基于壓控導電的電磁防護罩的設計方案（一）

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

強電磁脈沖具有峰值場強大、功率密度高、頻譜范圍寬、殺傷范圍廣等特點，當微波頻段的功率密度達到0.01~1 W/cm2時將形成干擾，雷達和通信設備難以正常工作;當功率密度達到10~100 W/cm2時，可形成軟殺傷，使電子系統(tǒng)功能紊亂;當功率密度達到1~100 kW/cm2時，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手段。

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

為了解決電子設備對強電磁脈沖防護和正常收發(fā)之間的矛盾，必須探索新的防護手段。這種防護手段應能同時實現(xiàn)設備正常信號收發(fā)的低插入損耗和防護強電磁脈沖的高隔離度。

本文結合PIN壓控導電特性和金屬網屏蔽理論，設計了一種類似波導限幅器的自適應防護罩。通過仿真，研究分析了各因素對該結構防護性能的影響，并通過實驗驗證了該防護罩的能量選擇特性。

1 自適應防護罩的設計

提出的自適應防護罩利用了電磁脈沖的強電場效應，即在電磁脈沖感應的大電壓作用瞬間由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，對外界干擾起到屏蔽作用;而對于安全的電磁信號，由于信號強度弱，在防護罩結構表面感應的電壓小，整個結構仍然呈現(xiàn)出高阻效應，使得有用信號正常通過。本節(jié)分別從實現(xiàn)原理和壓控導電結構的特性分析兩個方面對這一防護罩進行設計說明。

1.1 防護罩實現(xiàn)原理

考慮一個無限大的阻抗表面S,當平面波垂直入射時，根據(jù)電磁理論，阻抗表面會感應出表面電流，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。

則由電流產生的場沿+x 和-x 方向傳播，其場分量可寫為：

根據(jù)表面阻抗定義，進一步得到反射和透射系數(shù)：

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

為實現(xiàn)變阻抗特性，圖2給出了一種壓控導電結構設計，采用壓控導電元件陣列組成網格，壓控導電元件之間細金屬線保持電連接，網格尺寸小于入射波長的1 10,當強電磁脈沖作用時，網格上會感應出高電壓，驅動元件陣列導通，形成一個導電網格，ZS 變小，此時該結構類似完整的金屬屏蔽網，可以阻擋強電磁脈沖進入系統(tǒng)內部;當強電磁脈沖消失后，網格上的感應電壓不足以驅動元件陣列導通，ZS 變得很大，基本不影響電磁波的傳輸，此時該結構等效于離散“十”字形金屬陣列，可以有效透射低能量的電磁信號。

1.2 壓控導電元件特性分析

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層半導體所構成。在微波電路中，I區(qū)電導率受外加微波信號能量強度調制，可承受高峰值功率、快上升前沿和高重復率的電磁脈沖。為了分析其壓控導電特性，設計了圖3所示的典型PIN二極管的仿真電路。在微波信號作用下，PIN二極管通過自偏置實現(xiàn)電磁能量選擇。低輸入電平信號下，其插入損耗較小或無損耗，對噪聲系數(shù)無明顯影響，仿真時以零偏電容代替;高輸入電平信號下，其插入損耗較大，對輸入信號大幅衰減，仿真時以直流電阻代替。

圖3 中，P1 為微波信號源，DC_Block 為隔直電容，R1,R2 分別為源阻抗和負載阻抗，為實現(xiàn)阻抗匹配，阻值均為50 Ω。PIN和