CN110082607A - 一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片。所述的芯片分为两部分，一部分为慢光吸波结构，分为上下两层，上层由周期性排布的单元组成，周期性单元结构由不同尺寸的方形金属和吸波介质在高度方向交替叠加形成的上窄下宽的多层金字塔结构组成，每个周期性单元结构相同，下层为金属基底，另一部分为红外成像仪。本发明采用一种更简单廉价的芯片，可以在大角度范围内快速测量手机等辐射体的辐射情况，同时改变结构尺寸可以很方便的使其工作在不同波段，大大提高了手机辐射测试的效率和成本。
Description
技术领域
本发明属于电磁波吸收和辐射控制领域，尤其涉及一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片。
背景技术
长期的手机辐射会产生生物的热效应，进而造成对人体的威胁，目前，人们通常测量单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率，即比吸收率 (SAR)来评估辐射源的电磁辐射，但是通常比吸收率的测量需要专业的仪器，十分复杂，并且测试频率范围有限，一般达到6GHz，无法实现对新型的5G 手机(辐射频率在28GHz左右)进行吸收和测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在解决手机辐射安全性测试较为复杂的问题，提供一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片。该芯片能够大角度高效率的吸收辐射波，通过红外热成像仪对样品的在电磁辐射影响下产生的热效应进行标定，能够快速准确的对辐射源的安全性进行测定，只需要改变结构的尺寸，就可以改变芯片的工作频率，进而实现对不限于5G(辐射频率在 28GHz左右)，如4G，3G手机等辐射源的测定。
为了解决上述问题，我们利用慢波原理提出了一种基于慢光效应的辐射测量芯片，将可以激发不同频率慢波模式的不同尺寸的吸波介质堆叠起来形成金字塔结构，实现了较为宽频的大角度的辐射强吸收，辐射吸收引起结构局部温度升高，温升进而引起红外辐射的变化，通过红外热成像仪对温度测定，可以较为简便且快速准确的对辐射源的安全性进行测定，并且具有可以改变结构尺寸工作在不同波段的优势。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片，芯片分为两部分，一部分为吸波结构，其上层是由周期性排布的多层金字塔构成的，下层为金属基底，另一部分为测试部分，即对结构红外性能进行测试的红外热成像仪。
进一步地，所述的芯片分为两部分，一部分为慢光吸波结构，分为上下两层，上层由周期性排布的单元组成，周期为p(p＝2-4mm),周期性单元结构由不同尺寸的方形金属和吸波介质在z方向(高度方向)交替叠加形成的上窄下宽的多层金字塔结构组成，每个周期性单元结构相同，其中最底层结构边长为a1(3mm≤a1≤p)，最顶层结构边长为a2(a2≤2.35mm)，方形金属厚度为tm(tm≤0.035mm)，吸波介质层厚度为td(td≥0.2mm)，金字塔层数为n(n≥10)，其中慢光吸波结构的慢光截止频率在中心频率(28GHz)附近，使得中心频率附近的电磁波分别被强烈局域在金字塔结构的每一层；所述慢光吸波结构的下层为金属基底，厚度为tsub(tsub≥0.2mm)，另一部分为红外成像仪。
上述慢波结构的等效介电常数满足双曲色散超材料的特征，因而可以实现优异的吸波性能，而这种性质是自然界存在的材料所无法实现的。
进一步地，所述周期性排布的结构中，改变最底层结构和最顶层结构的边长a1和a2，可以调节不同位置形成慢波效应的频率大小，进而可以调节芯片的工作频率，a1越大，对应的最小吸波频率越小，a2越小，对应的最大吸波频率越大。
进一步地，所述周期性排布的结构中，增大金字塔层数n可以增强结构的吸收率，调整a1a2所得到的工作频段越宽，需要金字塔层数n就越多，来保证整个金字塔结构在工作频段范围内都有效地支持慢波，进而吸收率在整个工作频段(26-30GHz)都接近1。
进一步地，所述周期性排布的结构通过商用软件CST微波工作室进行数值仿真计算得到，采用频域计算模式，使用TEM电磁波沿z方向正入射到结构表面，结构的x方向和y方向设置为周期性的边界条件，将基底设为较厚的金属板，电磁波的透过率基本为0。
反射率R(ω)和S参数有关：R(ω)＝|S11(ω)|2
微波吸收结构吸收率A(ω)可以通过公式(1)得到：
A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11(ω)|2 (1)
进一步地，所述的红外热成像仪由成像物镜和红外探测器组成，结构通过对辐射体辐射的吸收温度升高，可以通过Pnet＝Prad(T)-Patm(Tamb)确定，其中 Pnet为净吸热功率，Prad(T)为吸收辐射体辐射的功率，Patm(Tamb)为周围环境的辐照度。进而由斯蒂芬-玻尔兹曼定律：W＝εσT4，其中，W为物体辐射的红外能量密度，ε为黑体辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，T为物体温度，可以得到结构所辐射的红外能量与物体温度的四次方成正比，红外热成像仪基于这个原理通过非接触式探测红外能量并将其转换生成热图像或者温度值，就可以间接地对相应的辐射源空间分布安全性进行鉴定。
进一步地，所述多层金字塔结构采用高损耗介质和金属材料交替分布形成，所述高损耗介质损耗正切角在0.02以上，所述金属材料的电导性大于 107S/m。
进一步地，所述的高损耗介质为环氧玻璃布层压板(FR-4)。
进一步地，所述的金属材料为铜(Cu)。
进一步地，所述基底由电导性大于107S/m的金属材料组成。
进一步地，所述的金属材料为铜(Cu)。
进一步地，所述的红外成像仪由成像物镜和红外探测器组成，其热灵敏度大于0.1℃，成像分辨率大于0.01mm，工作在远红外(8-14μm)波段。
进一步地，所述的红外成像仪为FLIR E8。
本发明有益效果如下：
(1)本发明通过简单的周期性多层金字塔结构解决了辐射体安全性检测复杂的难题，实现了对手机辐射信号安全性的快速准确判断，相比于传统的比吸收率测试方法，具有简单高效的优点。
(2)本发明的测试效果对角度并不敏感，可以在很宽的角度范围内都有良好的探测效果。
(3)本发明的宽带吸波效果对于偏振不敏感，对任意偏振态的辐射源都可以实现很好的探测效果。
(4)本发明的结构十分灵活，可以通过改变结构尺寸，调节吸收频段的位置，使其工作在任意辐射频段。
附图说明
图1为一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片的结构示意图。
图2为一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片的整体结构示意图。
图3为芯片在不同温度下的辐射谱线。
图4为芯片在28GHz及其附近的吸收曲线示意图。
图5为芯片在28GHz的电场强度(左)和磁场强度(右)分布图。
图6为芯片在不同偏振态下的吸收曲线。
图7为芯片在不同入射角下的吸收曲线。
图中所示：1——金属，2——高损耗介质，3——基底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片的结构示意图。这种基于慢光效应的新型辐射测量芯片由周期性单元结构组成，每个单元结构都由同样尺寸的金字塔结构构成，其中金字塔由x方向和y方向尺寸相同的吸波介质和金属在z方向交替堆叠构成的。具体而言，基底为一层金属板，厚度约为tsub，用来抑制电磁波的透射，在金属板上是周期性排布的金字塔结构，周期为p，单元结构为吸波介质和金属层交替排布的金字塔结构，其中，吸波介质层厚度为td，介电常数较大，损耗正切角在0.02以上，金属层的厚度为tm，金字塔底层尺寸为a1，顶层尺寸为a2，层数为n。
如图2所示为本发明一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片的整体结构示意图，辐射源位于芯片正上方，辐射出的电磁波被芯片吸收，芯片相应部位温度升高，由斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体温度越高，红外辐射能量越多(如图3所示)，基于此，红外热成像仪探测红外能量并将其转换成热图像或温度值。为防止芯片过热和热量向周围传导，可在短时间内采用间歇式测量，通过和极限安全阈值比较，即可以测定辐射源辐射是否在安全范围内。
使用商用软件CST微波工作室，采用频域计算模式，可以对结构进行设计，使用TEM电磁波沿z方向正入射到结构表面，结构的x方向和y方向设置为周期性的边界条件，将基底设为较厚的金属板，电磁波的透过率基本为 0。反射率R(ω)和S参数有关：R(ω)＝|S11(ω)|2，微波吸收结构吸收率A(ω)可以通过公式(1)得到。将结构的慢波尺寸调整在中心频率附近，就可以优化出较为宽带的吸收结构。
通过场分布图可以看出整个结构中的主要吸收部位，通过红外热成像仪对这部分经过辐射和未经辐射的强度值作对比，再和国际比辐射率标准下所测定的安全阈值进行比较，即可快速准确确定辐射源的安全性。
实施例1
本实施例是用来测定5G手机的辐射(28GHz)情况的新型辐射测量芯片。具体参数如下：基底为一层铜板，厚度tsub约为0.2mm，周期p为4mm，单元结构为环氧玻璃布层压板(FR-4)和铜(Cu)交替排布的金字塔结构，其中， FR-4厚度td为0.2mm，介电常数为4.3，损耗正切角为0.025，Cu的厚度tm为 0.035mm，金字塔底层尺寸a1为3mm，顶层尺寸a2为2.35mm，层数n为10。
通过数值仿真，我们可以得到如图4所示的吸收曲线，可以看到在 26GHz-30GHz吸收均在90％以上，可以实现对辐射源辐射的有效吸收。同时我们也可以得到如图5所示的在28GHz的电场强度和磁场强度的分布图，可以观察到电场和磁场被强烈的局域在金字塔结构中层，在工作频段内，按照工作频率从小到大分别被局域在金字塔从低到高的每一层中，整体造成器件局部温度升高，造成辐射的红外能量波动，通过红外成像系统即可得到升温大小，即辐射源辐射大小。
图6显示了芯片在TE和TM偏振入射下的吸收，在工作频段基本都保持在90％以上，对偏振并不敏感。
图7显示了芯片在不同角度入射下的吸收情况，在大角度(0°～70°) 范围内都可以实现高效的吸收(>90％)，可以有效地提高测试准确性。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述的芯片分为两部分，一部分为慢光吸波结构，分为上下两层，上层由周期性排布的单元组成，周期为p(p＝2-4mm),周期性单元结构由不同尺寸的方形金属和吸波介质在z方向(高度方向)交替叠加形成的上窄下宽的多层金字塔结构组成，每个周期性单元结构相同，其中最底层结构边长为a1(3mm≤a1≤p)，最顶层结构边长为a2(a2≤2.35mm)，方形金属厚度为tm(tm≤0.035mm)，吸波介质层厚度为td(td≥0.2mm)，金字塔层数为n(n≥10)，其中慢光吸波结构的慢光截止频率在中心频率(28GHz)附近，使得中心频率附近的电磁波分别被强烈局域在金字塔结构的每一层；所述慢光吸波结构的下层为金属基底，厚度为tsub(tsub≥0.2mm)，另一部分为红外成像仪。
2.如权利要求1所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，改变最底层结构和最顶层结构的边长a1和a2，可以调节不同位置形成慢波效应的频率大小，进而可以调节芯片的工作频率，a1越大，对应的最小吸波频率越小，a2越小，对应的最大吸波频率越大。
3.如权利要求1所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，增大金字塔层数n可以增强结构的吸收率，调整a1a2所得到的工作频段越宽，需要金字塔层数n就越多，来保证整个金字塔结构在工作频段范围内都有效地支持慢波，进而吸收率在整个工作频段都接近1。
4.如权利要求1所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述多层金字塔结构采用高损耗介质和金属材料交替分布形成，所述高损耗介质损耗正切角在0.02以上，所述金属材料的电导性大于107S/m。
5.如权利要求4所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述的高损耗介质为环氧玻璃布层压板(FR-4)。
6.如权利要求4所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述的金属材料为铜(Cu)。
7.如权利要求1所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述基底由电导性大于107S/m的金属材料组成。
8.如权利要求1所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述的金属材料为铜(Cu)。
9.如权利要求1所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述的红外成像仪由成像物镜和红外探测器组成，其热灵敏度大于0.1℃，成像分辨率大于0.01mm，工作在远红外(8-14μm)波段。
10.如权利要求1所述的基于慢光效应的新型辐射测量芯片，其特征在于，所述的红外成像仪为FLIR E8。
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| PB01 | Publication | ||
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