CN110099556A - 一种宽带电磁屏蔽结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波技术领域，公开了一种宽带电磁屏蔽结构及其设计方法，宽带电磁屏蔽结构包括金属板A、金属板B和两块金属板上的金属凸起阵列；金属凸起阵列包括金属板A上的金属凸起阵列A和金属板B上的金属凸起阵列B；金属凸起阵列A至少包括一个金属凸起A，金属凸起阵列B至少包括一个金属凸起B，同一个位置有且仅有一个金属凸起。本发明交指型电磁屏蔽结构的金属凸起之间的距离是传统结构的一半，因此工作频率更高。且与传统电磁屏蔽结构相比，本发明金属凸起可自由排布在金属板A和金属板B的相应网格节点上，具有更高的设计灵活度，能够满足更复杂的设计需要。

Description

一种宽带电磁屏蔽结构及其设计方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种宽带电磁屏蔽结构及其设计方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
良好的电接触性能是微波、毫米波、太赫兹电路性能保障的关键。为了获得良好的电接触性能，需要采用大量的紧固螺钉对电路进行紧固，同时，为了进一步提高电路的电接触性能，金属构件表面需要进行镀金、镀银处理，价格高昂。另一方面，采用螺钉紧固的电路及其系统在震动条件下，螺钉容易松脱，造成电路及系统性能改变，降低了整个系统的稳定性。因此，对于电接触要求特别严格的情况，需要采用焊接技术将微波、毫米波、太赫兹电路焊接成一个整体。焊接技术虽然解决了电路的电接触问题，但不利于后期电路的维修、改造、升级。
目前已有的基于理想电导体表面和理想磁导体表面的电磁屏蔽结构，金属凸起全部位于一块金属板之上，另一块金属板为光滑金属板，这种结构金属凸起的排布缺少灵活性。另一方面，金属凸起全部排布于一块金属板之上，金属凸起之间的距离较近，不利于该电磁屏蔽结构应用于更高的频段。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术的屏蔽结构金属凸起的排布缺少灵活性，不能满足复杂的设计需要。
(2)现有技术的屏蔽结构尺寸以及屏蔽结构中金属凸起之间的距离与频率呈负相关，因此不利于该电磁屏蔽结构的小型化以及应用于更高的频段。
(3)在高频频段，现有技术的屏蔽结构金属凸起之间的距离过近，不利于提高加工效率的提高及成本的降低。
解决上述技术问题的意义：
(1)本发明宽带电磁屏蔽结构可根据实际设计需要，调整相应网格节点上的金属凸起在金属板A或在金属板B上，且不影响电磁屏蔽禁带范围，提高了设计自由度。
(2)本发明宽带电磁屏蔽结构的金属凸起采用二维交指形式排布，同一块金属板上相邻金属凸起之间的距离大幅度增加，因此可以应用在更高的频段上且有利于器件的小型化；金属凸起之间的距离是传统结构的一半，而同一机械加工中心所能加工最小缝隙的能力是固定的，因此提高了加工速率，降低了加工成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种宽带电磁屏蔽结构及其设计方法。本发明是这样实现的，一种宽带电磁屏蔽结构，所述宽带电磁屏蔽结构是由金属板A、金属板B和两块金属板上的金属凸起阵列组成；金属板A和金属板B通过在四周加紧固螺栓进行装配，而金属凸起阵列是由从金属板A上铣削出的金属凸起阵列A和从金属板B上铣削出的金属凸起阵列B组成；金属凸起阵列A至少包括一个金属凸起A，金属凸起阵列B至少包括一个金属凸起B，同一个位置有且仅有一个金属凸起。
进一步，金属板A和金属板B彼此平行。
进一步，金属凸起阵列按照网格形式排布，且排布满网格的每一个节点，每一个网格节点均有一个金属凸起；网格形式为正方形网格、长方形网格或者平行四边形网格中的一种。
进一步，金属凸起A和金属凸起B的形状为圆柱体、多面柱体、圆台体、多面台体、螺钉或者弹簧中的一种。
进一步，金属凸起阵列A和金属板B之间以及金属凸起阵列B和金属板A之间存在间隙或紧密贴合。
本发明的另一目的在于提供一种宽带电磁屏蔽结构的设计方法包括：金属凸起阵列A的高度为h1，与金属板B的间隙为s1；金属凸起阵列B的高度为h2，与金属板A的间隙为s2；金属凸起的尺寸为w1×w2；金属凸起之间的横向和纵向间距分别为g1和g2；金属凸起的横向和纵向周期分别为p1和p2；具体为：
(1)选择金属凸起的形状和网格排布方式。
(2)确定各个尺寸参数的初始值；金属凸起的高度h1和h2为电磁禁带中心频率f0在真空中波长的四分之一，h1＝h2＝c/(4f0)，c为电磁波在真空中的传播速度；金属凸起之间间距的初始值与金属柱的高度相等，g1＝g2＝c/(4f0)；空气间隙的厚度初始值为零，s1＝s2＝0。
(3)采用电磁计算软件进行色散特性仿真，具有周期特性的结构采用最小单元进行仿真计算；不具有周期特性的结构采用全尺寸仿真，获得禁带频率范围。
(4)根据电磁屏蔽频带随电磁屏蔽结构尺寸的变化规律对金属凸起尺寸、金属凸起阵列A与金属板B的间隙、金属凸起阵列B与金属板A的间隙进行调整。
在本发明中，电磁屏蔽频带随电磁屏蔽结构尺寸的变化规律为：随着金属凸起高度的增加，电磁屏蔽频段会向低频段移动；随着金属凸起间距的增加，电磁屏蔽频段会往低频段移动；随着金属凸起尺寸的增加，电磁屏蔽频段也会往低频段移动；随着空气间隙厚度的增加，电磁屏蔽频带宽度逐渐降低；根据设计需要对其尺寸进行调整，例如，为了使得电磁屏蔽结构的面积尽量的小，可以缩小金属凸起的尺寸以及它们之间的间距，同时增加金属凸起的高度，以维持电磁屏蔽频段不变；为了使得电磁屏蔽结构高度尽量的薄，可以减小金属凸起的高度并增加金属凸起的尺寸或者它们之间的间距。
(5)重复步骤(3)-(4)直到符合设计需求。
进一步，金属凸起A和金属凸起B按照一维交错的形式排布，同一行或者列的金属凸起全部位于同一块金属板之上，相邻行或者列的金属凸起全部位于另一块金属板之上。
进一步，金属凸起A和金属凸起B按照二维交错的形式排布，每一个金属凸起A相邻的金属凸起均是金属凸起B，每一个金属凸起B相邻的金属凸起皆为金属凸起A。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述宽带电磁屏蔽结构的微波电路。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述宽带电磁屏蔽结构的毫米波电路。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明提供的宽带电磁屏蔽结构，可根据实际设计需要，将金属凸起自由排布于两块金属板相应网格形式的节点之上，获得了更大的设计自由度，应用范围更加广泛。
本发明提供的宽带电磁屏蔽结构中金属凸起采用二维交指形式排布时，同一块金属板上相邻金属凸起之间的距离大幅度增加，金属凸起的分布相对稀疏了。同一机械加工中心所能加工最小缝隙的能力是固定的，如果按照最小缝隙极限进行加工，本发明所提的交指型电磁屏蔽结构在装配结束后，金属凸起之间的距离是传统结构的一半，因此工作频率更高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的宽带电磁屏蔽结构示意图。
图中，1、金属板A；2、金属板B；3、金属凸起阵列；4、金属板A上的金属凸起阵列A；5、金属板B上的金属凸起阵列B；6、金属板A上的单个金属凸起A；7、金属板B上的单个金属凸起B。
图2是本发明实施例提供的本发明实施例提供的宽带电磁屏蔽结构的设计方法流程图。
图3是本发明实施例提供的优选实施方式1的三维结构示意图。
图4是本发明实施例提供的优选实施方式1的仿真色散曲线图。
图5是本发明实施例提供的优选实施方式2的三维结构示意图。
图6是本发明实施例提供的优选实施方式2的仿真色散曲线图。
图7是本发明实施例提供的优选实施方式3的三维结构示意图。
图8是本发明实施例提供的优选实施方式3的仿真色散曲线图。
图9是本发明实施例提供的优选实施方式4的三维结构示意图.
图10是本发明实施例提供的优选实施方式4的仿真色散曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术的屏蔽结构金属凸起的排布缺少灵活性。金属凸起之间的距离较近，不利于该电磁屏蔽结构应用于更高的频段。
为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的宽带电磁屏蔽结构包括金属板A 1、金属板B 2、金属凸起阵列3、金属板A上的金属凸起阵列A4、金属板B上的金属凸起阵列B 5、金属板A上的单个金属凸起A 6、金属板B上的单个金属凸起B 7。
其中，两块金属板上的金属凸起阵列3由金属板A1上的金属凸起阵列A 4和金属板B2上的金属凸起阵列B 5构成，金属凸起阵列A 4至少包含一个金属凸起A6，金属凸起阵列B5至少包含一个金属凸起B7，同一个位置有且仅有一个金属凸起，即不存在金属凸起A和金属凸起B面对面分布的情况。
金属凸起阵列A4的高度及其与金属板B2形成的间隙厚度分别为h1和s1；金属凸起阵列B5的高度及其与金属板A 1形成的间隙厚度分别为h2和s2；金属凸起的横向和纵向宽度分别为w1和w2；相邻金属凸起的横向间距和纵向间距分别为g1和g2；金属凸起阵列的横向和纵向周期分别为p1和p2。
下面结合设计方法对本发明作进一步描述。
如图2所示，本发明实施例提供的宽带电磁屏蔽结构的设计方法包括：金属凸起阵列A的高度为h1，与金属板B的间隙为s1；金属凸起阵列B的高度为h2，与金属板A的间隙为s2；金属凸起的尺寸为w1×w2；金属凸起之间的横向和纵向间距分别为g1和g2；金属凸起的横向和纵向周期分别为p1和p2；具体为：
S101，选择金属凸起的形状和网格排布方式。
S102，确定各个尺寸参数的初始值；金属凸起的高度h1和h2为电磁禁带中心频率f0在真空中波长的四分之一，h1＝h2＝c/(4f0)，c为电磁波在真空中的传播速度；金属凸起之间间距的初始值与金属柱的高度相等，g1＝g2＝c/(4f0)；空气间隙的厚度初始值为零，s1＝s2＝0。
S103，采用电磁计算软件进行色散特性仿真，具有周期特性的结构采用最小单元进行仿真计算；不具有周期特性的结构采用全尺寸仿真，获得禁带频率范围。
S104，根据电磁屏蔽频带随电磁屏蔽结构尺寸的变化规律对金属凸起尺寸、金属凸起阵列A与金属板B的间隙、金属凸起阵列B与金属板A的间隙进行调整。
S105，重复步骤S103-S104直到符合设计需求。
在本发明优选实施例中，金属凸起A和金属凸起B按照一维交错的形式排布，同一行或者列的金属凸起全部位于同一块金属板之上，相邻行或者列的金属凸起全部位于另一块金属板之上。
在本发明优选实施例中，金属凸起A和金属凸起B按照二维交错的形式排布，每一个金属凸起A相邻的金属凸起均是金属凸起B，每一个金属凸起B相邻的金属凸起皆为金属凸起A。
在本发明实施例中，电磁屏蔽频带随电磁屏蔽结构尺寸的变化规律为：随着金属凸起高度的增加，电磁屏蔽频段会向低频段移动；随着金属凸起间距的增加，电磁屏蔽频段会往低频段移动；随着金属凸起尺寸的增加，电磁屏蔽频段也会往低频段移动；随着空气间隙厚度的增加，电磁屏蔽频带宽度逐渐降低；根据设计需要对其尺寸进行调整，例如，为了使得电磁屏蔽结构的面积尽量的小，可以缩小金属凸起的尺寸以及它们之间的间距，同时增加金属凸起的高度，以维持电磁屏蔽频段不变；为了使得电磁屏蔽结构高度尽量的薄，可以减小金属凸起的高度并增加金属凸起的尺寸或者它们之间的间距。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
如图3所示，本发明提供一种交指型宽带电磁屏蔽结构，至少包括：金属板A，金属板B，金属板A上的金属凸起阵列A，金属板B上的金属凸起阵列B。金属凸起均为正方形金属柱，并按照正方形网格排布，金属凸起阵列A和金属凸起阵列B按照一维交指形式分布于金属板A和金属板B之上，即同一行或者列的金属柱全部位于同一块金属板之上，相邻行或者列的金属柱位于不同的金属板之上。
图4所示为该电磁屏蔽结构的仿真色散图，具体尺寸为：w1＝w2＝0.7mm；s1＝s2＝0.1mm；g1＝g2＝0.7mm；h1＝h2＝1.0mm；p1＝p2＝1.4mm。
实施例2
如图5所示，本发明提供一种交指型宽带电磁屏蔽结构，至少包括：金属板A，金属板B，金属板A上的金属凸起阵列A，金属板B上的金属凸起阵列B。金属凸起均为正方形金属柱，并按照正方形网格排布，金属凸起阵列A和金属凸起阵列B按照二维交指形式分布于金属板A和金属板B之上，即与每一个金属凸起A相邻的金属凸起均为金属凸起B；与每一个金属凸起B相邻的金属凸起均为金属凸起A。
图6所示为该电磁屏蔽结构的仿真色散图，具体尺寸为：w1＝w2＝0.7mm；s1＝s2＝0.1mm；g1＝g2＝0.7mm；h1＝h2＝0.7mm；p1＝p2＝1.4mm。
实施例3
如图7所示，本发明一种交指型宽带电磁屏蔽结构，至少包括：金属板A，金属板B，金属板A上的金属凸起阵列A，金属板B上的金属凸起阵列B。金属凸起均为圆形金属柱，并按照正方形网格排布，金属凸起阵列A和金属凸起阵列B按照二维交指形式分布于金属板A和金属板B之上，即与每一个金属凸起A相邻的金属凸起均为金属凸起B；与每一个金属凸起B相邻的金属凸起均为金属凸起A。
图8所示为该电磁屏蔽结构的仿真色散图，具体尺寸为：w1＝w2＝1.5mm；s1＝s2＝0.1mm；g1＝g2＝1.5mm；h1＝h2＝3.0mm；p1＝p2＝3.0mm。
实施例4
如图9所示，本发明一种采用交指型宽带电磁带隙结构的新型波导结构，至少包括：金属板A，金属板B，金属板A上的金属凸起阵列A，金属板B上的金属凸起阵列B，金属板A和金属板B中间的矩形金属槽。金属凸起均为正方形金属柱，并按照正方形网格排布，金属凸起阵列A和金属凸起阵列B沿着中间金属槽的边沿，按照二维交指形式分布于金属板A和金属板B之上，即与每一个金属凸起A相邻的金属凸起均为金属凸起B；与每一个金属凸起B相邻的金属凸起均为金属凸起A。
图10所示为该波导的仿真S参数，具体尺寸为：w1＝w2＝0.7mm；s1＝s2＝0.1mm；g1＝g2＝0.7mm；h1＝h2＝0.7mm；p1＝p2＝1.4mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带电磁屏蔽结构，其特征在于，所述宽带电磁屏蔽结构是由金属板A、金属板B和两块金属板上的金属凸起阵列组成；金属板A和金属板B通过在四周加紧固螺栓进行装配，而金属凸起阵列是由从金属板A上铣削出的金属凸起阵列A和从金属板B上铣削出的金属凸起阵列B组成；金属凸起阵列A至少包括一个金属凸起A，金属凸起阵列B至少包括一个金属凸起B，同一个位置有且仅有一个金属凸起。
2.如权利要求1所述的宽带电磁屏蔽结构，其特征在于，金属板A和金属板B彼此平行。
3.如权利要求1所述的宽带电磁屏蔽结构，其特征在于，金属凸起阵列按照网格形式排布，且排布满网格的每一个节点，每一个网格节点均有一个金属凸起；网格形式为正方形网格、长方形网格或者平行四边形网格中的一种。
4.如权利要求1所述的宽带电磁屏蔽结构，其特征在于，金属凸起A和金属凸起B的形状为圆柱体、多面柱体、圆台体、多面台体、螺钉或者弹簧中的一种。
5.如权利要求1所述的宽带电磁屏蔽结构，其特征在于，金属凸起阵列A和金属板B之间以及金属凸起阵列B和金属板A之间存在间隙或紧密贴合。
6.一种如权利要求1所述宽带电磁屏蔽结构的设计方法，其特征在于，所述宽带电磁屏蔽结构的设计方法包括：金属凸起阵列A的高度为h1，与金属板B的间隙为s1；金属凸起阵列B的高度为h2，与金属板A的间隙为s2；金属凸起的尺寸为w1×w2；金属凸起之间的横向和纵向间距分别为g1和g2；金属凸起的横向和纵向周期分别为p1和p2；具体为：
(1)选择金属凸起的形状和网格排布方式；
(2)确定各个尺寸参数的初始值；金属凸起的高度h1和h2为电磁禁带中心频率f0在真空中波长的四分之一，h1＝h2＝c/(4f0)，c为电磁波在真空中的传播速度；金属凸起之间间距的初始值与金属柱的高度相等，g1＝g2＝c/(4f0)；空气间隙的厚度初始值为零，s1＝s2＝0；
(3)采用电磁计算软件进行色散特性仿真，具有周期特性的结构采用最小单元进行仿真计算；不具有周期特性的结构采用全尺寸仿真，获得禁带频率范围；
(4)根据电磁屏蔽频带随电磁屏蔽结构尺寸的变化规律对金属凸起尺寸、金属凸起阵列A与金属板B的间隙、金属凸起阵列B与金属板A的间隙进行调整；
(5)重复步骤(3)-(4)直到符合设计需求。
7.如权利要求6所述的宽带电磁屏蔽结构的设计方法，其特征在于，金属凸起A和金属凸起B按照一维交错的形式排布，同一行或者列的金属凸起全部位于同一块金属板之上，相邻行或者列的金属凸起全部位于另一块金属板之上。
8.如权利要求6所述的宽带电磁屏蔽结构的设计方法，其特征在于，金属凸起A和金属凸起B按照二维交错的形式排布，每一个金属凸起A相邻的金属凸起均是金属凸起B，每一个金属凸起B相邻的金属凸起皆为金属凸起A。
9.如权利要求7、8所述的宽带电磁屏蔽结构的设计方法，其特征在于，可根据实际设计需要，调整相应网格节点上的金属凸起分布在金属板A或在金属板B上。
10.一种利用权利要求1所述宽带电磁屏蔽结构的微波电路和毫米波电路。
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