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有源频率表面用于电磁兼容的可行性仿真分析

跟着科学技巧的进步,人类社会进入信息化社会。人类的生计情况也同电磁情况相互融合。早在1975 年就有专家曾预言,跟着城市人口的迅速增长和科技的进步,汽车、谋略机等电气设备进入家庭,空间工资电磁能量每年增长7% ~ 14% ,也便是说25 年电磁能量密度最高可增添26 倍,50 年可增添700 倍,21 世纪电磁情况日益恶化。在这种繁杂的电磁情况中,若何削减互相间的电磁滋扰,使各类设备正常运转,即电磁兼容,是一个亟待办理的问题。

1 电磁兼容及有源频率外面

所谓电磁兼容是指统统电气、电子设备及系统在它们所处的电磁情况中( 有电磁滋扰的环境下) 能正常事情而不减低其机能的能力 。为实现电磁兼容,选择FSS 贴在敏感器件周围,滤除滋扰旌旗灯号。接地、樊篱、滤波是抑制电磁滋扰的3 大年夜技巧,这是电子设备和系统在进行电磁兼容性设计历程中通用的3 种主要电磁滋扰抑制措施。滤波是使用元器件减小或打消滋扰旌旗灯号,是抑制电磁滋扰的紧张手段之一。

频率选择外面( FSS) 是由大年夜量导体谅片单元( 带阻型) 或导体屏周期性开孔单元( 带通型) 组成的二维周期性阵列布局,其特点是可以有效地节制电磁波的反射和传输。FSS 的利用险些涉及所有的电磁波谱,如卫星天线的频率复用、天线罩、电路模拟接受体,以及各类空间滤波器和准光频率器件等。然而应用无源FSS 布局构成的设置设备摆设,一旦成型,其谐振频率、事情带宽等电磁特点就再也没法子改变了,一旦所面对的外部情况发生改变,其机能将会大年夜幅度低落。是以,为了降服上述缺陷,有学者提出了有源FSS 布局,这种布局是在传统频率选择外面引入PIN 二极管这种有源器件,其基础布局如图1 所示。

图1 有源FSS 布局

图1( a) 是构成有源FSS 布局( 直边蝶形) 的基础单元,由许多这样的基础单元组成的阵列就构成了有源FSS 的接受外面,如图1( b) 所示。由该布局构成的吸波材料与通俗吸波材料不合,通俗的吸波材料是靠介质本身的电阻性或磁阻性将入射过来的电磁波能量转换为热能,从而起到吸波的感化。通俗的吸波材料一旦布局给定后,其电阻层阻抗、介质的电磁参数以及介质厚度等就固定了,其输入阻抗也就固定了,是以由通俗吸波材料构成的接受体一旦布局给定了,其吸波机能也就固定了。有源FSS 布局由于在吸波材猜中加入了二极管,而二极管的阻性可以经由过程外接偏置电压对其节制,从而实现对吸波布局电阻层阻抗进行节制。这是设计吸波材料的一种新思路。因为采纳这种布局构成的吸波材料,其反射是可以节制的,是以具有异常机动的特点,在军用和夷易近用中将具有异常广泛的利用前景。

2 吸波道理

当电磁波在空气中传播碰到媒质时,因为媒质的阻抗与自由空间的阻抗不匹配,电磁波在空气与媒质界面发生反射和透射。当透射波进入媒质内部后,可经由过程接受、散射、过问等多种手段,将电磁波转换成其他形式的能量,衰耗在媒质内部,从而使材料外面的电磁波反射大年夜大年夜减小。是以,吸波体与空气媒质的阻抗是否匹配对吸波材料的吸波特点具有紧张影响。如图2 所示单层吸波布局。

图2 单层吸波布局模型

当电磁波垂直入射时:

式中:Z 为电阻层阻抗; ZS 为介质的特性阻抗; 为电磁波传输系数,且 = 2 √ε r / λ,εr 为介电常数; d 为介质厚度。响应的反射系数为:

式中: ZO 为自由空间的波阻抗。由式( 2) 可知,当Zin =ZO 时,反射系数为0,此时电磁波完全进入吸波材料内部,无电磁波反射,即阻抗匹配。由式( 1) 可知,可以经由过程调节电阻层阻抗、介质的电磁参数以及介质厚度来改变输入阻抗,从而实现阻抗匹配,此中最轻易调节的是电阻层的阻抗。

3 理论阐发

在入射波感化下FSS 体现出来的物理征象,可以经由过程传输线理论近似,是以根据等效电路的道理,加以不合的极化和角度入射前提,可将FSS 单元用响应的电路元件来等效,从而对FSS 进行快捷的阐发。有源FSS是在FSS 中加载二极管,使其在不合的偏置电压下出现出不合的电阻特点,从等效电路的角度看,在阐发时可以将二极管等效为一可变电阻,是以采纳传输线理论模型,有源FSS 布局可等效为图3 的电路模型。

图3 等效电路

在这个模型中,金属板等效为短路面,介质层等效为一段传输线,短路面经由过程介质层接到频率选择外面上,其阻抗体现为:

式中: ZO 为自由空间阻抗,由FSS 引入的电抗,即经由过程串联电感L S 和电容CS 表示; PIN 二极管用可变电阻作为其模型,由外接偏置电流来调节其阻抗。当频率选择外面体现为必然容性时就会孕育发生谐振。在谐振点上,电阻负载将接受掉落大年夜量的电磁波能量。由此模型可以得出:

当X 是感性时:

当X 是容性时:

由式( 2) 可以谋略出反射系数的表达式:

由式( 6) 可知,经由过程调节PIN 二极管的偏置电流,可以实现不合的谐振特点。

4 数值仿真

这里在波导中放置一个图1 的吸波布局单元,但该布局单元中的PIN 二极管用纯电阻替代,电阻值从20~250 ? 变更。当电磁波进入该波导后,首先颠末吸波布局单元将被接受掉落一部分电磁波能量,而后颠末金属壁反射回来再次被吸波布局单元接受掉落一部分电磁波能量,经由过程察看勉励端口的S11参数就可以察看到吸波布局单元对电磁波的接受环境。图4 为仿真所获得的S11 曲线。经由过程察看可以看出,吸波布局在3~ 11. 5 GHz频率段内吸波特点跟着加载电阻的阻值变更而变更。在这个频段外,电阻阻值的变更对吸波布局的吸波特点影响很小。当吸波布局单元中的纯电阻为PIN 二极管时,就可以经由过程节制二极管的直流偏置来节制其阻值,从而节制吸波材料的吸波机能如图4 所示,但电流过大年夜或过小,该布局都不具有吸波特点如图5 所示。

图4 S11曲线一

图5 S11曲线二

5 结 语

在此首先先容了有源频率选择外面的基础布局及吸波道理,然后在此根基上用传输线理论对该吸波布局进行理论阐发,着末,同过波导中放置该布局,对其仿真阐发。阐发结果注解,适当的改变PIN 二极管的直流偏置,可以改变吸波布局的吸波特点。可见,有源FSS用于电磁兼容是可行的。

滥觞:维库电子市场网

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