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1、微小型無(wú)人機(jī)發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)探究摘要：設(shè)計(jì)了一種具有能量選擇特性的電磁防護(hù)罩，該防護(hù)罩基于PIN二極管壓控導(dǎo)電特性，具有電磁環(huán)境自適應(yīng)特點(diǎn)。通過(guò)分析PIN二極管壓控導(dǎo)電特性，提出了防護(hù)罩設(shè)計(jì)方案，仿真研究了各因素對(duì)理想防護(hù)罩防護(hù)性能的影響，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了防護(hù)罩的能量選擇特性。在1.6GHz以下頻段，防護(hù)罩對(duì)弱電磁信號(hào)的衰減小于2dB,對(duì)強(qiáng)電磁脈沖的屏蔽衰減大于18dB,最大可達(dá)46dBo關(guān)鍵詞：壓控導(dǎo)電；自適應(yīng)防護(hù)；屏蔽效能；插入損耗中圖分類(lèi)號(hào)：TN973.3?34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào):10047373X
2、(2013)21?0132?040引言隨著強(qiáng)電磁脈沖(ElectromagneticPulse,EMP)和高功率微波(HighPowerMicrowave,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)[1],當(dāng)微波頻段的功率密度達(dá)到0.01?1W/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?100W/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?100kW/cm2時(shí)，可
3、形成硬殺傷，破壞電子元器件、集成電路等［2］。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(kāi)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
4、導(dǎo)電特性和金屬網(wǎng)屏蔽理論，設(shè)計(jì)了一種類(lèi)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
5、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。根據(jù)表面阻抗定義，進(jìn)一步得到反射和透射系數(shù)［3］：［r二ErEi二ES-xEix=-n2ZS+nT二EtEi二ES+x+EixEix=2ZS2ZS+ri］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
6、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［110,］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(lèi)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)⑷。1.2壓控導(dǎo)電元件特性分析PIN二極管是由高
7、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［5］。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，［
8、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50Q。PIN和Schottky二極管反向并聯(lián)，Schottky-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10V、頻率為1GHz微波信號(hào)，得到負(fù)載［R2］兩端［Vout］降為2V,相當(dāng)于PIN二極管開(kāi)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)
