电磁能量防护表面的设计与应用研究

作     者：刘树伟 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邱扬

授予年度：2019年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：高功率微波 能量选择表面 PIN二极管 带通型 带阻型 

摘      要：随着电磁脉冲技术的快速发展,电子设备面临的电磁脉冲威胁越来越严重。能量选择表面是在频率选择表面的基础上提出的一种无源的强电磁脉冲防护结构,它可以透过低能量的电磁信号、隔离高功率微波,实现对高功率微波的自适应限幅防护,有效的解决射频电磁信号的接收与高功率微波防护之间的兼容性问题。本文基于能量选择表面的防护原理,分析了能量选择表面的设计要素以及工程应用中的相关问题,设计了带阻型与带通型两种类型的能量选择表面,并结合仿真和试验验证了能量选择表面的应用可行性。本文的具体工作如下:第一部分主要分析了能量选择表面的防护原理。首先对频率选择表面的工作原理和一些基本特性进行了简要介绍,然后在频率选择表面的基础上引出能量选择表面,分析了带阻型和带通型两种能量选择表面的工作原理,给出了其防护性能的评价指标,为下文的研究指明方向。第二部分研究了应用于能量选择表面上的PIN二极管。首先基于PIN二极管的载流子的分布特征分析了PIN二极管在直流和低频交流状态下的工作特性,给出了PIN二极管在截止和导通时的稳态等效电路模型及参数。然后结合理论与试验重点研究了PIN二极管在微波状态下的响应特性,介绍了二极管的微波导通原理,研究了PIN二极管微波状态下的导通电阻、启动门限和响应速度及其最大的耐受功率,为能量选择表面的设计与性能分析奠定了基础。第三部分针对带阻型能量选择表面的防护设计和试验展开研究。首先分析了介质材料的介电常数、单元形式、结构尺寸、PIN二极管的等效参数以及电磁波的入射角对于带阻型能量选择表面的传输特性影响;然后根据对PIN二极管的研究,探讨了带阻型能量选择表面的启动场强、响应速度和高频适用性。接着结合工程应用场景,研究了能量选择表面的总尺寸对于传输特性的影响,并分析了该应用场景下的能量选择表面附近的空间场强分布特征及其对启动场强的影响。在此基础上设计并制作了带阻型能量选择表面的测试样件,在高功率微波辐照作用下测试了其防护性能,验证了其防护应用的可行性。第四部分主要完成带通型能量选择表面的防护设计。研究了单元形式、单元的结构尺寸以及PIN二极管的等效参数对于带通型能量选择表面的性能影响。根据研究结果,选择某型号的PIN二极管设计了应用于X波段的带通型能量选择表面并分析了其用于高功率微波防护的可行性。