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细小型无人机发射关键技能研讨

发布时间:2018-12-04 01:06:05 文章来源:未来智讯    
    细小型无人机发射关键技能研讨作者: 杨康 罗卫兵   摘 要: 设计了一种具有能量选择特性的电磁防护罩,该防护罩基于PIN二极管压控导电特性,具有电磁环境自适应特点。通过分析PIN二极管压控导电特性,提出了防护罩设计方案,仿真研讨了各因素对理想防护罩防护本能的影响,实验验证了防护罩的能量选择特性。在1.6 GHz以下频段,防护罩对弱电磁信号的衰减小于2 dB,对强电磁脉冲的屏蔽衰减大于18 dB,最大可达46 dB。
  关键词: 压控导电; 自适应防护; 屏蔽效能; 插入损耗
  中图分类号: TN973.3?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2013)21?0132?04
  0 引 言
  随着强电磁脉冲(Electromagnetic Pulse,EMP)和高功率微波(High Power Microwave,HPM)等技能的发展与应用,信息化条件下的电子系统受到越来越大的威胁。
  强电磁脉冲具有峰值场强大、功率密度高、频谱范围宽、杀伤范围广等特点[1],当微波频段的功率密度达到0.01~1 W/cm2时将变成干扰,雷达和通讯设备难以正常事务;当功率密度达到10~100 W/cm2时,可变成软杀伤,使电子系统功能紊乱;当功率密度达到1~100 kW/cm2时,可变成硬杀伤,破坏电子元器件、集成电路等 [2]。因此,为了提高电子系统在强电磁脉冲环境中的生存能力与使用效能,必须采取有效的防护手段。
  常规强电磁脉冲防护的主要思维是通过对电磁能量的反射、吸收、屏蔽等手段,防止强电磁脉冲对电子系统造成毁伤。但是常规手段在隔离了强电磁脉冲的同时也阻断了被防护对象对正常电磁波的辐射和接收,甚至不能开机。
  为明白决电子设备对强电磁脉冲防护和正常收发之间的矛盾,必须探索新的防护手段。这种防护手段应能同时实现设备正常信号收发的低插入损耗和防护强电磁脉冲的高隔离度。
  本文联合PIN压控导电特性和金属网屏蔽理论,设计了一种类似波导限幅器的自适应防护罩。通过仿真,研讨分析了各因素对该结构防护本能的影响,并通过实验验证了该防护罩的能量选择特性。
  1 自适应防护罩的设计
  提出的自适应防护罩利用了电磁脉冲的强电场效应,即在电磁脉冲感应的大电压作用霎时由高阻态变为低阻态,对外界干扰起到屏蔽作用;而对于平安的电磁信号,由于信号强度弱,在防护罩结构表面感应的电压小,整个结构仍然呈现出高阻效应,使得有用信号正常通过。本节分辨从实现原理和压控导电结构的特性分析两个方面对这一防护罩进行设计说明。
  1.1 防护罩实现原理
  考虑一个无限大的阻抗表面[S,]当平面波垂直入射时,根据电磁理论,阻抗表面会感应出表面电流,定义电流沿[x]方向传输,大小为[JS。]均匀平面波与阻抗表面如图1所示。
  根据表面阻抗定义,进一步得到反射和透射系数[3]:
  [Γ=ErEi=ES-xEix=-η2ZS+ηΤ=EtEi=ES+x+EixEix=2ZS2ZS+η]
  由式可知,当防护罩处于透波模式时,要使插入损耗尽可能小,则要求表面阻抗[ZS]尽可能大;当防护罩处于隔离模式时,希望屏蔽效能尽可能大,则[ZS]要尽可能小。
  为实现变阻抗特性,图2给出了一种压控导电结构设计,选取压控导电元件阵列组成网格,压控导电元件之间细金属线保持电连接,网格尺寸小于入射波长的[110,]当强电磁脉冲作用时,网格上会感应出高电压,驱动元件阵列导通,变成一个导电网格,[ZS]变小,此时该结构类似完整的金属屏蔽网,能够阻挡强电磁脉冲进入系统内部;当强电磁脉冲消失后,网格上的感应电压不足以驱动元件阵列导通,[ZS]变得很大,基本不影响电磁波的传输,此时该结构等效于离散“十”字形金属阵列,能够有效透射低能量的电磁信号[4]。
  1.2 压控导电元件特性分析
  PIN二极管是由高掺杂的P区和N区中间夹有本征区I层半导体所构成。在微波电路中,I区电导率受外加微波信号能量强度调制,可承受高峰值功率、快上升前沿和高反复率的电磁脉冲。为了分析其压控导电特性,设计了图3所示的典型PIN二极管的仿真电路[5]。在微波信号作用下,PIN二极管通过自偏置实现电磁能量选择。低输入电平信号下,其插入损耗较小或无损耗,对噪声系数无明显影响,仿真时以零偏电容代替;高输入电平信号下,其插入损耗较大,对输入信号大幅衰减,仿真时以直流电阻代替。
  图3中,[P1]为微波信号源,DC_Block为隔直电容,[R1,R2]分辨为源阻抗和负载阻抗,为实现阻抗匹配,阻值均为50 Ω。PIN和Schottky二极管反向并联,Schottky二极管给PIN二极管提供偏置电流和直流回路。
  PIN二极管瞬态仿真结果如图4所示。[P1]提供幅度[Vin]为10 V、频率为1 GHz微波信号,得到负载[R2]两端[Vout]降为2 V,非常于PIN二极管开路时的40%。
  从图4能够看出,处于微波段的PIN二极管具有压控导电特性,容易满足需求,符合作为防护罩的压控导电单元。
  2 仿真分析
  针对图2给出的防护结构,分析了该防护罩的电磁本能。仿真中同时考虑网格尺寸和PIN阻抗特性的影响,设置4种防护罩结构设计方案,见表1。其中网格边长均小于入射电磁波长的[110。]因PIN二极管加工工艺不同,致使其存在本能差异。BAP63零偏电容[CT]小,截止特性较好;HSMP4820直流电阻[R1]小,导通本能较好。 因此,本文采用这两种型号二极管作为仿真对象,同时用隔离度[I]表征防护罩屏蔽效能,插入损耗IL表征透射效率,研讨其防护效能。
  选取基于矢量网络分析仪的收发天线测试方案。外加直流偏置电压抑制PIN二极管的开断,模拟强电磁脉冲作用时防护罩的状态,并测量其插入损耗IL及隔离度[I。]实验设置如图8所示。直流电源断开,PIN二极管未导通,防护罩处于高阻态,测量插入损耗IL;直流电源连通,PIN二极管导通,防护罩处于低阻态模式,测量隔离度[I。]   测试结果如图9,图10所示。图中显示不同状态下天线发射与接收功率的比值随频率[f]的变化情况。当[f]18 dB,其中[IB>]46 dB([f=]1.55 GHz);当[f>]2 GHz时,防护罩[A,B]的防护本能趋于一致,曲线波动对应频点基本相同,仅存在幅度上的细小差异。
  PIN二极管的封装电容和电感会影响其阻抗特性[6]。防护罩[B]在屏蔽时,PIN二极管阵列导通产生谐振,对强电磁脉冲的反射与吸收同时存在。防护罩[B]网格尺寸较大,但有[IB>IA]([f
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