一种自适应三通带能量选择表面

本发明涉及电磁超表面，具体涉及一种用于电磁防护的自适应三通带能量选择表面。

背景技术：

1、高功率微波等强电磁干扰可能导致通信、雷达等电子系统性能下降，甚至造成敏感电路损坏，因此需要在保障正常信号传输的同时采取电磁防护措施。全金属屏蔽结构能够隔离电磁干扰，但也会阻断正常通信信号，难以满足电磁窗口保持透波的需求。常规线性频率选择表面能够选择性地透射或反射特定频段的电磁波，但其传输特性难以随入射功率自适应改变，因而难以兼顾同一工作频带内的弱信号传输与强电磁干扰防护。

2、能量选择表面通过在周期结构中加载二极管等非线性器件，利用器件阻抗随入射电磁场变化的特性调节电磁波的传输状态。在低功率信号入射时，器件呈高阻抗状态，使工作频段内的信号能够透射；在较强电磁场作用下，器件转为低阻抗状态，改变结构的电流路径和谐振条件，从而降低透射。随着通信系统向多频段、多功能方向发展，电磁窗口还需要同时支持多个分离频段的低损耗传输，对能量选择表面的多通带设计提出了要求。

3、多通带透射与宽频电磁防护需要统筹设计。形成多个透射通带，并不意味着器件状态改变后即可在各通带及通带之间的区域获得连续的防护响应；不同谐振结构之间的耦合以及非线性器件的加载方式，均会影响其传输和防护特性。因此，如何在兼顾结构集成的条件下，合理配置谐振结构及非线性器件，实现低功率下多个通带的信号传输，并在强电磁场作用下抑制各通带及其间区域的透射，是需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种自适应三通带能量选择表面，以兼顾多个频段的信号传输与强电磁场作用下的透射抑制需求。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种自适应三通带能量选择表面，包括沿相互垂直的第一方向和第二方向周期排列的多个正方形周期单元，所述第一方向和所述第二方向分别平行于所述正方形周期单元的两条相邻边。

3、每个所述周期单元包括介质基板、设置于所述介质基板一侧表面的单层金属选择层以及二极管，所述介质基板的另一侧表面不设置金属层。

4、所述金属选择层开设有具有共同中心且由外向内依次嵌套的圆环形缝隙、方环形缝隙和十字形轮廓缝隙，相邻缝隙之间保留金属导体区域；所述方环形缝隙的各边与所述正方形周期单元的边界呈45°夹角，所述十字形轮廓缝隙沿十字形轮廓延伸，所述十字形的两条相互垂直的臂分别沿所述第一方向和所述第二方向延伸。

5、所述圆环形缝隙上设有沿周向等角度分布的8个所述二极管，所述方环形缝隙的四条边的中心位置分别设有1个所述二极管，所述十字形轮廓缝隙的四个端部分别设有1个所述二极管；各所述二极管的两个端子分别与对应缝隙两侧的金属导体区域电连接。

6、三种所述缝隙与所加载的二极管在所述二极管处于截止状态时共同形成三个透射通带，所述二极管受入射电磁场作用进入低阻抗导通状态时形成跨缝隙导电通路，改变三种所述缝隙的谐振条件，以抑制所述三个透射通带的透射。

7、进一步地，所述圆环形缝隙上的8个二极管分别设置于四条直线与所述圆环形缝隙相交的位置，所述四条直线分别为经过所述共同中心且平行于所述第一方向的直线、经过所述共同中心且平行于所述第二方向的直线以及所述正方形周期单元的两条对角线所在的直线。

8、进一步地，所述二极管为pin二极管，所述能量选择表面不设置外加偏置电源、独立整流电路及辅助控制电路，所述pin二极管由所述入射电磁场在其两端产生的感应电压驱动而改变阻抗状态。

9、进一步地，所述周期单元沿所述第一方向和所述第二方向的排列周期均为27 mm，所述介质基板的厚度为2.2 mm。

10、进一步地，在上述排列周期和介质基板厚度条件下，所述圆环形缝隙的内边界半径为12.6 mm，径向宽度为0.34 mm；所述方环形缝隙的外边界顶点至所述共同中心的距离为10.125 mm，所述方环形缝隙的内边界顶点与对应的外边界顶点沿同一对角线方向的间距为0.56 mm；所述十字形轮廓缝隙具有十字形外边界和十字形内边界，所述十字形外边界沿所述第一方向和所述第二方向的总长度均为12.38 mm，各臂宽度均为2.81 mm，所述十字形内边界沿所述第一方向和所述第二方向的总长度均为11.7 mm，各臂宽度均为2.53 mm。

11、进一步地，所述金属选择层为厚度为0.035 mm的铜层。

12、进一步地，在所述金属选择层采用上述铜层的条件下，所述介质基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。

13、进一步地，各所述pin二极管的阳极均与对应缝隙靠近所述共同中心一侧的金属导体区域电连接，阴极均与对应缝隙远离所述共同中心一侧的金属导体区域电连接。

14、进一步地，在采用上述排列周期、介质基板厚度及三种缝隙尺寸的一种实施方式中，所述金属选择层为厚度为0.035 mm的铜层，所述介质基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、（1）兼顾三个分离频段的信号传输与自适应电磁防护。本发明将圆环形缝隙、方环形缝隙和十字形轮廓缝隙嵌套设置于同一金属选择层，并在各类缝隙上加载二极管。在二极管处于截止状态时，三种缝隙与所加载器件共同形成三个透射通带，通过缝隙尺寸及材料参数的配置，使工作频段内的信号实现低损耗透射；当入射电磁场使二极管进入低阻抗导通状态时，跨缝隙导电通路改变结构的谐振条件，抑制原三个透射通带的透射。由此，在保持多频段信号传输能力的同时，使传输状态能够随入射电磁场变化，满足电磁窗口的通信与防护需求。

17、（2）兼顾各透射通带及通带之间区域的防护。本发明在圆环形缝隙、方环形缝隙和十字形轮廓缝隙上分别配置跨接二极管，使三类谐振结构均具有可变阻抗的跨接通路。二极管导通后，各跨接通路共同改变金属导体之间的高频电连接关系及单元的整体传输响应。在所述尺寸和材料参数配置下，导通状态等效仿真表明，结构能够在包含原三个透射通带及其间区域的连续频率范围内降低透射，从而兼顾多通带透波与宽频电磁防护。

18、（3）形成对称的谐振结构与器件加载布局。圆环形缝隙、方环形缝隙和十字形轮廓缝隙采用共同中心的对称布置，圆环形缝隙上的8个二极管沿周向等角度分布，方环形缝隙和十字形轮廓缝隙上的二极管分别设置于四边中心及四个端部，使周期单元在相互垂直的两个方向上具有相对应的缝隙结构和器件加载位置。

19、（4）为不同通带的频率配置提供调节途径。三类缝隙具有不同的几何形状和谐振路径，可通过调整各类缝隙的尺寸，调节相应通带的谐振特性，并结合嵌套结构之间的耦合作用进行整体配置，为多个工作频段的组合设计提供结构参数调节空间。

20、（5）便于多通带功能的单层集成。本发明在介质基板一侧的单层金属选择层中形成三类嵌套缝隙，介质基板另一侧不设置金属层，使多个谐振结构共用同一周期单元的平面空间。相对于依靠多层结构叠置形成传输响应的方案，该结构无需设置层间空气间隙及相应的层间定位结构，有利于简化层叠构造与装配，便于电磁窗口集成。

21、（6）简化供电与控制配置。所述pin二极管利用入射电磁场在其两端产生的感应电压改变阻抗状态，无需设置外加偏置电源、独立整流电路及辅助控制电路，使透波与防护状态的变化通过所加载器件的阻抗变化实现，有利于减少外部供电和控制布线需求。