1、 国防科学技术大学硕士学位论文电磁能量选择表面的结构设计及其在强电磁脉冲防护中的应用分析姓名：万双林申请学位级别：硕士专业：电子科学与技术指导教师：何建国2010-11国防科学技术大学研究生院硕士学位论文摘要电磁能量选择表面（ESS）是参考了频率选择表面（ FSS）的名称而提出来的一个新概念。其理想工作状态是具有理想的“能量自适应开关特性”，即当电磁波的能量小于安全阈值时可以顺利通过，大于安全阈值时则自动屏蔽。电磁能量选择表面可以在不影响设备正常工作的前提下有效防护强电磁脉冲，其工作原理是在强场作用下瞬间由高阻态变为低阻态，从而起屏蔽作用；而对于低电平的电磁波，由于其场强较弱，不足以使电磁能量
2、选择表面从高阻态转换到低阻态，从而可以顺利通过。本文探索了利用 PIN二极管实现电磁能量选择表面的途径，做了一系列的仿真和实验。研究了不同的结构形式，不同的尺寸以及不同的 PIN二极管对其性能的影响。分析了电磁能量选择表面用于电磁脉冲防护时尖峰泄露产生的原因并提出了解决方法。研究了电磁能量选择表面在波导限幅和雷达天线罩中的应用。论文分为四部分：第一部分，阐述了电磁能量选择表面的研究背景和重要意义，介绍了相关技术的研究成果及现状，概要说明了本文的主要工作及创新点。第二部分，介绍了电磁能量选择表面的设计思路，分别设计了针对线极化波和圆极化波的防护结构，研究了不同的结构形式，不同的尺寸以及不同的 P
3、IN二极管对其性能的影响，并做了具体的优化设计。第三部分，对电磁能量选择表面在电磁脉冲防护中的应用以及可靠性做了研究，分析了尖峰泄露产生的原因并提出了解决方法，研究了间距 1/4 波长的双层结构对插损和隔离度的影响，分析了电磁能量选择表面用于波导限幅时对波形的影响以及用作天线罩时对方向图的影响，最后研究了电磁波斜入射时电磁能量选择表面的角度特性。第四部分，设计并制作了以 FR-4为基板的电磁能量选择表面，给出了 S 参数和限幅特性的测试结果以及电磁能量选择表面用作天线罩时对方向图影响的实测结果。关键词：电磁能量选择表面，限幅，开关，PIN二极管，电磁脉冲防护第 i页国防科学技术大学研究生院硕士
4、学位论文ABSTRACTElectromagnetic Energy Selective Surfaces(ESS) is a new conception named inreference of Frequency Selective Surfaces(FSS). Its ideal working status is energyadaptive switching character, that electromagnetic wave would pass freely if its energywere less than the security threshold, where
5、as it would be screened if its energy werehigher than the security threshold.This kind of structure can effectively protectelectromagnetic pulse without affect the equipment. Its principle is that its impedancechanges to low impedance condition from high impedance condition at the function ofstrong
6、electric field, so function as a screen. for the lower electric field wave, because ofits intension is relatively feebleness, the ESS cant change to low impedance conditionfrom high impedance condition, so the wave passed freely.This paper explored the realization way of ESS by use of PIN diode thro
7、ugh a seriesof simulation and experiment. Researched how different structure, different size anddifferent PIN diode influence its character. Analyzed how the pinnacle leakage occurredwhen used as EMP protector and how to restrain it.The applications of ESS in waveguide limiter and antenna cover is s
8、tudied further more.The paper can be devided into four parts:The first part expatiate the research background and important meaning ofESS,introduced relative research fruit and actuality,show out the main work andinnovation point in short.The second part introduced the design thought of ESS,designed
9、 the structure forlinear polarized wave and circular polarized wave separately, researched how differentstructure, different size and different PIN diode influence its character,then optimizedthe design.In the third part,the applications of ESS in EMP protection and its reliability isresearched,anal
10、yzed how the pinnacle leakage occurred and how to restrain it,how thedouble deck which space between one fourth wave length influence the insertion lossand isolation loss, studied the influence to wave form and radiation pattern when usedas wave guide limiter and antenna cover,at the end of the part
11、,the angle character ofESS is studied at the condition of inclined incidence of the wave.In the fourth part, we designed and realized the ESS on the base of FR-4 board,given out the test result of S parameter and limit character,the influence of ESS onradiation pattern when used as antenna cover is
12、also given out by experiment.Keywords: Electromagnetic Energy Selective Surfaces,Limiter,Switch,PIN Diode，EMP Protection第 ii页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文表目录表 1.1三种电磁脉冲装置参数的比较1. 1表 2.1三种砷化镓 PIN二极管的参数对比 22表 4.1 NXP公司SOD-323封装PIN二极管 36表 4.2 NXP公司SOD-523封装PIN二极管 36第 iii 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图目录图 1.1二极管整流限幅原理示意图 3图
13、1.2变容二极管限幅原理示意图 4图 1.3 PIN二极管限幅原理示意图. 4图 1.4自偏置限幅器工作原理示意图 6图 1.5波导限幅器示意图12 7图 2.1 PIN二极管管芯的等效电路11图 2.2带封装的PIN二极管等效电路.11图 2.3砷化镓PIN1二极管正向导通时的等效电路及参数. 12图 2.4砷化镓PIN1二极管反向截止时的等效电路及参数. 12图 2.5 ADS中PIN 二极管的瞬 态模型. 12图 2.6平面波垂直入射无限大的缝隙金属屏 13图 2.7平面波垂直入射无限大缝隙金属屏的等效传输线模型 13图 2.8金属网结构示意图 14图 2.9金属网的传输特性 14图 2
14、.10十字形金属阵列 14图 2.11十字形金属阵列的传输特性 14图 2.12电磁能量选择表面结构示意图 15图 2.13电磁能量选择表面透射低电平信号 15图 2.14电磁能量选择表面屏蔽强电磁脉冲 15图 2.15电磁能量选择表面结构 1 . 16图 2.16电磁能量选择表面结构 2 . 16图 2.17结构 1在CST 中的模型. 16图 2.18结构 1对垂直极化波的插损 16图 2.19结构 1对垂直极化波的隔离度 16图 2.20结构 2在CST 中的模型. 17图 2.21结构 1与结构 2对垂直极化波的插损对比 17图 2.22结构 1与结构 2对垂直极化波的隔离度对比 17
15、图 2.23结构 1对水平极化波的衰减 17图 2.24结构 2对水平极化波的衰减 17图 2.25结构 2对不同方向线极化波的插损 18图 2.26结构 2对不同方向线极化波的隔离度 18图 2.27电磁能量选择表面结构 3 . 19第 i页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图 2.28结构 3在CST 中的模型. 19图 2.29结构 3对不同方向线极化波的插损 19图 2.30结构 3对不同方向线极化波的隔离度 19图 2.31结构 2与结构 3对垂直极化波的插损对比 19图 2.32结构 2与结构 3对垂直极化波的隔离度对比 19图 2.33 W对 插损的影响 . 20图 2.34
16、W对 隔离度的影响 . 20图 2.35 d1对插损的影响 20图 2.36 d1对隔离度的影响 20图 2.37 d2对插损的影响 21图 2.38 d2对隔离度的影响 21图 2.39电阻对衰减的影响 22图 2.40电容对衰减的影响 22图 2.41三种砷化镓PIN二极管的插损对比 23图 2.42三种砷化镓PIN二极管的隔离度对比 23图 2.43 1GHz 内满足设计 指标的插损 24图 2.44 1GHz 内满足设计 指标的隔离度 24图 2.45 2GHz 内满足设计 指标的插损 24图 2.46 2GHz 内满足设计 指标的隔离度 24图 2.47 3GHz 内满足设计 指标的
17、插损 25图 2.48 3GHz 内满足设计 指标的隔离度 25图 3.1有源限幅瞬态仿真电路 26图 3.2无源限幅瞬态仿真电路 26图 3.3有源限幅和无源限幅的瞬态响应 26图 3.4脉冲激励下的尖峰泄露仿真 27图 3.5 I层厚度对尖峰泄露的影响 27图 3.6脉冲上升时间对尖峰泄露的影响 27图 3.7脉冲幅度对尖峰泄露的影响 28图 3.8 PIN管并联个数对尖峰泄露的影响. 28图 3.9连续波激励下的尖峰泄露仿真 28图 3.10 I层厚度对尖峰泄露的影响 29图 3.11连续波的频率对尖峰泄露的影响 29图 3.12连续波的幅度对尖峰泄露的影响 29图 3.13 PIN管并
18、联个数对尖峰泄露的影响. 29第 ii页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图 3.14结构 3的双层模型 30图 3.15双层对插损的影响 30图 3.16双层对隔离度的影响 30图 3.17结构 2的双层模型 31图 3.18宽频带电磁能量选择表面的插损 31图 3.19宽频带电磁能量选择表面的隔离度 31图 3.20斜入射时插损的变化 32图 3.21斜入射时隔离度的变化 32图 3.22电磁能量选择表面用于波导限幅的仿真模型 32图 3.23电磁能量选择表面在波导中的插损 33图 3.24电磁能量选择表面在波导中的隔离度 33图 3.25电磁能量选择表面对脉冲波波形的影响 33图 3.
19、26电磁能量选择表面对连续波波形的影响 33图 3.27电磁能量选择表面用作天线罩的仿真模型 34图 3.28无电磁能量选择表面时的二维方向图 34图 3.29无电磁能量选择表面时的三维方向图 34图 3.30电磁能量选择表面未导通时的二维方向图 34图 3.31电磁能量选择表面未导通时的三维方向图 34图 3.32电磁能量选择表面导通后的二维方向图 34图 3.33电磁能量选择表面导通后的三维方向图 34图 4.1 NXP公司SOD-323封装PIN二极管的插损仿真电路 37图 4.2 NXP公司SOD-323封装PIN二极管的插损对比 37图 4.3 NXP公司SOD-323封装PIN二极
20、管的隔离度仿真电路 37图 4.4 NXP公司SOD-323封装PIN二极管的隔离度对比 37图 4.5 bap64_03 未导通时 衰减随偏置电压的变化曲线 38图 4.6 bap64_03 导通后衰减随偏置 电压的变化曲线 38图 4.7 NXP公司SOD-523封装PIN二极管的插损对比 38图 4.8 NXP公司SOD-523封装PIN二极管的隔离度对比 38图 4.9 bap64_03 与bap64_02的插损对比 39图 4.10 bap64_03 与bap64_02的隔离度对比 39图 4.11 bap64_02 的封装结 构及尺寸. 39图 4.12电磁能量选择表面的PCB版图
21、. 40图 4.13电磁能量选择表面实物图 40图 4.14 S参数 测试原理图 . 40第 iii 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图 4.15 S参数 测试系统. 41图 4.16接收天线与电磁能量选择表面 41图 4.17 S参数 测试结果. 41图 4.18零偏时的插损 41图 4.19正偏 10mA时的隔离度 . 41图 4.20限幅特性测试原理图 42图 4.21 1.5GHz 时的限幅特性 . 42图 4.22方向图测试 43图 4.23 1GHz 时方向图的 变化 43图 4.24 1.5GHz 时方向图的 变化. 43图 4.25 2GHz 时方向图的 变化 43图 4
22、.26 3GHz 时方向图的 变化 43第 iv页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第二章电磁能量选择表面的结构设计2.1基本理论电磁能量选择表面的结构设计需要用到 PIN 二极管的等效电路和主要参数以及表面阻抗与电波传播的相关理论，下面首先对这些基本理论做以介绍。2.1.1 PIN二极管的主要参数和等效电路PIN 二极管由电阻率很低的 P 区和 N 区以及在两者之间夹着的一层电阻率极高的 I区三部分构成，其主要参数和等效电路介绍如下。(一) PIN 二极管的主要参数1. 正向偏置状态下的 I区电阻 RIW 2RI 2API0 (2.1)式中，W 为 I 区的宽度；AP 2PN / (P N
23、 )为双极迁移率；P与 N分别为空穴和电子的迁移率； 为 I 区内的载流子寿命；I0为偏置 电流。可见，理论上 RI与 I 区面积无关，而与 I区宽度的平方成正比，与迁移率、载流子寿命及偏置电流成反比。2. 反向偏置状态下的结电容CJ因为硅的相对介电常数比较高（ R =11.8），I 区周围（空气中）的边缘电容就比较小，因此利用平行板电容公式可对结电容CJ做出估计：CJ 0RD4W2(2.2)式中， 0 8.851014，为自由空间的介电常数；R 11.8，为硅的相对介电常数；D为结的直径；W为 I区宽度。3.截止频率 fCSPIN二极管用作开关时，电容越小，反向偏置状态下所呈现的“开路”就越
24、好；第 10页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文电阻 RR 和 RF越小，耗散损耗就越小，因而在正向偏置状态下二极管也就越类似于“短路”。PIN二极管的开关能力可以用截止频率 fCS 来描述：1fCS (2.3)2CJ RRRF式中，C J为反偏状态下的结电容；RR为 反偏状 态下的 I 区电 阻；RF为 正偏状 态下的 I 区电 阻。PIN二极管的物理参数主要有I区厚度和I区面积。I区越厚，则体击穿电压越高，耐受功率越大，但也使得载流子的渡越时间变长，导致在射频激励下的电导率调制变慢，尖峰泄露变大，并且对于一个给定的 PIN二极管，它的I区厚度就决定了它所能用于限幅的最高频率，I区越厚，所
25、能用于限幅的最高频率就越低。布朗通过实验总结出如下结论：I区厚度为 25 微米的二极管可以用到 150MHz左右，13微米的可以用到 1GHz ，而 2.5微米的可以用到 10GHz6。在 I区厚度一定的情况下，I区面积越大，结电容就越大。结电容大不仅会降低二极管的截止频率，增加开关时间，而且由于电容的通交隔直特性直接限制了射频带宽。但是，较大的结面积可以通过较大的电流，有助于提高管子对大功率的承受能力。(二) PIN 二极管的等效电路1. PIN二极管的稳态等效电路PIN二极管的等效电路分为稳态等效电路和瞬态等效电路。在正向偏置下，PIN二极管处于低阻抗状态，可以等效为一个小电阻；在零偏和反
26、偏状态下，PIN二极管处于高阻抗状态，可以等效为一个平板电容和一个小电阻串联，如图 2.1所示。带封装的PIN管还要考虑封装电感和封装电容，如图 2.2所示。图2.1 PIN二极管管芯的等效电路 图2.2 带封装的PIN二极管等效电路图 2.1和图 2.2中CJ为I区的结电容，约为零点几到几pF，RR RF约为几欧姆，CP为 封装电容，约为零点几pF， L 是封装电感，约为零点几nH6。第 11页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文新一代半导体材料如砷化镓，碳化硅等制作的PIN二极管具有热导率高，电子饱和漂移速度快，击穿电场强度大等特点，因而可以用更薄的I区厚度来提高限幅器的工作频率，并且耐受
27、功率大大增强，可以在高温下长时间稳定工作。文献17中介绍了一种砷化镓PIN二极管的稳态模型，并给出了具体参数，本文在CST中的仿真主要参考这种模型，如图2.3和图2.4所示。RR2R=0.38 OhmRR1R=0.38 OhmLLsL=0.12 nHR=RRiR=0.26 OhmRRcR=1.28 OhmCC2C=457 pFCC1C=360 pF图2.3 砷化镓PIN1二极管正向导通时的等效电路及参数RR2R=100 MOhmRR1R=100 MOhmLLsL=0.12 nHR=RRiR=10 OhmRRcR=1.28 OhmCC2C=0.45 pFCC1C=0.42 pF图2.4 砷化镓P
28、IN1二极管反向截止时的等效电路及参数2. PIN二极管的瞬态等效电路要仿真PIN二极管的尖峰泄露等瞬态过程则需要用到PIN二极管的瞬态模型，ADS软件中集成了目前PIN二极管瞬态模型的最新研究成果 18-20型如图 2.5所示，本文中的尖峰泄露仿真均采用此模型。，其中的瞬态模图2.5 ADS 中PIN二极管的瞬 态模型第 12页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文2.1.2表面阻抗与电波传播设有平面波垂直入射无限大的缝隙金属屏，研究该缝隙金属屏对入射平面波传输特性的影响，可以用传输线模型来等效分析。如图 2.6所示，设有一电场强度为 Ei的平面波垂直入射到一片无限伸展且具有表面导纳 Y1的带
29、有缝隙的金属屏，反射波和透射波的电场强度分别为 Er和 Et 。这种状况可用下面的等效 电路来模拟，设有无限长的传输线如图 2.7所示，其特性导纳为Y0，置一并联导纳Y 1跨接于线上。从左侧入射的行波电压Vi 在Y 1上发生部分反射，反射波电压为Vr，越过Y1后向右继续传输的透射波的电压为Vt 21。ViY0Vr VtY1 Y0图2.7 平面波垂直入射无限大缝隙金属屏的图2.6 平面波垂直入射无限大的缝隙金属屏等效传输线模型设无限大缝隙金属屏周围的媒质是自由空间，其本征导纳为：Y0 Z1 1 (2.4)(2.5)(2.6)3770图 2.7所示传输线上的电压传输系数TV为：TV Vt 2Y0V
30、i 2Y0 Y1则该等效电路所模拟的图 2.6所示的电场传输系数TE为：TE Et 2Y0Ei 2Y0 Y1由式(2.6)可以看出，透射系数取决于并联导纳Y1， Y1越小，透射系数越大，当Y1 0时，TE 1，电磁波可以完全透射；反之， Y1越大，透射系数越小，当Y1 时，TE 0，电磁波被全反射，透射波为零。所以，要实现完全屏蔽，要求缝隙金属屏表面阻抗Z 1 0，即必须为理想导电金属板；要完全透射电磁波，要求其表面阻抗Z1无穷大。如果有一种结构可以实现阻抗的变化，那么它就可以调节电磁波的传输。并第 13页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文且阻抗变化幅度越大，调节能力就越强。下面研究两种不同
31、的金属结构，一种是金属网，另一种是“十”字形金属阵列。若图 2.6中的无限大缝隙金属屏为金属网，如图 2.8所示，设有低频平面波垂直入射，无论电场以什么极化方向入射，都近似有 Z1 0，Y1 ，T E 0，因此金属网为强反射屏。如图 2.9所示，当金属网网格间距W=3mm，线宽 1mm时，无限大金属网对垂直入射的平面波在 0-3GHz 的频率范围内衰减大于 35dB。WWW W图2.8 金属网结构示意图 图2.9 金属网的传输特性若图 2.6中的无限大缝隙金属屏为离散的“十”字形金属阵列，如图 2.10所示，在低频平面波照射下，无论电场的极化方向如何，由于各“十”字形金属单元互不连通，其表面阻
32、抗很大，因此可以很好的透射电磁波。如图 2.11所示，当网格间距W=3mm，金属单元长d2=2mm，线宽 1mm，间隙d1=1mm时，无限大的“十字形”金属阵列对垂直入射的平面波在 0-3GHz 的频率范围内衰减小于 0.005dB。图2.10 十字形金属阵列 图2.11 十字形金属阵列的传输特性“十”字形金属阵列几乎不影响电磁波的传播是因为各单元互不连通导致表面阻抗很大，如果用PIN二极管将各单元连接起来，利用PIN二极管的射频电导调制效应实现表面阻抗的变化，就可以实现具有电磁能量低通特性的电磁能量选择表面，如图 2.12所示。第 14页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图2.12 电磁能
33、量选择表面结构示意图图2.13 电磁能量选择表面透射低电平信号 图2.14 电磁能量选择表面屏蔽强电磁脉冲电磁能量选择表面在强电磁脉冲作用下，会在 PIN 二极管两端感应出很大的射频电压，导致 PIN 二极管由高阻态瞬变为低阻态形成电流通路，此时电磁能量选择表面等效于完整的金属屏蔽网，可以屏蔽强电磁脉冲；对于低能量的电磁信号，由于其强度比较弱，在 PIN 二极管两端感应的射频电压也很小，不足以使其导通，此时电磁能量选择表面等效于离散的“十”字形金属阵列，可以有效透射低能量的电磁信号。2.2结构设计2.2.1线极化波的防护结构电磁能量选择表面中PIN二极管的排列规律跟电磁波的极化密切相关。对于垂
34、直极化波而言，只需实现垂直方向上的可变阻抗设计即可，图 2.15所示结构 1 为一种可防护垂直极化波的电磁能量选择表面，由在若干条经线方向上以适当间距排列的若干个“1”字形金属单元和若干个PIN二极管相互交替连接构成，经线间距小于需要防护电磁波波长的十分之一。图 2.16所示结构 2 是对结构 1 的改进，增加了水平放置的金属条，用来屏蔽水平极化波。第 15页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图2.15 电磁能量选择表面结构 1 图2.16 电磁能量选择表面结构 2由于电磁能量选择表面为周期性结构，故仿真采用CST中的FSS模版，先建立周期单元的模型，通过计算即可获得无限大周期性结构的传输特
35、性。在CST中建立结构 1 的模型如图 2.17所示，结构尺寸w=3mm,d1=1mm,d2=1mm ，线宽 1mm厚0.1mm， PIN二极管采用文献17中给出的砷化镓PIN二极管的稳态等效电路模型，如图 2.3和图 2.4所示。由于CST2010 目前只支持集总参数元件电阻，电容和电感以及由这三种基本元件组成的串联或并联电路，因此需要将PIN二极管的稳态模型分为三段然后再用厚度为零的金属片串联起来，这就是为什么图 2.17所示PIN二极管看似由三段串联组成的原因。仿真结果如图 2.18和图 2.19所示。图2.17 结构 1在CST中的模型图2.18 结构 1对垂直极化波的插损 图2.19
36、 结构 1对垂直极化波的隔离度由图 2.18和图 2.19可见，结构 1在 0-3GHz 的频率范围内对垂直极化波插损小第 16页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文于 1.5dB ，隔离度大于 15dB，具有明显的限幅作用，但是结构 1 在水平方向的表面阻抗很大，无论是在PIN二极管导通还是截止状态，都对水平极化波衰减很小，如图 2.23所示。为降低结构 1 在水平方向的表面阻抗，结构 2 在结构 1 的基础上增加了 0.5mm宽的水平金属条，间距 2mm如图 2.20所示。图2.20 结构 2在CST中的模型图2.21 结构 1与结构 2对垂直极化波的 图2.22 结构 1与结构 2对垂直
37、极化波的插损对比 隔离度对比图 2.21和图 2.22中，曲线a代表结构 1，曲线b代表结构 2。对比可见，加水平金属条几乎不影响对垂直极化波的插损，而隔离度略有提高。图2.23 结构 1对水平极化波的衰减 图2.24 结构 2对水平极化波的衰减图 2.23和图 2.24中曲线a代表PIN二极管导通，曲线b代表PIN二极管截止。可第 17页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文见，结构 1无论是在PIN二极管导通还是截止状态都对水平极化波衰减很小，而结构 2无论是在PIN二极管导通还是截止状态都对水平极化波衰减很大。相比之下，结构 2 除保留了结构 1 对垂直极化波的限幅作用之外，还具有对水平极
38、化波的屏蔽作用。但是结构 1 和结构 2 对水平极化波都没有限幅作用。如果把结构 1或结构 2旋转 90，就变为对水平极化波限幅而对垂直极化波总是透射或总是屏蔽。图2.25 结构 2对不同方向线极化波的插损 图2.26 结构 2对不同方向线极化波的隔离度图 2.25和图 2.26所示为电磁能量选择表面结构 2 对不同方向线极化波的插损和隔离度。图中phi=0代表水平极化波， phi=45代表斜 45极化，phi=90代表垂直极化波。由图可见，结构 2 对不同方向的线极化波衰减各不相同，也即结构 2 对不同方向的线极化波各向异性。因此，结构 2 不能用于对圆极化波进行限幅，当需要对圆极化波限幅时
39、，就需要采用对电磁波具有各向同性的结构来实现。2.2.2圆极化波的防护结构对圆极化波限幅需要采用各向同性的结构，考虑到结构设计和制造的难度，一般采用正多变形结构。研究表明，正三角形、正四边形、正六边形和圆形孔在垂直极化和水平极化电磁波照射下的屏蔽效能依次增加，正六边形和圆形网格不利于导电网格和二极管的一体化设计，正四边形是结构最简单的网格形状，且容易实现一体化设计，因此网格形状采用正四边形。在CST中建立 圆极化波的防护结构如图 2.28所示，结构尺寸W=4mm，d1=2mm，d2=2mm，线宽 1mm，厚 0.1mm。PIN二极管采用文献17中给出的砷化镓PIN二极管的稳态等效电路模型，如图
40、 2.3和图 2.4所示。结构 3 对不同方向线极化波的插损和隔离度如图 2.29和图 2.30所示。第 18页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图2.27 电磁能量选择表面结构 3 图2.28 结构 3在CST中的模型图2.29 结构 3对不同方向线极化波的插损 图2.30 结构 3对不同方向线极化波的隔离度由图 2.29和图 2.30可以看出，结构 3无论是在PIN二极管截止还是导通状态，对不同方向的线极化波衰减都是相同的。也即结构 3对不同方向的线极化波各向同性。结构 3在原理上与结构 2是相同的，因此相同尺寸的结构 3和结构 2对垂直极化波是等效的，如图 2.31和图 2.32所示。
41、图2.31 结构 2与结构 3对垂直极化波的 图2.32 结构 2与结构 3对垂直极化波的插损对比 隔离度对比由图 2.31和图 2.32可见，相同尺寸的结构 2 和结构 3 对垂直极化波具有相同的插损和隔离度。然而结构 3需耗费更多的PIN二极管，为了方便实验验证，我们在实验中采用的是结构 2。第 19页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文2.3优化设计2.3.1结构尺寸的影响在CST中建立 结构 1的仿真模型，固定金属单元的宽度为 1mm，厚度为 0.1mm，PIN二极管采用文献17中给出的砷化镓PIN二极管的稳态等效电路模型，如图 2.3和图 2.4所示。分别改变尺寸参数w，d1和d2，
42、观 察对垂直极化波插损和隔离度的影响。(一) 网格间距 W的影响图2.33 W对插损的影响 图2.34 W对隔离度的影响网格间距是影响插损和隔离度的重要因素，由图 2.33和图 2.34可见，减小网格间距可以显著增加隔离度，但也使插损大大增加。网格的间距不能过大，过大则隔离度不够，也不能过小，过小则插损太大。因此应该在满足隔离度的前提下，尽可能的增大网格间距以减小插损。(二) PIN 二极管长度 d1的影响图2.35 d1对插损的影响 图2.36 d1对隔离度的影响PIN二极管的长度d1是在保证参数不变的前提下变化的。由图 2.35和图 2.36可第 20页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
43、见，d1 越小则插损越小，而隔离度则几乎保持不变。这说明相同性能指标的 PIN二极管，尺度越小越好，这为PIN二极管的选取提供了依据。(三) 金属单元 长度 d2的影响图2.37 d2对插损的影响 图2.38 d2对隔离度的影响对于垂直极化波而言，垂直方向上金属单元的长度直接决定了垂直方向表面阻抗的大小。由图 2.37和图 2.38可见，金属单元的长度d2 越小，对电磁波的衰减也越小。一般在满足隔离度的前提下，应尽可能的减小金属单元的长度，以获得更小的插损。对于圆极化波而言，为了追求更小的插损，金属单元的长度和宽度都应该尽可能的小，即要求其面积越小越好。但是长度不能无限小，至少要能起到连接的作
44、用，线宽也不能无限窄，至少要保证在一定的电流强度下不被熔断。实际上，当连接金属的尺度小于 1mm，再进一步减小尺度并不能显著的减小插损，这是因为在 0-3GHz的频率范围 内，最小波长也要 10cm，1mm的尺度已小于波长的 1/100,所以其影响可以忽略。但是当频率范围进一步向高频扩展时，其影响会逐渐增大。电磁能量选择表面对强电磁脉冲的屏蔽效能和对低电平信号的透射效能都与网格的电尺寸相关。从屏蔽方面看，当强电磁脉冲入射时，期望电磁能量选择表面呈现理想的屏蔽作用，而实际上由于孔隙的存在会透射部分电磁能量，减小网格电尺寸可以提高屏蔽效能；从透射方面看，当低电平信号入射时，期望电磁能量选择表面对电
45、磁信号完全透明，而实际上由于金属单元的存在会反射部分电磁波，加大网格电尺寸，减小金属面积可以提高透射效能。因此，网格尺寸的设计需要折中考虑插损和隔离度的要求。2.3.2 PIN二极管的影响为观察不同电参数对衰减的影响，在CST中建立结构2的仿真模型如图2.20所示，结构尺寸w=3mm, d1=1mm,d2=1mm，垂直金属条 线宽 1mm，水平金属条线宽第 21页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文0.5mm，厚度均为 0.1mm。分别用电阻和电容代替PIN二极管，观察电阻和电容对衰减的影响。图2.39 电阻对衰减的影响 图2.40 电容对衰减的影响由图 2.39可见，电阻小于 10欧姆时，衰
46、减大于 15dB，电阻大于 10000欧时，几乎没有衰减；由图 2.40可见电容大于 1pF时，最大衰减大于 10dB，电容小于 0.1pF时，几乎没有衰减。随着频率的升高，电容的影响逐渐变大，这与电容的通交隔直特性是相关的，低频时电容的隔直特性使其阻抗很大，故对电磁波衰减很小；随着频率升高，电容逐渐允许射频电流通过，降低了表面阻抗，故对电磁波的衰减变大。研究电阻和电容对电磁能量选择表面的影响，为减小插损和增加隔离度指明了方向。下面研究不同的PIN二极管对插损和隔离度的影响。文献17给出了一种砷化 镓PIN二极管的稳态等效电路模型如图 2.3和图 2.4所示，并给出了三组不同PIN二极管的具体
47、参数如表 2.1所示。表2.1 三种砷化镓 PIN二极管的参数对比ValueName Description Unit Iforward=10mA Vreverse=-10VPIN2PIN1360PIN2 PIN3 PIN10.42PIN3p+n- junctioncapacitorC1R1RipF201 141 0.23100M160.17100M28p+n- junctionintrinsic resistorBase regionresistorn-n+ junctioncapacitor0.380.264570.381.292560.381.67179100M10C2R2LsRcpF0
48、.45100M0.121.280.24100M0.121.280.17100M0.121.28n-n+ junctionintrinsic resistor 0.380.121.280.380.121.280.380.121.28Parasitic inductor nHParasiticresistor表 2.1所示为三组砷化镓 PIN二极管在正向导通和反向截止时的等效电路参数。从PIN1到PIN3，I层的厚度逐渐增加，相应的无论是在导通状态还是在截止状态，I区的等效电阻Ri都随 I层厚度的增加而变大，p+n-结和n- n+ 结的结电容C1，C2第 22页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
49、随I层厚度的增加而减小。在CST中建立 结构 3的仿真模型，结构尺寸为W=4mm，d1=2mm，d2=2mm，线宽 1mm，厚 0.1mm。分别采用PIN1，PIN2和PIN3进行仿真，三个PIN二极管的插损和隔离度对比如图 2.41和图 2.42所示。图2.41 三种砷化镓PIN二极管的插损对比 图2.42 三种砷化镓PIN二极管的隔离度对比由图 2.41和图 2.42可见，从PIN1 到PIN3，随着I层厚度的递增，插损由最大3dB减小到 1dB以内，而隔离度则变化不大。这是因为I层越厚，零偏或反偏时阻抗就越大，相应的插损也就越小，而正偏时，只要 PIN二极管充分导通，无论I层厚薄，其等效电阻都只有几欧姆，因此隔离度相差不大。从PIN二极管电参数的角度看，要减小插损，就是要增加 PIN二极管截止时的电阻R i，同
