有源頻率表面用于電磁兼容的可行性仿真分析

隨著科學技術的進步，人類社會進入信息化社會。人類的生存環境也同電磁環境互相交融。早在1975 年就有專家曾預言，隨著城市人口的迅速增長和科技的進步，汽車、計算機等電氣設備進入家庭，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 世紀電磁環境日益惡化。在這種復雜的電磁環境中，如何減少相互間的電磁干擾，使各種設備正常運轉，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、電子設備及系統在它們所處的電磁環境中（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，這是電子設備和系統在進行電磁兼容性設計過程中通用的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）是由大量導體貼片單元（帶阻型）或導體屏周期性開孔單元（帶通型）組成的二維周期性陣列結構，其特性是可以有效地控制電磁波的反射和傳輸。FSS 的應用幾乎涉及所有的電磁波譜，如衛星天線的頻率復用、天線罩、電路模擬吸收體，以及各種空間濾波器和準光頻率器件等。然而使用無源FSS 結構構成的裝備，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境發生改變，其性能將會大幅度降低。因此，為了克服上述缺陷，有學者提出了有源FSS 結構，這種結構是在傳統頻率選擇表面引入PIN 二極管這種有源器件，其基本結構如圖1 所示。

圖1 有源FSS 結構

圖1（ a）是構成有源FSS 結構（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成了有源FSS 的吸收表面，如圖1（ b）所示。由該結構構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本身的電阻性或磁阻性將入射過來的電磁波能量轉換為熱能，從而起到吸波的作用。普通的吸波材料一旦結構給定后，其電阻層阻抗、介質的電磁參數以及介質厚度等就固定了，其輸入阻抗也就固定了，因此由普通吸波材料構成的吸收體一旦結構給定了，其吸波性能也就固定了。有源FSS 結構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，從而實現對吸波結構電阻層阻抗進行控制。這是設計吸波材料的一種新思路。由于采用這種結構構成的吸波材料，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用前景。

2 吸波原理

當電磁波在空氣中傳播遇到媒質時，由于媒質的阻抗與自由空間的阻抗不匹配，電磁波在空氣與媒質界面發生反射和透射。當透射波進入媒質內部后，可通過吸收、散射、干涉等多種手段，將電磁波轉換成其他形式的能量，衰耗在媒質內部，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 所示單層吸波結構。

有源頻率表面用于電磁兼容的可行性仿真分析

圖2 單層吸波結構模型

當電磁波垂直入射時：

式中：Z 為電阻層阻抗； ZS 為介質的特征阻抗；為電磁波傳輸系數，且 = 2 √ε r / λ，εr 為介電常數； d 為介質厚度。相應的反射系數為：

式中： ZO 為自由空間的波阻抗。由式（ 2）可知，當Zin =ZO 時，反射系數為0，此時電磁波完全進入吸波材料內部，無電磁波反射，即阻抗匹配。由式（ 1）可知，可以通過調節電阻層阻抗、介質的電磁參數以及介質厚度來改變輸入阻抗，從而實現阻抗匹配，其中最容易調節的是電阻層的阻抗。

3 理論分析

在入射波作用下FSS 表現出來的物理現象，可以通過傳輸線理論近似，因此根據等效電路的原理，加以不同的極化和角度入射條件，可將FSS 單元用相應的電路元件來等效，從而對FSS 進行快捷的分析。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 結構可等效為圖3 的電路模型。

有源頻率表面用于電磁兼容的可行性仿真分析

圖3 等效電路

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

式中： ZO 為自由空間阻抗，由FSS 引入的電抗，即通過串聯電感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節其阻抗。當頻率選擇表面表現為一定容性時就會產生諧振。在諧振點上，電阻負載將吸收掉大量的電磁波能量。由此模型可以得出：

當X 是感性時：

當X 是容性時：

由式（ 2）可以計算出反射系數的表達式：

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

4 數值仿真

這里在波導中放置一個圖1 的吸波結構單元，但該結構單元中的PIN 二極管用純電阻替代，電阻值從20~250 ？變化。當電磁波進入該波導后，首先經過吸波結構單元將被吸收掉一部分電磁波能量，而后經過金屬壁反射回來再次被吸波結構單元吸收掉一部分電磁波能量，通過觀察激勵端口的S11參數就可以觀察到吸波結構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，吸波結構在3~ 11. 5 GHz頻率段內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構的吸波特性影響很小。當吸波結構單元中的純電阻為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，該結構都不具有吸波特性如圖5 所示。

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