CN101222839A - 一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗 - Google Patents

Abstract

一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗属于光学透明件电磁屏蔽技术领域，电磁屏蔽光学窗由两层圆环金属网栅加载于光学窗两侧构成，每层圆环金属网栅均由金属圆环单元按二维正交排列方式密接排布构成，且两层圆环金属网栅的圆环外直径大于传统单层方格金属网栅方格边长的π/2倍，两层圆环金属网栅的间距为圆环外直径的2～4倍，相对于传统单层方格金属网栅，具有双层圆环金属网栅结构的光学窗在不降低透光率的同时，大幅度提高了屏蔽效率，并且均化了高级次衍射能量分布，解决了已有光学窗电磁屏蔽技术中高透光率、强电磁屏蔽效率和低成像质量影响不能同时兼顾的问题。

Description

一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗

技术领域

本发明属于航空航天装备、通讯设备和保密设施等光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗。

背景技术

随着各种电子设备的广泛应用，电磁波应用频谱的展宽和强度的增加，对航空航天装备等领域应用的光学窗提出了越来越高的要求，其集中体现就是要求光学窗在具有高透明度和对成像质量影响小的同时，还具有超强的宽波段电磁屏蔽能力。特别是在航空航天装备领域，要求飞行器的光学窗在保证高透明度以完成探测或成像任务的同时，必须高品质的实现舱内外的电磁信号隔离，一方面屏蔽外部电磁干扰和有害电磁信号，以免造成舱内电子设备失效，一方面防止舱内电子设备工作时电磁信号透出光学窗造成电磁泄漏。对于党政机关、军事指挥场所、重要科研单位等保密设施，也需要对其房屋的窗玻璃在保证采光性的同时，进行电磁屏蔽设计，以防止室内电脑等电子设备工作时重要信息以电磁辐射形式向窗外传播造成泄密。目前光学窗的电磁屏蔽主要采用透明导电薄膜、金属诱导透射型多层膜结构、带阻型频率选择表面和金属网栅等技术实现。

透明导电薄膜主要指透明金属氧化物薄膜，最常用的是氧化铟锡，能屏蔽较宽的微波波段，但对微波衰减能力不强因而屏蔽效果不佳，且一般只用于透可见光的场合，不能兼顾较宽的透光波段。金属诱导透射型多层膜结构包含有单层或者多层薄金属膜，对低频微波屏蔽能力较强，然而透光区域主要为可见光和紫外光，且透光率不高。带阻型频率选择表面一般通过精确设计其单元的图形和尺寸，可实现单个窄波段或多个窄波段的电磁屏蔽，但难以实现宽波段电磁屏蔽。对于从甚高频到微波这一应用最广泛的宽波段进行强电磁屏蔽，同时又要保证光学窗在较宽的透光波段内(如从红外到可见光区域)具有高的透明度，上述各技术方案均存在明显的不足。相比而言，金属网栅的结构参数可以灵活控制，特别是当网栅周期在毫米或亚毫米量级时，由于其远大于红外和可见光波长，可以实现高透光率，而又远小于微波波长，可以实现较强的低频宽波段电磁屏蔽，这一特性使得基于金属网栅频率滤波原理的光学窗电磁屏蔽技术获得了广泛的关注和研究，例如：

1.专利03135313.5“一种电磁屏蔽观察窗”用单重或多重金属丝网以及类半导体量子阱结构组合成电磁屏蔽结构，可实现10GHz以内超过50dB的屏蔽效率，该结构在可见光高透射区域的透光率达到50％以上；

2.专利93242068.0“电磁屏蔽玻璃”在两层玻璃之间夹导电金属网，在玻璃外侧用导电透明膜使之粘合在金属窗框上以构成电磁屏蔽结构，该结构有一定的采光性；

3.专利94231862.5“无莫尔条纹电磁屏蔽观察窗”采用由两层数目不同的金属网平行放置，且它们经线或者纬线有一定的夹角，以达到克服莫尔条纹现象，实现更清晰的视野；

4.专利02157954.7“高屏效防信息泄漏玻璃”在金属丝网两侧各有一层聚碳酸脂胶片，胶片外侧各贴附一层玻璃，最后热压而成电磁屏蔽结构，该结构在透光率达到60％的情况下，具有较强的屏蔽效率；

5.专利200610084149.8“电磁波屏蔽薄膜及其制造方法”描述了一种由光刻工艺形成的具有金属网状图案的高透明电磁屏蔽薄膜，该发明的主要目的在于减少金属耗用量和克服在金属层和薄膜基材之间使用固化胶造成的环境污染；

上述各方案由于采用金属网栅(或金属丝网)作为屏蔽的核心器件，可以实现较好的电磁屏蔽效果和一定的透光率。但目前金属网栅主要为附图2所示的传统方格网栅结构，其透光能力与屏蔽能力存在固有的矛盾，难以同时兼顾高透光率和强电磁屏蔽效率，而且方格金属网栅的高级次衍射能量主要集中在互相垂直的两轴上，对成像质量有一定的影响，甚至在高成像质量要求场合难以应用。专利200610010066.4“具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”提出用金属圆环构建成圆环金属网栅，有效避免了方格金属网栅高级次衍射能量集中分布的缺点，并可以缓解其透光能力与屏蔽能力的矛盾。然而人们对电磁屏蔽光学窗的透光能力和电磁屏蔽能力的要求在不断提高，尤其是在航空航天装备领域，已经要求光学窗达到95％的透光率的同时，在低于20GHz的微波频率范围实现30dB以上的屏蔽效率，这使得现有的技术难以实现。尽管显而易见的，增加金属网栅的层数可以提高屏蔽效率，如前述专利94231862.5和专利200610084149.8就曾提及，但直接将多个网栅叠加起来会导致透光能力显著降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的光学窗电磁屏蔽技术方案的不足，特别是针对传统单层方格金属网栅存在高透光率和强电磁屏蔽效率不能兼顾的问题，提出一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，利用双层金属网栅间距对透光性能和屏蔽性能的不同影响规律，来选择网栅的周期和间距，以实现在透光率基本不变的情况下，大幅度提高屏蔽效率。

本发明采用的技术方案是：该窗由两层圆环金属网栅平行放置于光学窗透明基片或衬底的两侧构成，两层圆环金属网栅具有相同的单元外形和结构参数，且都由具有圆环外形的金属网栅单元按二维正交排列方式密接排布构成网栅阵列，相邻圆环在切点处覆盖适当面积的金属，两层圆环金属网栅的圆环外直径大于已有单层方格金属网栅方格边长的忧倍，两层圆环金属网栅的间距为圆环外直径的2～4倍。

上述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的圆环外直径必须小于屏蔽最小波长的0.5倍。

上述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的圆环部分由导电性能良好的金属或者合金构成，且金属厚度大于200nm。

上述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的圆环金属网栅与光学窗透明基片材料之间要用铬或者钛材料构成粘接层。

上述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的附有双层圆环金属网栅的光学窗要与窗框或其它形式的外接部分电联接。

上述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，在圆环金属网栅的表面镀增透膜。

上述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，在圆环金属网栅的表面镀保护膜。

本发明的创新性和具有的良好效果如下：

1.利用双层金属网栅的间距(衬底层厚)对透光性能影响甚微，而对屏蔽性能影响显著的特点，优化选择双层间距为2～4倍圆环外直径，以使得双层金属网栅之间的的电磁耦合最强，可显著提高屏蔽效率，而此时透光性能基本不受影响，这是双层圆环网栅结构的创新性之一；

2.利用双层金属网栅的透光率与网栅孔隙率关系密切，而受双层网栅间距影响不大的特点，将双层圆环金属网栅的周期即圆环外直径增大为单层方格网栅周期即方格边长的π/2倍以上以增大其孔隙率，使之与已有单层方格网栅相比，透光性能不会降低，避免了将单层方格网栅简单叠加造成透光能力显著降低的缺点，这是双层圆环金属网栅的创新性之二；

3.采用圆环金属网栅作为基本屏蔽单元，利用连续金属圆环具有的均化高级次衍射能量分布的特性，可克服传统方格金属网栅存在的高级次衍射能量集中分布的缺点，有利于提高成像质量，这是双层圆环金属网栅的创新性之三；

4.本发明提出的双层圆环金属网栅，两层网栅是平行排列的，每层网栅的圆环单元都按二维正交阵列排布，可使其对入射电磁波的极化状态不敏感；

5.本发明提出的双层圆环金属网栅，保持了传统方格金属网栅屏蔽波段宽、透光波段宽的优点，且未造成其它不利影响。

附图说明

附图1是本发明的一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗剖面结构示意图。

附图2是已有的单层方格金属网栅结构示意图。

附图3是本发明的双层圆环金属网栅结构示意图。

附图4是本发明的双层圆环金属网栅相邻金属圆环切点处的一种联接方式示意图。

附图5是本发明的双层圆环金属网栅与已有单层方格金属网栅透光率比较示意图。

附图6是本发明的双层圆环金属网栅与已有单层方格金属网栅屏蔽效率比较示意图。

附图7是本发明的双层圆环金属网栅衍射斑分布示意图。

附图8是已有单层方格金属网栅衍射斑分布示意图。

具体实施方式

本发明的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗的实施例和附图详细说明如下：

附图1是本发明的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗的一种典型优选结构剖面示意图。图中3和7分别为单层圆环金属网栅结构层，它们的结构参数相同，且平行排列；图中5为光学窗透明材料基片层，材料可为任意透明材料，只要其能够作为满足使用场合要求的透明光学窗材料，同时能够将圆环金属网栅3和7按一定的工艺流程加工于其上；图中4为连接光学窗基片5和圆环金属网栅3的粘接层，6为连接光学窗基片5和圆环金属网栅7的粘接层，粘接层的优选材料是铬、钛等材料，特殊情况下也可不用粘接层，如直接在衬底表面溅射金属制作网栅或将网栅加载于两片基片之间；图中2为镀在圆环金属网栅3表面的保护层，8为镀在圆环金属网栅7表面的保护层，保护层2和8可以是单层或者多层结构，目的是防止网栅的金属部分长期暴露于空气中造成腐蚀和氧化，降低屏蔽能力，同时也防止金属网栅3和7被划伤，但保护层依据光学窗的工作环境需求，并非必须；图中1和9为单层或者多层增透膜层，目的是增强光学窗的透光能力，增透膜层1和9依据工作环境要求，可以同时用，也可以只用一个，也可以都不用。

附图3是本发明的双层圆环金属网栅结构示意图，两层结构参数相同的圆环金属网栅平行排列分布于光学窗基片两侧。网栅单元为圆环金属片，材料为导电性能良好的金属或者合金，如金、银、铜、铝等，为保证良好的导电性，要求金属圆环的厚度一般要大于200nm，以使该层金属的电导率接近其直流电导率；在网栅平面内，圆环金属片单元按二维正交排列分布，每个金属环都与周围四个相邻金属环在切点处紧密联接，为保证金属环切点间是可靠的电联接，在相邻金属环的切点处作一定面积的金属覆盖(覆盖部分面积尽量小)，附图4是一种优选的联接方式，其中a为金属网栅的线宽，要求相邻圆环切点的覆盖部分(矩形)在保证c＞a的条件下，b按加工工艺水平越小越好。依据不同的加工方法和工艺水平，圆环切点处也可以采用其它联接方式。根据电磁散射理论，圆环周期即圆环外直径g_r要小于屏蔽最小波长的0.5倍，以使电磁波入射圆环金属网栅后其散射场以后向散射为主，实现良好的屏蔽效率。

显而易见的，当两层金属网栅简单叠加到一起时，在提高屏蔽效率的同时，会造成透光能力的降低。为了使双层金属网栅的透光能力和屏蔽能力获得最好的平衡，需要研究双层金属网栅的透光性能和屏蔽性能与网栅的结构参数(网栅周期、线宽和双层间距)的关系，进而选取出最优的网栅结构参数，以使双层网栅获得最好的屏蔽效果，同时达到高的透光能力。下面详述本发明的双层圆环金属网栅的结构参数的选取，以及其相对于传统单层方格网栅的性能改善。

对于附图2所示的单层方格金属网栅，其透光率T_s可由其周期g_s和线宽a_s表示为：

$T_s={\left(\frac{g_s-{2a}_s}{g_s}\right)}^2---\left(1\right)$

对于附图3所示的双层圆环金属网栅，标量衍射理论分析表明，间距h_r对其透光率T_dr影响很小，透光率T_dr可仅用圆环金属网栅的周期g_r和线宽a_r表示如下：

$T_{\mathrm{dr}}={[1-0.25\mathrm{\π}(1-{\left(\frac{g_r-{2a}_r}{g_r}\right)}^2)]}^2---\left(2\right)$

为使双层圆环金属网栅与单层方格金属网栅具有相同的透光率，即T_s＝T_dr，可由公式(1)和(2)联合求解得到：

$g_s=\frac{{2a}_s{g}_r^2}{\mathrm{\π}(g_r{a}_r-a_r^2)}---\left(3\right)$

公式(3)即是双层圆环金属网栅与单层方格金属网栅具有相同透光率时，它们结构参数(周期和线宽)之间的关系。由于网栅线宽越细性能越好，假设圆环网栅和方格网栅都取现有技术能加工出的最小宽度，令a_s＝a_r＝a，则公式(3)变为：

$g_s=\frac{{2g}_r^2}{\mathrm{\π}(g_r-a)}---\left(4\right)$

为了实现高透光率，要求g_r＞＞a，此时由公式(4)可进一步得到：

$g_r\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}{g}_s---\left(5\right)$

公式(5)即是在网栅线宽相同条件下，双层圆环金属网栅与单层方格金属网栅具有相同透光率时它们周期之间的关系。但由于网栅线宽在加工时比较难保证一致性，因此为了确保双层圆环金属网栅的透光性能，可以将其周期适当放大，根据实际情况选择g_r＞πg_s/2，即两层圆环金属网栅的圆环外直径大于已有单层方格金属网栅方格边长的π/2倍。

由于双层金属网栅的间距对其透光性能影响很小，这就为双层金属网栅屏蔽性能的最优化提供了一个优化变量。严格的电磁散射矢量理论分析表明，双层金属网栅的屏蔽效率随间距的增大而迅速增加，且增加趋势在间距达到3倍网栅周期后开始迅速变缓，另一方面，双层金属网栅在微波波段是一种典型的法布里-珀罗结构，随着间距的增加，其首个透射共振频率将移动到低频微波区域，甚至达到人们所关心的屏蔽波段，造成屏蔽性能降低。基于上述理论分析结果，为实现在20GHz乃至40GHz以内的低频微波波段良好的屏蔽效率，双层圆环金属网栅的间距不宜超过2mm，以避免透射共振效应的不利影响，在此前提下，最佳间距选择为圆环网栅周期即圆环外直径的2～4倍，且越接近4倍效果越好。

圆环金属网栅具有高级次衍射均匀分布的优点，当组成双层时，标量衍射理论分析表明，双层圆环金属网栅仍然保持高级次衍射均匀分布的特性。因而按上述原则选择双层圆环金属网栅的结构参数时，由于双层圆环网栅的总透光率不低于单层方格金属网栅，即高级次衍射产生的杂散光总量减小，且由于其高级次衍射能量的均匀分布，造成总量减小的杂散光又分布均匀，因而双层圆环金属网栅的高级次衍射对成像质量的影响比单层方格金属网栅要小。

为了验证上述双层圆环金属网栅结构参数选择的有效性，通过紫外光刻技术制备了金属网栅样件，其中双层圆环金属网栅样件的周期为g_r＝320μm，线宽为a_r＝3.52μm，双层间距为h_r＝1mm，方格金属网栅样件的周期为g_s＝160μm，线宽为a_s＝2.97μm，衬底厚度为h_s＝1mm，两个网栅样件的衬底材料均为石英玻璃。分别对两个网栅样件的透光率、电磁屏蔽效率和衍射斑分布进行了实验测试。

附图5是双层圆环金属网栅样件与单层方格金属网栅样件透光率实测结果比较示意图，实验结果表明，它们的透光率非常接近，在可见光波段都达到90％以上，在520～680nm的波段可以达到95％以上。

附图6是双层圆环金属网栅样件与单层方格金属网栅样件屏蔽效率实测结果比较示意图，实验结果表明，双层圆环金属网栅比单层方格金属网栅的屏蔽效率提高12dB以上，在18GHz以内微波波段屏蔽效率超过35dB。

附图7是双层圆环金属网栅样件的衍射斑分布实测图，附图8是单层方格金属网栅样件的衍射斑分布实测图，实测结果表明，双层圆环金属网栅的高级次衍射分布更加均匀。

以上实验结果充分说明，按上述原则选择双层圆环金属网栅的结构参数后，相对于已有的单层方格金属网栅，在透光率不降低的情况下，屏蔽效率获得了大幅度的提高，且高级次衍射分布均匀，可满足特定应用场合对同时实现高透光率、强电磁屏蔽效率和低成像质量影响的要求。随着加工技术的进步，金属网栅的线宽可以进一步减小，其周期也相应减小，双层圆环金属网栅可实现更高的透光率和更强的屏蔽效率，满足未来一些场合的使用要求，如屏蔽毫米波波段。

本发明的圆环金属网栅可以采用如下的加工方法制作：由机械刻划或者激光束、离子束和电子束直写等方式制作掩模，对已经选好厚度(即为双层间距)的透明衬底进行清洗后，在其两侧溅射成金属薄膜(或者先镀铬、钛等材料作为粘接层，其上再镀金属薄膜)，然后涂覆光刻胶，利用已加工好的掩模进行光刻，最后进行干法或者湿法刻蚀，去胶后在衬底两侧均得到圆环金属网栅图案。此外，也可以省去掩模制作环节，而直接采用激光直写的办法在衬底两侧制作圆环金属网栅图案，其它的微电子加工工艺流程或二元光学元件制作流程等也可以用来制作本发明的双层圆环金属网栅。

附图1作为一个优选的实施例，其中透明衬底5本身即可为需要进行电磁屏蔽的光学窗；此外，在光学窗本身厚度较大的情况下或者由于应用的限制，也可以通过选择合适厚度和材料的透明衬底，先将附图1的结构完整的制作出来，然后将其整体加载到光学窗的一侧以实现电磁屏蔽。

本发明所涉及的光学窗材料由实际应用场合决定，可以是普通玻璃、光学玻璃、石英玻璃、红外材料、透明树脂材料、柔性透明材料等，本发明的双层圆环金属结构要根据光学窗材料采取合适的加工工艺流程使之完全覆盖于光学窗之上，并且能够和窗框等实现可靠的电联接以保证优良的电磁屏蔽功能。实际应用中，圆环金属网栅的两侧可以镀增透膜来增加透光能力，也可以在网栅层表面镀一层保护膜以防止金属结构长期放置于空气中遭到腐蚀或氧化而降低屏蔽能力，也防止网栅层遭到划伤、磨损或其它破坏。

Claims (7)

1.一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是该窗由两层圆环金属网栅平行放置于光学窗透明基片或衬底的两侧构成，两层圆环金属网栅具有相同的单元外形和结构参数，且都由具有圆环外形的金属网栅单元按二维正交排列方式密接排布构成网栅阵列，相邻圆环在切点处覆盖适当面积的金属，两层圆环金属网栅的圆环外直径大于已有单层方格金属网栅方格边长的π/2倍，两层圆环金属网栅的间距为圆环外直径的2～4倍。

2.根据权利要求1所述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是圆环外直径必须小于屏蔽最小波长的0.5倍。

3.根据权利要求1所述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是圆环部分由导电性能良好的金属或者合金构成，且金属厚度大于200nm。

4.根据权利要求1所述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是圆环金属网栅与光学窗透明基片材料之间要用铬或者钛材料构成粘接层。

5.根据权利要求1所述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是附有双层圆环金属网栅的光学窗要与窗框或其它形式的外接部分电联接。

6.根据权利要求1所述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是在圆环金属网栅的表面镀增透膜。

7.根据权利要求1所述的具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是在圆环金属网栅的表面镀保护膜。

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