一种能量高通器件设计方法

1.本技术涉及器件设计领域，特别是涉及一种能量高通器件设计方法。


背景技术：

2.近年来随着电子技术发展，各类设备额定工作功率大小各异难免相互影响，电磁兼容问题难以避免，加之未来电磁空间强电磁脉冲的威胁，对电磁波能量域上进行调制的需求迫在眉睫。目前主流对电磁能量进行调制的手段主要是能量低通型技术，即能量高时全反射，能量低时全透过，可以直接用于射频前端实现反射式的防护。而能量高通技术，指的是高能量透过而低能量反射，在吸收式的电磁兼容与防护领域有较大的应用潜力。能量高通技术目前相关研究较少，目前主要的实现方案是通过设计超材料结构，低能量时利用超材料等效负介电常数或磁导率(单负介质)使其宏观等效阻抗为虚数导致阻抗不匹配从而实现全反射，在高能量时恢复自然介质特性导致阻抗匹配从而实现全透射。当前基于超材料设计的能量高通调制技术目前仅限于在波导内进行加装，且体积较大，成本较高，设计难度较大，综合应用局限性较大。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够通过标准化的设计思路有效降低能量高通器件设计难度的能量高通器件设计方法。
4.一种能量高通器件设计方法，所述方法包括：
5.在微带线结构的微带线左右两侧分别对称地构建两个金属贴片，分别为第一金属贴片和第二金属贴片；
6.通过两个并联的、方向相反的二极管将所述第一金属贴片与所述微带线连接；
7.通过一个电感将所述第一金属贴片与所述第二金属贴片连接；
8.通过一个电容将所述第二金属贴片与所述微带线连接；
9.通过一个金属化过孔穿过所述微带线结构的介质基板将所述第二金属贴片与所述微带线结构的金属地连接；
10.由所述微带线结构、所述金属贴片、所述二极管、所述电感、所述电容、所述金属化过孔及其连接构成能量高通器件。
11.在其中一个实施例中，还包括：所述二极管和所述电感的取值由所需工作频段确定，以使所述能量高通器件的串联谐振频点移动至所需工作频段内。
12.在其中一个实施例中，还包括：所述电容的取值由所述能量高通器件并联谐振的中心频点确定。
13.在其中一个实施例中，还包括：所述金属贴片以及所述金属化过孔尺寸根据二极管、电容、电感封装尺寸设计确定。
14.在其中一个实施例中，还包括：以所述能量高通器件为基础，在所述微带线结构一个端口左右两侧对称添加一对金属贴片，为第三金属贴片；
15.通过负载电阻将所述第三金属贴片与所述微带线连接；
16.通过一个金属化过孔穿过所述介质基板将所述第三金属贴片与所述金属地连接；
17.由所述第三金属贴片、所述负载电阻和添加的所述金属化过孔在所述能量高通器件基础上构成单端口的能量高通器件。
18.在其中一个实施例中，还包括：在所述微带线的纵向方向上以四分之一波长为间隔，重复构建由所述金属贴片、所述二极管、所述电感、所述电容、所述金属化过孔及其连接所构成的结构，形成包含多级结构的能量高通器件。
19.在其中一个实施例中，还包括：通过调整所述二极管、所述电容和所述电感的取值实现l至ku波段任意频段的能量高通器件设计。
20.上述能量高通器件设计方法，通过在微带线左右两端分别对称地构建两个金属贴片，其中第一金属贴片通过两个并联的、方向相反的二极管与微带线连接，同时通过一个电感与第二金属贴片连接，而第二金属贴片一方面通过一个电容与微带线连接，另一方面通过一个金属化过孔穿过介质基板与背面的金属地连接，构成能量高通器件。本发明仅通过微带线电路与无源器件和二极管的拓扑结构，实现了高性能的能量高通器件，相对传统手段，通过标准化的设计思路有效降低设计难度，减少成本和尺寸，提高了能量高通性能，拓展了应用场景。
附图说明
21.图1为一个实施例中能量高通器件设计方法的流程示意图；
22.图2为一个实施例中能量高通器件的整体结构图；
23.图3为一个实施例中能量高通器件的局部结构图；
24.图4为一个实施例中能量高通器件的等效电路图，其中，(a)为能量高通器件等效电路模型图，(b)为二极管未导通时的等效电路模型图，(c)为二极管导通时的等效电路模型图；
25.图5为一个实施例中能量高通器件变体1的整体结构图；
26.图6为一个实施例中能量高通器件变体2的整体结构图；
27.图7为一个实施例中l波段设计结构s参数仿真结果图；
28.图8为一个实施例中c波段设计结构s参数仿真结果图；
29.图9为一个实施例中x-ku波段设计结构s参数仿真结果图；
30.图10为一个实施例中1.6ghz注入实测结果图。
具体实施方式
31.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
32.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种能量高通器件设计方法，包括以下步骤：
33.步骤102，在微带线结构的微带线左右两侧分别对称地构建两个金属贴片，分别为第一金属贴片和第二金属贴片。
34.本发明的结构基础是微带线结构，即位于底面的金属地，位于中间的介质基板以
及介质基板上方中央的微带线，微带线两头分别通过sma转接头连接使整个结构作为一个二端口器件。
35.步骤104，通过两个并联的、方向相反的二极管将第一金属贴片与微带线连接。
36.步骤106，通过一个电感将第一金属贴片与第二金属贴片连接。
37.步骤108，通过一个电容将第二金属贴片与微带线连接。
38.步骤110，通过一个金属化过孔穿过微带线结构的介质基板将第二金属贴片与微带线结构的金属地连接。
39.步骤112，由微带线结构、金属贴片、二极管、电感、电容、金属化过孔及其连接构成能量高通器件。
40.本发明的设计是在微带线的基础上增加了：二极管与电容、电感，金属过孔和金属贴片。通过金属过孔和金属贴片的连接，与二极管、电容、电感形成特定拓扑结构。通过采用这种设计方式，当高强度辐射场入射时，二极管导通使得该拓扑结构表现为高阻抗的并联谐振状态，从而使得能量得以正常传输；当正常小信号入射时，二极管保持断开状态，该拓扑结构表现为低阻抗的串联谐振状态，使得信号全反射。
41.其中，二极管、电容、电感的取值确定思路是：首先根据所需工作频段，选取适当的二极管和电感，使串联谐振频点移动至工作频段内；然后考虑并联谐振的中心频点，确定电容的取值；最后按照需求平衡带宽与高功率传输性能。现有的二极管与电容电感取值范围可以支撑实现l至ku波段任意频段的设计。
42.通过上述方法构成的能量高通器件的整体结构图如图2所示，局部结构图如图3所示，金属贴片以及金属化过孔尺寸根据二极管、电容、电感封装尺寸设计确定。
43.能量高通器件的等效电路模型如图4(a)所示。其中cp为电容，d为二极管，ls为电感；图4(b)中二极管未导通时可以等效为一个电容cd串联一个引线电阻rs，图4(c)中二极管导通以后等效为一个电阻rd串联一个电感ld。当小信号传输时，二极管处于断开状态，等效电路处于串联谐振状态，阻抗失配，信号反射；当大信号传输时，二极管处于导通状态，等效电路处于并联谐振状态，阻抗匹配，信号正常传输。
44.上述能量高通器件设计方法中，通过在微带线左右两端分别对称地构建两个金属贴片，其中第一金属贴片通过两个并联的、方向相反的二极管与微带线连接，同时通过一个电感与第二金属贴片连接，而第二金属贴片一方面通过一个电容与微带线连接，另一方面通过一个金属化过孔穿过介质基板与背面的金属地连接，构成能量高通器件。本发明仅通过微带线电路与无源器件和二极管的拓扑结构，实现了高性能的能量高通器件，相对传统手段，通过标准化的设计思路有效降低设计难度，小型化、低成本、高性能、适用频段广等优点，拓展了应用场景。
45.在其中一个实施例中，如图5所示，还提供一种基本能量高通器件设计结构的变体1：变体1以能量高通器件为基础，在微带线结构一个端口左右两侧对称添加一对金属贴片，为第三金属贴片；通过负载电阻将第三金属贴片与微带线连接；通过一个金属化过孔穿过介质基板将第三金属贴片与金属地连接；由第三金属贴片、负载电阻和添加的金属化过孔在能量高通器件基础上构成单端口的能量高通器件。
46.在另一个实施例中，如图6所示，还提供一种基本能量高通器件设计结构的变体2：变体2在微带线的纵向方向上以四分之一波长为间隔，重复构建由金属贴片、二极管、电感、
电容、金属化过孔及其连接所构成的结构，形成包含多级结构的能量高通器件。变体2多级结构的能量高通器件能够提升整体的带宽等工作性能。
47.在另一个实施例中，对设计的能量高通器件特性进行了仿真模拟：
48.图7为l波段设计结构s参数仿真结果，该结构为变体2中的二级结构，实现了1.28-1.83ghz的能量高通特性，带宽内低能量反射-1db以内，高能量反射-15db以下。
49.图8为c波段设计结构s参数仿真结果，该结构为变体2中的二级结构，实现了6.1-7.9ghz的能量高通特性，带宽内低能量反射-1db以内，高能量反射-10db以下。
50.图9为x-ku波段设计结构s参数仿真结果，该结构为变体2中的三级结构，实现了9.85-14.85ghz的能量高通特性，带宽内低能量反射-1db以内，高能量反射-10db以下。
51.图10为1.6ghz注入实测结果，可见在输入功率较低时，能量高通器件几乎全反射；随着注入能量升高，反射逐渐减小而透射功率增大。
52.应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
53.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。