碏SS用于電磁兼容是可行的。
來源；微波射頻網(wǎng)