能量选择表面防护机理与分析

论文摘要

针对信息化武器装备强电磁防护需求,本文提出了基于能量低通机理的能量选择表面（ESS, Energy Selective Surface）防护新方法,该方法克服了现有防护手段在功率容量和防护功能上的不足。作为强电磁防护方法的创新,ESS既能隔离强电磁脉冲又能保证被保护设备信号正常收发,可用于对电磁脉冲炸弹和高功率微波武器的综合防护。本文系统研究了ESS防护机理、功能设计、性能仿真、实验测试等关键问题,制作了硬质及柔性ESS,并进行了相关实验。第一章在分析EMP（Electromagnetic Pulse）的耦合途径、毁伤效应及研究现状基础上,针对现有防护手段的不足,提出了兼容强电磁防护和满足设备正常工作需求的ESS。第二章介绍了ESS的基本概念和防护机理,通过改进阻抗边界,提出了基于切向电场和面电流密度定义的阻抗表面,从本质上对ESS防护机理进行了研究,最后给出了场致导电材料和压控导电结构设计ESS的实现途径,明确了ESS主动和被动的工作方式。第三章研究了ESS防护设计,基于压控导电结构,实现了一种等效的可变阻抗表面。为降低ESS的低插入损耗,本文研究了PIN二极管电导调制特性,提出了调整PIN二极管I层厚度和载流子寿命及ESS有源偏置等方法实现ESS的可控设计;针对防护应用,还研究了ESS最大功率容量估计和ESS柔性共形设计的问题,分析表明:通过选用耐高压击穿的PIN二极管,ESS最大防护场强可达数百千伏每米,可有效防护现有报道的所有电磁脉冲炸弹和高功率微波武器的攻击。第四章研究了ESS性能和综合技术。建立了具有周期结构的无穷大ESS分析模型,实现了FDTD-SPICE场路协同仿真,分析了ESS时频响应,明确了ESS插入损耗、屏蔽效能、尖峰泄露、平顶泄露、响应时间等关键指标;同时给出了由防护指标综合出符合要求的ESS方案设计流程。对于电磁波垂直入射,并且ESS周期单元尺寸相对于入射波波长可以忽略的情况,本文讨论了采用场路等效求出ESS防护指标解析解的方法。第五章研究了ESS的测试方法。制作了基于PCB的硬质ESS和基于FPC的柔性ESS样品,改进了自由空间法测量的试验方案,实验结果表明ESS样品在3GHz以下具有插入损耗小于1dB,屏蔽效能大于15dB的防护性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 符号列表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 强电磁防护现状
• 1.3 研究内容与方法
• 1.4 本文章节安排
• 第二章 ESS 概念及防护机理
• 2.1 ESS 基本概念
• 2.2 ESS 防护机理
• 2.2.1 阻抗边界与阻抗表面
• 2.2.2 无限大阻抗表面对平面波传播的反射和透射
• 2.2.3 可变阻抗表面的电磁特性
• 2.2.4 可变阻抗表面与ESS
• 2.3 ESS 实现途径及工作方式
• 2.3.1 ESS 实现途径
• 2.3.2 ESS 工作方式
• 2.4 本章小结
• 第三章 ESS 防护设计
• 3.1 能量低通设计
• 3.1.1 实现方式
• 3.1.2 频率限制
• 3.2 自适应防护设计
• 3.2.1 PIN 阻抗特性
• 3.2.2 等效电路模型
• 3.2.3 防护阈值可控
• 3.3 应用研究
• 3.3.1 功率容量
• 3.3.2 柔性设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 ESS 分析与综合
• 4.1 ESS 电磁仿真
• 4.1.1 场路协同仿真
• 4.1.2 场路等效仿真
• 4.2 ESS 性能分析
• 4.2.1 ESS 时域特性
• 4.2.2 ESS 频率响应
• 4.3 ESS 设计综合
• 4.3.1 周期结构尺寸
• 4.3.2 PIN 二极管电磁参数
• 4.3.3 PIN 二极管物理结构
• 4.4 本章小结
• 第五章 ESS 实验研究
• 5.1 ESS 原理验证
• 5.1.1 实验方案
• 5.1.2 测试结果
• 5.2 ESS 性能测试
• 5.2.1 PIN 二极管筛选
• 5.2.2 柔性ESS 设计
• 5.2.3 金属板开窗实验
• 5.3 数据处理
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 研究发现及成果
• 6.2 研究工作的不足
• 6.3 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 平面电流层的辐射场
• 附录B PIN 二极管SPICE 子电路模型