CN117794220B - 一种基于超材料的电磁屏蔽结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁屏蔽技术领域，本发明提供一种基于超材料的电磁屏蔽结构，包括：依次层叠的第一超材料层、绝缘层和第二超材料层；通过设计上下两层的超材料层的金属线周期、金属线宽度等参数得到相应的电磁屏蔽层，电磁屏蔽层由第二超材料层和第一超材料层的单元结构形成金属网栅周期结构，其中，第二超材料层和第一超材料层的单元结构平行设置，排布的周期一致，设置第一超材料层上的金属线的线宽大于第二超材料层上的金属线的线宽，所述第二超材料层上的所述金属线在所述第一超材料层上的垂直投影落在所述第一超材料层的所述金属线内，实现屏蔽波段覆盖P波段（230~1000MHz）及更低频段，并在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的屏蔽效能。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电磁屏蔽技术领域，尤其涉及一种基于超材料的电磁屏蔽结构。
背景技术
随着电子化水平的不断提高，对电磁兼容问题的关注度越来越大，电磁干扰不但可能影响电子设备的正常运行，甚至有可能对人的身体健康造成一定的威胁。在电磁兼容领域，电磁屏蔽是抑制电磁干扰的一种重要手段，屏蔽体可以起到吸收、反射或者是引导电磁波的作用，从而减少电磁波的穿透对设备造成的危害。而且采用屏蔽手段可以有效把辐射源隔离到屏蔽体内或者把敏感设施与外界辐射源隔离，起到保护敏感设施的作用。因此，进行合理的基于超材料的电磁屏蔽结构设计具备必要性。
电磁超材料作为一种人工设计和制造的复合材料已经显示出优异的特性，可以通过人工制作的具有特定属性和功能的结构单元来创造材料，在形状、尺寸和单元方面进行定制，同时可以设计它们之间的相互作用，相较于传统电磁屏蔽材料具有电磁调控的特点。现有技术中对于屏蔽的研究多集中于高频及毫米波频段，对于P波段（230-1000MHz）及更低频的电磁屏蔽的结构无法兼顾多角度入射，屏蔽效果不理想。
发明内容
本发明提供一种基于超材料的电磁屏蔽结构，实现屏蔽波段覆盖P波段（230~1000MHz）及更低频段，并且在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的屏蔽效能。
本发明实施例提供一种基于超材料的电磁屏蔽结构，包括：依次层叠的第一超材料层、绝缘层和第二超材料层；
所述第一超材料层和所述第二超材料层上分别包括多个周期性排列的单元结构；所述单元结构呈N×N个周期性排列，N为大于1的正整数；
所述单元结构包括第一方向的金属线和第二方向的金属线，所述第一方向与所述第二方向相交；在所述第一方向上，同层且相邻的所述单元结构中所述第一方向上的所述金属线在同一直线上，并相互连接；在所述第二方向上，同层且相邻的所述单元结构中所述第二方向上的所述金属线在同一直线上，并相互连接；
其中，所述第一超材料层上的所述金属线的线宽大于所述第二超材料层上的所述金属线的线宽；所述第二超材料层上的所述金属线在所述第一超材料层上的垂直投影落在所述第一超材料层上的所述金属线内。
可选的，所述第一方向与所述第二方向垂直。
可选的，在所述第一超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2-3mm，所述金属线的宽度为0.2-0.8mm，所述金属线的厚度为0.01-0.05mm，所述第一超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为4-6mm。
可选的，在所述第二超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2-3mm，所述金属线的宽度为0.1-0.4mm，所述金属线的厚度为0.01-0.05mm，所述第二超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为4-6mm。
可选的，在所述第一超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2.6mm，所述金属线的宽度为0.6mm，所述金属线的厚度为0.035mm，所述第一超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为5.2mm；
在所述第二超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2.6mm，所述金属线的宽度为0.4mm，所述金属线的厚度为0.035mm，所述第二超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为5.2mm。
可选的，所述第一超材料层和所述第二超材料层的材料为铜。
可选的，所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，还包括介质层，所述介质层设置与所述第一超材料层远离所述绝缘层的一侧。
可选的，所述介质层的材料采用非透明的电磁屏蔽材料。
可选的，所述电磁屏蔽材料包括碳纤维、羰基铁或聚醚醚酮三元电磁双损耗复合材料。
可选的，所述绝缘层的厚度为0.025mm，所述介质层的厚度为2.5 mm。
本发明实施例提供的基于超材料的电磁屏蔽结构，通过设计上下两层的超材料层的金属线周期、金属线宽度等参数得到符合要求的电磁屏蔽层，电磁屏蔽层由第二超材料层和第一超材料层的单元结构形成金属网栅周期结构，其中，第二超材料层和第一超材料层的单元结构平行设置，排布的周期保持一致，设置第一超材料层上的金属线的线宽大于第二超材料层上的金属线的线宽，所述第二超材料层上的所述金属线在所述第一超材料层上的垂直投影落在所述第一超材料层的所述金属线内，利用金属网栅周期结构提高屏蔽性能，屏蔽波段覆盖P波段（230~1000MHz）及更低频段，并且在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的屏蔽效能，当入射电磁波与垂直方向呈75°角度时，屏蔽效能依旧稳定，达到了最佳屏蔽效果，适合低频超材料电磁屏蔽宽角度化的要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于超材料的电磁屏蔽结构的截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于超材料的电磁屏蔽结构的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种单元结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种单元结构的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种基于超材料的电磁屏蔽结构的俯视结构示意图；
图6为本发明实施例提供又一种基于超材料的电磁屏蔽结构的俯视结构示意图；
图7为在150KHz-1000MHz下不同极化角度电磁屏蔽效能示意图；
图8为本发明在150KHz-1000MHz下不同入射角度的电磁屏蔽效能示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种基于超材料的电磁屏蔽结构的截面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于超材料的电磁屏蔽结构的截面结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于超材料的电磁屏蔽结构的俯视结构示意图，参见图1和图2，包括：依次层叠的第一超材料层110、绝缘层120和第二超材料层130；
第一超材料层110和第二超材料层130上分别包括多个周期性排列的单元结构111；单元结构111呈N×N个周期性排列，N为大于1的正整数；
单元结构111包括第一方向X的金属线112和第二方向Y的金属线112，第一方向X与第二方向Y相交；在第一方向X上，同层且相邻的单元结构111中第一方向X上的金属线112在同一直线上，并相互连接；在第二方向Y上，同层且相邻的单元结构111中第二方向Y上的金属线112在同一直线上，并相互连接；
其中，第一超材料层110上的金属线112的线宽大于第二超材料层130上的金属线112的线宽；第二超材料层130上的金属线112在第一超材料层110上的垂直投影落在第一超材料层110上的金属线112内。
具体的，绝缘层的上下表面上分别设置第二超材料层130和第一超材料层110，第二超材料层130和第一超材料层110分别由单元结构111组成。单元结构111是指第一方向X的金属线112和第二方向Y的金属线112相交后，形成类似“十”字结构。其中，第一方向X和第二方向Y的相交角度在此不做限制。示例性的，图3为本发明实施例提供的一种单元结构的结构示意图，参见图3，单元结构111中的金属线112可以为垂直相交，形成如图2所示的一种金属网栅结构。图4为本发明实施例提供的又一种单元结构的结构示意图，参见图4，单元结构111中的金属线112可以锐角相交，形成如图5所示的又一种基于超材料的电磁屏蔽结构的俯视结构示意图。
参见图2或图5，在第一方向X上，同层且相邻的单元结构111中第一方向X上的金属线112均在同一直线上，并且为一体连接，在第二方向Y上，同层且相邻的单元结构111中第二方向Y上的金属线112均在同一直线上，并且为一体连接。也就是说，通过将同层的单元结构111周期性排布，第二超材料层130和第一超材料层110可以分别形成不间断的一体化金属网栅结构，在加工过程一体化结构更加稳定也更加便于加工。其中，在第一方向X上的两个相邻的单元结构111和第二方向Y上的两个相邻的单元结构111可以形成最小的周期单元，即单元结构111呈2×2个周期性排列。从而根据需应用屏蔽空间的大小，单元结构111可以呈N×N个周期性排列，形成金属网栅周期结构。本发明实施例提供的周期性超材料层，通过柔性电路板打印工艺在基材上制备金属网栅，这种方法仅需要一个工艺步骤就能实现大面积高精度金属网栅的制造，而且材料利用率近似100%，无需昂贵的设备和模具，制备工艺成熟稳定，可实现自动化生产，效率高，材料利用率大。材料成本可控，整体制备工艺成熟稳定。
本发明实施例中第二超材料层130和第一超材料层110的单元结构111平行设置，排布的周期保持一致，设置第一超材料层110上的金属线112的线宽大于第二超材料层130上的金属线112的线宽，第二超材料层130上的金属线112在第一超材料层110上的垂直投影落在第一超材料层110上的金属线112内。也就是说，第二超材料层130中的单元结构111组成的金属网栅结构中的网格与第一超材料层110中的单元结构111组成的金属网栅结构中的网格中心点在同一条垂直线上。第二超材料层130中的金属线112的正投影落入第一超材料层110中的金属线112的正投影。
本发明实施例提供的基于超材料的电磁屏蔽结构，通过设计上下两层的超材料层的金属线周期、金属线宽度等参数得到符合要求的电磁屏蔽层，电磁屏蔽层由第二超材料层和第一超材料层的单元结构形成金属网栅周期结构，其中，第二超材料层和第一超材料层的单元结构平行设置，排布的周期保持一致，设置第一超材料层上的金属线的线宽大于第二超材料层上的金属线的线宽，第二超材料层上的金属线在第一超材料层上的垂直投影落在第一超材料层的金属线内，利用金属网栅周期结构提高屏蔽性能，屏蔽波段覆盖P波段（230~1000MHz）及更低频段，并且在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的屏蔽效能，当入射电磁波与垂直方向呈75°角度时，屏蔽效能依旧稳定，达到了最佳屏蔽效果，适合低频超材料电磁屏蔽宽角度化的要求。
在一些实施例中，图6为本发明实施例提供又一种基于超材料的电磁屏蔽结构的俯视结构示意图，参见图6，第一方向X与第二方向Y垂直，同层的单元结构111形成具有正方形网格的金属网栅周期结构，令第二超材料层130中的第一方向X和第二方向Y上，相邻的金属线112之间的间距为K1，第二超材料层130的金属线112的宽度为d1，第二超材料层130的金属线112的厚度为h1，第二超材料层130的单元结构111在第一方向X和第二方向Y上的周期为P。其中，K1的范围为2-3mm，d1的范围为0.1-0.4mm，h1的范围为0.01-0.05mm，P的取值范围为4-6mm。
令第一超材料层110中第一方向X和第二方向Y上，相邻的金属线112之间的间距为K2，第一超材料层110的金属线112的宽度为d2，第一超材料层110的金属线112的厚度为h2，令第一超材料层110的单元结构111在第一方向X和第二方向Y上的周期为P，其中，K2的范围为2-3mm，d2的范围为0.2-0.8mm，h2的范围为0.01-0.05mm，P的取值范围为4-6mm。其中，需要说明的是，金属线112之间的间距是指金属线112长度方向上各自中线之间的垂直距离。
第二超材料层130和第一超材料层110中的金属线112采用相同材质，例如铜，经优化，本实施例中各项参数具体是设置为：d1为0.4mm，h1为 0.035mm，K1为2.6mm。d2为0.6mm，h2为 0.035mm，K2为2.6mm。第二超材料层130和第一超材料层110的周期p均为5.2mm。图7为在150KHz-1000MHz下不同极化角度电磁屏蔽效能示意图，图8为本发明在150KHz-1000MHz下不同入射角度的电磁屏蔽效能示意图，参见图7和图8，根据设计的超材料金属单元结构111，可以在150KHz-1000MHz的低频范围内电磁屏蔽效能SE 大于51dB，即电磁波屏蔽效率达到99%，并且在低于100MHz时屏蔽效能达到70dB以上，并且在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的屏蔽效能，当入射电磁波与垂直方向呈75°角度时，屏蔽效能依旧稳定，达到了最佳屏蔽效果，适合低频超材料电磁屏蔽宽角度化的要求。
在一些实施例中，基于超材料的电磁屏蔽结构中绝缘层120为聚酰亚胺膜，第二超材料层130覆盖于聚酰亚胺（Polyimide，PI）基材的上表面，第一超材料层110覆盖于聚酰亚胺（Polyimide，PI）基材的下表面，形成层叠结构。第二超材料层130和第一超材料层110均采用激光光刻工艺加工。
基于上述实施例，图9为本发明实施例提供的又一种基于超材料的电磁屏蔽结构的截面结构示意图，参见图9，基于超材料的电磁屏蔽结构，还包括介质层140，介质层140设置与第一超材料层110远离绝缘层120的一侧。
具体的，介质层140设置与第一超材料层110远离绝缘层120的一侧，与第一超材料层110的表面紧密贴合，介质层140采用非透明的电磁屏蔽材料，通过选用电损耗材料和磁损耗材料相复合的材料作为介质层140与超材料层结合。例如，选取复合材料碳纤维/羰基铁/聚醚醚酮三元电磁的双损耗复合材料。基于电磁双损耗的复合材料，电磁屏蔽效能得到有效提高，所选取的材料不仅在低频时拥有较高的反射损耗，而且能提高吸收损耗，在同种材料中拥有多种突出性能优势。第二超材料层130和第一超材料层110的厚度均为0.035mm，PI的厚度为0.025mm，介质层140厚度为2.5 mm。
在一些实施例中，基于传输线理论的等效电路理论确定单元结构111，当有电磁波入射时，将金属图案等效为电路模型，将空间中的电磁场问题转化为电路问题，确定了与屏蔽效能相关的各个物理参数，包括单元结构111的周期长度、单元结构111的厚度、单元结构111图案的大小尺寸等。根据设计单元结构111组成的超材料层，可以在150KHz-1000MHz的低频范围内电磁屏蔽效能SE 大于51dB，即电磁波屏蔽效率达到99%，并且在低于100MHz时屏蔽效能达到70dB以上。并且所设计的结构在不同极化角度和宽角度入射的条件下均具有较高的屏蔽效能。通过使用柔性电路板打印工艺在PI基材上制备金属网栅，这种方法仅需要一个工艺步骤就能实现大面积高精度金属网栅的制造，无需昂贵的设备和模具(掩模)，制备工艺成熟稳定，可实现自动化生产。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，包括：依次层叠的第一超材料层、绝缘层和第二超材料层；
所述第一超材料层和所述第二超材料层上分别包括多个周期性排列的单元结构；所述单元结构呈N×N个周期性排列，N为大于1的正整数；
所述单元结构包括第一方向的金属线和第二方向的金属线，所述第一方向与所述第二方向相交；在所述第一方向上，同层且相邻的所述单元结构中所述第一方向上的所述金属线在同一直线上，并相互连接；在所述第二方向上，同层且相邻的所述单元结构中所述第二方向上的所述金属线在同一直线上，并相互连接；
其中，所述第一超材料层上的所述金属线的线宽大于所述第二超材料层上的所述金属线的线宽；所述第二超材料层上的所述金属线在所述第一超材料层上的垂直投影落在所述第一超材料层上的所述金属线内。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直。
3.根据权利要求1-2任一项所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，在所述第一超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2-3mm，所述金属线的宽度为0.2-0.8mm，所述金属线的厚度为0.01-0.05mm，所述第一超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为4-6mm。
4.根据权利要求3所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，在所述第二超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2-3mm，所述金属线的宽度为0.1-0.4mm，所述金属线的厚度为0.01-0.05mm，所述第二超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为4-6mm。
5.根据权利要求4所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，在所述第一超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2.6mm，所述金属线的宽度为0.6mm，所述金属线的厚度为0.035mm，所述第一超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为5.2mm；
在所述第二超材料层中所述第一方向和所述第二方向上，相邻的所述金属线之间的间距为2.6mm，所述金属线的宽度为0.4mm，所述金属线的厚度为0.035mm，所述第二超材料层的所述单元结构在所述第一方向和所述第二方向上的周期为5.2mm。
6.根据权利要求1所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，所述第一超材料层和所述第二超材料层的材料为铜。
7.根据权利要求6所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，还包括介质层，所述介质层设置于所述第一超材料层远离所述绝缘层的一侧。
8.根据权利要求7所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，所述介质层的材料采用非透明的电磁屏蔽材料。
9.根据权利要求8所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，所述电磁屏蔽材料包括碳纤维、羰基铁或聚醚醚酮三元电磁双损耗复合材料。
10.根据权利要求7所述的基于超材料的电磁屏蔽结构，其特征在于，所述绝缘层的厚度为0.025mm，所述介质层的厚度为2.5 mm。
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