有源频率表面用于电磁兼容的可行性仿真分析

随着科学技术的进步，人类社会进入信息化社会。人类的生存环境也同电磁环境互相交融。早在1975 年就有专家曾预言，随着城市人口的迅速增长和科技的进步，汽车、计算机等电气设备进入家庭，空间人为电磁能量每年增长7% ~ 14% ，也就是说25 年电磁能量密度最高可增加26 倍，50 年可增加700 倍，21 世纪电磁环境日益恶化。在这种复杂的电磁环境中，如何减少相互间的电磁干扰，使各种设备正常运转，即电磁兼容，是一个亟待解决的问题。

1 电磁兼容及有源频率表面

所谓电磁兼容是指一切电气、电子设备及系统在它们所处的电磁环境中（有电磁干扰的情况下）能正常工作而不减低其性能的能力。为实现电磁兼容，选择FSS 贴在敏感器件周围，滤除干扰信号。接地、屏蔽、滤波是抑制电磁干扰的3 大技术，这是电子设备和系统在进行电磁兼容性设计过程中通用的3 种主要电磁干扰抑制方法。滤波是利用元器件减小或消除干扰信号，是抑制电磁干扰的重要手段之一。

频率选择表面（ FSS）是由大量导体贴片单元（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结构，其特性是可以有效地控制电磁波的反射和传输。FSS 的应用几乎涉及所有的电磁波谱，如卫星天线的频率复用、天线罩、电路模拟吸收体，以及各种空间滤波器和准光频率器件等。然而使用无源FSS 结构构成的装备，一旦成型，其谐振频率、工作带宽等电磁特性就再也没办法改变了，一旦所面对的外部环境发生改变，其性能将会大幅度降低。因此，为了克服上述缺陷，有学者提出了有源FSS 结构，这种结构是在传统频率选择表面引入PIN 二极管这种有源器件，其基本结构如图1 所示。

图1 有源FSS 结构

图1（ a）是构成有源FSS 结构（直边蝶形）的基本单元，由许多这样的基本单元组成的阵列就构成了有源FSS 的吸收表面，如图1（ b）所示。由该结构构成的吸波材料与普通吸波材料不同，普通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，从而起到吸波的作用。普通的吸波材料一旦结构给定后，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，因此由普通吸波材料构成的吸收体一旦结构给定了，其吸波性能也就固定了。有源FSS 结构因为在吸波材料中加入了二极管，而二极管的阻性可以通过外接偏置电压对其控制，从而实现对吸波结构电阻层阻抗进行控制。这是设计吸波材料的一种新思路。由于采用这种结构构成的吸波材料，其反射是可以控制的，因此具有非常灵活的特性，在军用和民用中将具有非常广泛的应用前景。

2 吸波原理

当电磁波在空气中传播遇到媒质时，由于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，可通过吸收、散射、干涉等多种手段，将电磁波转换成其他形式的能量，衰耗在媒质内部，从而使材料表面的电磁波反射大大减小。因此，吸波体与空气媒质的阻抗是否匹配对吸波材料的吸波特性具有重要影响。如图2 所示单层吸波结构。

有源频率表面用于电磁兼容的可行性仿真分析

图2 单层吸波结构模型

当电磁波垂直入射时：

式中：Z 为电阻层阻抗； ZS 为介质的特征阻抗；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。相应的反射系数为：

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，可以通过调节电阻层阻抗、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，其中最容易调节的是电阻层的阻抗。

3 理论分析

在入射波作用下FSS 表现出来的物理现象，可以通过传输线理论近似，因此根据等效电路的原理，加以不同的极化和角度入射条件，可将FSS 单元用相应的电路元件来等效，从而对FSS 进行快捷的分析。有源FSS是在FSS 中加载二极管，使其在不同的偏置电压下呈现出不同的电阻特性，从等效电路的角度看，在分析时可以将二极管等效为一可变电阻，因此采用传输线理论模型，有源FSS 结构可等效为图3 的电路模型。

有源频率表面用于电磁兼容的可行性仿真分析

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，短路面通过介质层接到频率选择表面上，其阻抗表现为：

式中： ZO 为自由空间阻抗，由FSS 引入的电抗，即通过串联电感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。当频率选择表面表现为一定容性时就会产生谐振。在谐振点上，电阻负载将吸收掉大量的电磁波能量。由此模型可以得出：

当X 是感性时：

当X 是容性时：

由式（ 2）可以计算出反射系数的表达式：

由式（ 6）可知，通过调节PIN 二极管的偏置电流，可以实现不同的谐振特性。

4 数值仿真

这里在波导中放置一个图1 的吸波结构单元，但该结构单元中的PIN 二极管用纯电阻替代，电阻值从20~250 ？变化。当电磁波进入该波导后，首先经过吸波结构单元将被吸收掉一部分电磁波能量，而后经过金属壁反射回来再次被吸波结构单元吸收掉一部分电磁波能量，通过观察激励端口的S11参数就可以观察到吸波结构单元对电磁波的吸收情况。图4 为仿真所得到的S11 曲线。通过观察可以看出，吸波结构在3~ 11. 5 GHz频率段内吸波特性随着加载电阻的阻值变化而变化。在这个频段外，电阻阻值的变化对吸波结构的吸波特性影响很小。当吸波结构单元中的纯电阻为PIN 二极管时，就可以通过控制二极管的直流偏置来控制其阻值，从而控制吸波材料的吸波性能如图4 所示，但电流过大或过小，该结构都不具有吸波特性如图5 所示。

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