微小型无人机发射关键技术研究

微小型无人机发射关键技术研究

XX：1004?373X(20XX)21?0132?04

。引言

随着强电磁脉冲(ElectromgneticPulse,EMP)和高功率

微波(HighPowerMicrowve,HPM)等技术的进展与应用，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，当微波频段的功率密度达到0.01-1W/cm2时

将形成干扰，雷达和通信设备难以正常工作；当功率密度达到

10〜100W/cm2时，可形成软杀伤，使电子系统功能紊乱；当功

率密度达到1~100kW/cm2时，可形成硬杀伤，破坏电子元器件、

集成电路等。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想是通过对电磁能量的反射、

汲取、屏蔽等手段，防止强电磁脉冲对电子系统造成毁伤。然而

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。

为了解决电子设备对强电磁脉冲防护和正常收发之间的矛

盾，必须探究新的防护手段。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。

本文结合PIN压控导电特性和金属XX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，研究分析了各因

1

素对该结构防护性能的影响，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瞬间由高阻态变为低阻态，对外界干扰

起到屏蔽作用；而对于安全的电磁信号，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。本节分别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：

［r=ErEi=ES-xEix=-T］2ZS+T］T

=EtEi=ES+x+EixEix=2ZS2ZS+Ti］

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，采

纳压控导电元件阵列组成XX格，压控导电元件之间细金属线保

持电连接，XX格尺寸小于入射波长的［110,］当强电磁脉冲作用

1

时，XX格上会感应出高电压，驱动元件阵列导通，形成一个导

电XX格，［ZS］变小，此时该结构类似完整的金属屏蔽XX,可以

阻挡强电磁脉冲进入系统内部；当强电磁脉冲消逝后，XX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，

可以有效透射低能量的电磁信号。

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、快上升前沿和高重复率的电磁脉冲。

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。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］分别为源阻抗和负载阻抗，为实现阻抗匹配，阻值均为50。。

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10V、频率为1GHz微波信号，得到负载［R2］两端［Vout］降

为2V,相当于PIN二极管开路时的40%。

1

从图4可以看出，处于微波段的PIN二极管具有压控导电特

性，容易满足需求，适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性能。仿

真中同时考虑XX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lo其中XX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，致使其存在性能差异。

BP63零偏电容［CT］小,截止特性较好;HSMP4820直流电阻［R1］

小，导通性能较好。因此，本文选取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，研究其防护效能。

采纳基于矢量XX络分析仪的收发天线测试方案。外加直流

偏置电压操纵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

PIN二极管的封装电容和电感会影响其阻抗特性。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

与汲取同时存在。防护罩［B］XX格尺寸较大，但有（［f

1

实测外加直流偏置后，二极管的正向导通压降为0.8V,导

通电流为20mo由于高电平微波信号对二极管I区电导率调制

作用不如直流有效，强电磁脉冲辐照功率密度将大于上述数据。

通过调节金属XX格尺寸、降低PIN二极管限幅门限、提高PIN

功率容量等措施，可制作针对不同防护需求的防护罩。

4结论

通过分析PIN二极管的压控导电特性，结合金属XX格屏蔽

理论，提出了电磁环境自适应防护罩的设计思想；对理想防护罩

进行了仿真研究，分析了各因素对防护罩防护性能的影响；对防

护罩进行实验研究，从传输特性角度对其性能进行分析，实现了

1.6GHz以下频段防护罩插入