CN106572625A - 一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其包含：由外来电磁波的照射方向由外至里依次设置的反射屏蔽层、电介质层、FSS表面以及高损耗介质层；反射屏蔽层具有高电磁波屏蔽效能对电磁波起到反射作用；电介质层对突破四分之一波长厚度的限制起到作用；FSS表面由若干周期排列在电介质层上的正方形金属贴片构成，当电磁波入射到该表面时，反射波与入射波电场的相位相同，具有电场同相反射特性，且该FSS表面弥补了反射屏蔽层低频屏蔽效能的不足实现对电磁波的强吸收；高损耗介质层结合FSS表面的电场同相反射特性实现对电磁波的强吸收。其优点是：实现对外来电磁波的反射屏蔽以及对透射的杂波进行强吸收转化的目的，大大减弱电磁波的二次散射。

Description

一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构

技术领域

本发明涉及电子信息技术中电磁屏蔽材料设计领域，具体涉及一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构。

背景技术

随着电子科学技术的发展，电器及电子设备已逐渐运用到了我们生活中的各个角落，这使得无论是民用上还是军用设备，电磁环境都日益复杂。电磁屏蔽材料由于使用方便、对电子设备影响小，已被广泛应用于电子系统电磁兼容性能整改。

电磁屏蔽材料是指能够对电磁波进行有效阻挡的一类材料，根据其屏蔽机理大致可分为两种：反射型电磁屏蔽材料和吸收型电磁屏蔽材料。反射型电磁屏蔽材料主要通过导电颗粒配制出导电性复合材料，实现对电磁波的强反射，达到良好的屏蔽效果，如中国发明专利“轻质导电屏蔽复合材料及其制备方法”（公开号：CN105086300A）发明专利“一种电磁屏蔽材料导电橡胶用镍包覆石墨粉的制备方法”（公开号：CN105063580A）、发明专利“自粘性导电硅橡胶电磁屏蔽材料”（公开号：CN105131612A）、发明专利“一种磁屏蔽导电涂料及其制备方法”（公开号：CN105199513A）、发明专利“一种电磁屏蔽效果的导电塑料漆及其制备方法”（公开号：CN105176266A）、发明专利“一种碳纤维固性粉末电磁屏蔽涂料”（公开号：CN105199565A）等，这类屏蔽贴片只能对电磁波进行反射，无法对其进行吸收转化，特别是屏蔽空间内电磁场强增强，降低电子设备的性能及运行的稳定性，严重时甚至引起腔内谐振现象的发生。吸收型电磁屏蔽材料主要通过电磁吸波颗粒配制出吸收型复合材料，通过对电磁波的吸收来实现电磁屏蔽的效果，如发明专利“一种具有高效屏蔽与电磁吸收的电磁防护膜”（公开号：CN103619154A）、发明专利“一种宽带的电磁吸波结构”（公开号：CN105098374A）、实用新型专利“一种便携式敷贴型吸波片”（公开号：CN204929547U）等，这类屏蔽材料普遍存在屏蔽效能低、材料厚度大、宽频吸收困难等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，该电磁屏蔽结构由反射屏蔽层、电介质层、FSS表面和高损耗介质层组成，能够在宽频范围内具有优异的屏蔽效能，并且吸收峰值位置与屏蔽能曲线谷底位置基本重合，实现对外来电磁波的反射屏蔽以及对透射的杂波进行强吸收转化的目的，大大减弱了电磁波的二次散射。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其特征是，利用反射屏蔽结构以及高阻抗表面吸波结构组成，该新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构包含：

由外来电磁波的照射方向由外至里依次设置的反射屏蔽层、电介质层、FSS表面以及高损耗介质层；

所述的反射屏蔽层具有高电磁波屏蔽效能对电磁波起到反射作用；

所述电介质层对突破四分之一波长厚度的限制起到作用；

所述FSS表面由若干周期排列在电介质层上的正方形金属贴片构成，从而形成高阻抗功能表面，当电磁波入射到该表面时，反射波与入射波电场的相位相同，具有电场同相反射特性，且该FSS表面弥补了所述反射屏蔽层低频处屏蔽效能的不足实现对电磁波的强吸收；

所述高损耗介质层结合FSS表面的电场同相反射特性实现对电磁波的强吸收。

上述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其中：

所述的反射屏蔽层为导电性复合材料。

上述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其中：

所述反射屏蔽层厚度为0.5mm、导电率为200S/m。

上述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其中：

通过FSS表面调节金属贴片的大小和周期间隔进行屏蔽效能和吸波性能的优化。

上述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其中：

所述高介质损耗层的厚度为0.05mm，介电常数为11.5-j*2.1。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、该电磁屏蔽结构由反射屏蔽层、电介质层、FSS表面和高损耗介质层组成，能够在宽频范围内具有优异的屏蔽效能，并且吸收峰值位置与屏蔽能曲线谷底位置基本重合，实现对外来电磁波的反射屏蔽以及对透射的杂波进行强吸收转化的目的，大大减弱了电磁波的二次散射；

2、为了使反射屏蔽层能够对宽频电磁波都具备优异的反射屏蔽效果，工程上常见的做法是增加反射屏蔽层的厚度，在本发明提出的一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构中，反射屏蔽层的屏蔽效能不是决定整个电磁屏蔽结构屏蔽效能的唯一因素；

3、FSS表面对低频电磁波的屏蔽效果好，能够弥补反射屏蔽层低频处屏蔽效能的不足，并且通过调节金属贴片的大小和周期间隔，可以对该反射吸收一体化电磁屏蔽结构的屏蔽效能和吸波性能进行优化；

4、由于FSS表面对入射的电磁波具有电场同相反射特性，仅通过很薄一层的高损耗介质层就能够实现对电磁波的强吸收，与FSS表面一起能够很好地解决了介电损耗型吸波材料厚度大的弊端。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的发射屏蔽层的厚度对屏蔽效能的影响；

图3为本发明的发射屏蔽层的厚度对吸波性能的影响；

图4为本发明的FSS表面金属贴片大小对屏蔽效能的影响；

图5为本发明的FSS表面金属贴片大小对吸波性能的影响；

图6为本发明的高损耗介质层的厚度对屏蔽效能的影响；

图7为本发明的高损耗介质层的厚度对吸波性能的影响。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1、2所示；一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其利用反射屏蔽结构以及高阻抗表面吸波结构组成，该新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构包含：由外来电磁波的照射方向由外至里依次设置的反射屏蔽层1、电介质层2、FSS表面（频率选择表面）3以及高损耗介质层4。

所述的反射屏蔽层1具有高电磁波屏蔽效能对电磁波起到反射作用，其为导电性复合材料，可通过向基底粘结剂中添加导电颗粒制备获得，常用的导电颗粒有金属材质颗粒（如铜、银、镍等），反射屏蔽层1的屏蔽效果由材料的电导率和厚度决定的，而材料的电导率又与材料中导电颗粒的含量有关，但为了使反射屏蔽兼顾良好的力学性能，导电颗粒添加量不宜过高。反射屏蔽层1对电磁波具有良好的反射作用，普遍对高频电磁波屏蔽效能优异而对低频电磁波屏蔽效能一般。为了使反射屏蔽层1能够对宽频电磁波都具备优异的反射屏蔽效果，工程上常见的做法是增加反射屏蔽层的厚度。在本发明的结构中，反射屏蔽层1的屏蔽效能不是决定整个电磁屏蔽结构屏蔽效能的唯一因素。

所述电介质层2可以选用一些高介电常数、低损耗特性的电介质材料，其作用与经典吸波结构Salisbury屏中的电介质层的作用类似，对突破四分之一波长厚度的限制起到重要的作用。

所述FSS表面3由若干周期排列在电介质层2上的正方形金属贴片构成，从而形成高阻抗功能表面，当电磁波入射到该表面时，反射波与入射波电场的相位相同，具有电场同相反射特性，且该FSS表面3弥补了所述反射屏蔽层1低频处屏蔽效能的不足实现对电磁波的强吸收。并且通过调节金属贴片的大小和周期间隔，可以对本发明的屏蔽效能和吸波性能进行优化。

所述高损耗介质层4具有介电损耗性强的特点，由于FSS表面3对入射的电磁波具有电场同相反射特性，通过很薄一层的高损耗介质层4就能够实现对电磁波的强吸收，与FSS表面3一起能够很好地解决了介电损耗型吸波材料厚度大的弊端。

具体实施时，反射屏蔽层1与电介质层2可直接胶粘，FSS表面3可通过化学镀工艺实现，高损耗介质层4可直接涂敷；反射屏蔽层1为银粉和聚碳酸酯聚氨酯组成的复合材料，电介质层2为炭黑和聚碳酸酯聚氨酯组成的导电性复合材料，FSS表面3为化学镀成型的导电银构成，高损耗介质层4为碳纳米管和聚碳酸酯聚氨酯组成的复合材料。

较佳的，所述反射屏蔽层1厚度为0.5mm、导电率为200S/m；所述高介质损耗层4的厚度为0.05mm，介电常数为11.5-j*2.1，在2GHz~10GHz范围内的屏蔽效能能够达到20 dB以上，吸收峰值能够达到-5dB以下。

现利用商业电磁仿真软件CST Microwave Studio对本发明提出的反射吸收一体化电磁屏蔽结构的屏蔽效能和吸波性能进行仿真计算。仿真计算频率为2GHz~10GHz，反射屏蔽层1的电导率设为200 S/m，介电常数和磁导率都设置为1；电介质层2介电常数为10.4-j*0.1，磁导率为1，厚度为0.5 mm；FSS表面3采用正方形金属贴片式结构，周期单元的边长为5 mm；高损耗介质层4介电常数采用质量分数为5%的碳纳米管与石蜡混合物的介电常数，其值为11.5-j*2.1，磁导率为1。现分别分析反射屏蔽层1的厚度、FSS表面3金属贴片大小以及表面高损耗介质层4的厚度对屏蔽效能和吸波性能的影响。仿真计算过程中，屏蔽效能通过计算S21而获得，吸波性能通过计算材料底面带有全金属反射面时的S11而获得。

首先，仿真计算反射屏蔽层1的厚度对屏蔽效能和吸波性能的影响。仿真计算过程中，反射屏蔽层1厚度分别设置为0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm和0.7 mm，FSS表面3的金属贴片边长设置为4.8 mm，表面高损耗介质层4的厚度设置为0.05 mm，仿真计算结果如图2、3所示，从图2可以可看出：随着反射屏蔽1的厚度增大，在整个频段范围内屏蔽效能都增强；随着频率的增高，本发明提出的反射吸收一体化电磁屏蔽结构的屏蔽效能具有先减弱再增强的变化趋势，这是因为反射屏蔽层对高频电磁波屏蔽效果好、对低频电磁波屏蔽效果一般，而FSS表面3恰好相反，其对低频电磁波屏蔽效果好、对高频电磁波屏蔽效果一般，两者综合后就出现了对高、低频电磁波屏蔽效果好而对居中频率的电磁波屏蔽效果稍有减弱；随着反射屏蔽层1的厚度增大，屏蔽效能曲线谷底的位置基本没有改变。从图3可以可看出：随着反射屏蔽层1的厚度增大，吸收峰值变小，吸收带宽增大，峰值位置有小的飘动；同时，吸收峰值位置与屏蔽能曲线谷底位置基本吻合在一起，这说明本发明提出的反射吸收一体化电磁屏蔽结构能够对透射的绝大部分电磁波进行强吸收，从而大大减弱了电磁波的二次散射。

其次，仿真计算FSS表面3金属贴片大小对屏蔽效能和吸波性能的影响。仿真计算过程中，FSS表面3的金属贴片边长分别设置为4.0 mm、4.2 mm、4.4 mm、4.6 mm和4.8 mm，反射屏蔽层厚度设置为0.5 mm，表面高损耗介质层的厚度设置为0.05 mm，仿真计算结果如图4、5所示，从图中可以可看出：反射屏蔽层1厚度设置为0.5 mm，表面高损耗介质层4的厚度设置为0.05 mm，在整个频段范围内的屏蔽效能能够达到20 dB以上，吸收峰值能够达到-5dB以下；随着FSS表面3的金属贴片增大屏蔽效能曲线谷底位置朝低频移动，同时吸收峰值位置也随着一起向低频移动，吸收峰值处吸收性能有减弱的趋势，吸收峰值位置与屏蔽能曲线谷底位置能够保持吻合在一起，这说明本发明提出的反射吸收一体化电磁屏蔽结构具备对透射的绝大部分电磁波进行强吸收的特点，从而能够大大减弱了电磁波的二次散射。

最后，仿真计算表面高损耗介质层4的厚度对屏蔽效能和吸波性能的影响。仿真计算过程中，表面高损耗介质层4的厚度分别设置为0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm和0.25 mm，反射屏蔽层1厚度设置为0.5 mm，FSS表面3的金属贴片边长设置为4.8 mm。仿真计算结果如图6、7所示。从图中可以看出：随着表面高损耗介质层4的厚度增大，屏蔽效能曲线和吸收性能曲线变化不大，这有利于制备出超薄的反射吸收一体化电磁屏蔽材料。

综上所述，针对本发明提出的反射吸收一体化电磁屏蔽结构，可以通过调节反射屏蔽层1的厚度以及FSS表面3金属贴片大小进行屏蔽效能与吸波性能优化，而该结构对表面高损耗介质层4的厚度不敏感，可备出超薄的反射吸收一体化电磁屏蔽材料。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其特征在于，利用反射屏蔽结构以及高阻抗表面吸波结构组成，该新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构包含：

由外来电磁波的照射方向由外至里依次设置的反射屏蔽层（1）、电介质层（2）、FSS表面（3）以及高损耗介质层（4）；

所述的反射屏蔽层（1）具有高电磁波屏蔽效能对电磁波起到反射作用；

所述电介质层（2）对突破四分之一波长厚度的限制起到作用；

所述FSS表面（3）由若干周期排列在电介质层（2）上的正方形金属贴片构成，从而形成高阻抗功能表面，当电磁波入射到该表面时，反射波与入射波电场的相位相同，具有电场同相反射特性，且该FSS表面（3）弥补了所述反射屏蔽层（1）低频处屏蔽效能的不足实现对电磁波的强吸收；

所述高损耗介质层（4）结合FSS表面（3）的电场同相反射特性实现对电磁波的强吸收。

2.如权利要求1所述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其特征在于：

所述的反射屏蔽层（1）为导电性复合材料。

3.如权利要求1所述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其特征在于：

所述反射屏蔽层（1）厚度为0.5mm、导电率为200S/m。

4.如权利要求1所述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其特征在于：

通过FSS表面（3）调节金属贴片的大小和周期间隔进行屏蔽效能和吸波性能的优化。

5.如权利要求1或3所述的新型反射吸收一体化电磁屏蔽结构，其特征在于：

所述高介质损耗层（4）的厚度为0.05mm，介电常数为11.5-j*2.1。