CN110707436A - 基于超材料的新型平面电磁吸波体结构 - Google Patents

基于超材料的新型平面电磁吸波体结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构。包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层、上层介质基板层、中间层镀铜金属层、下层介质基板层和金属反射层，五部分相邻之间紧密贴合；所述的顶层镀铜金属层和中间层镀铜金属层均为具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构。本发明满足16‑21.2GHz高频范围内宽带的电磁辐射吸收和抑制。该发明专利设计新颖、结构简单，能以周期阵列的方式直接应用在高速封装系统的设计上。

Description

基于超材料的新型平面电磁吸波体结构
技术领域
本发明涉及电磁波传播与接收技术领域，具体是一种用于三维高速电子封装系统上的具有高频宽带电磁辐射吸收和抑制特性的新型电磁超材料的吸波体结构设计。
背景技术
随着集成电路的发展，设计出能抑制电磁干扰的电磁吸波体，对电路设计而言是非常有意义的。随着高速数字电路、高速信号处理、以及射频电路与数字电路集成化等因素，使得三维封装结构内部具有各种复杂的噪声。由于加载吸波体结构具有结构简单、吸收率高、可根据尺寸进行周期阵列设计、灵活度高、成本低廉等优势，成为抑制电磁干扰的有效手段。
吸波体结构最开始是波士顿大学Landy教授等人在2008年首次提出超材料吸波体的概念。多年来，超材料吸波体已经取得了非常重要的进展。通过合理地设计超材料的单元结构，可以使得某一频率下的等效介电常数和等效磁导率相同(实部和虚部分别同时相等)，进而使超材料的输入阻抗与自由空间的阻抗完全匹配，让入射波几乎无反射地被超材料吸收，这就是超材料吸波体的工作原理。
现有抑制电磁辐射的各种超材料吸波体结构设计多种多样。而本发明提出了一种吸收频带覆盖16GHz-21.2GHz范围吸收率近乎99％的结构简单的宽带超材料吸波体。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于超材料的吸波体结构设计，能够在16GHz-21.2GHz频段范围内吸收效果近乎99％，实现有效的吸波特性。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：
本发明包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层、上层介质基板层、中间层镀铜金属层、下层介质基板层和金属反射层，相邻层之间紧密贴合；所述的顶层镀铜金属层和中间层镀铜金属层均为镀铜的具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构。
所述的顶层镀铜金属层是由布置于内圈的一个内开口谐振环组成，所述的中间层镀铜金属层是由布置于外圈的一个外开口谐振环组成，二者均是同心圆环，每个开口谐振环是由一个完整的圆环在对称的两侧开设径向的条形缺口槽形成，外开口谐振环和内开口谐振环的两个条形缺口槽的径向方向相垂直，即外开口谐振环和内开口谐振环的开口夹角为90度。所述的顶层镀铜金属层的图案形状是刻蚀制作形成。内开口谐振环的径向尺寸小于外开口谐振环的径向尺寸，具体实施中，内开口谐振环的外径小于外开口谐振环的内径。
本发明是一种可采用印制电路板加工的，基于超材料的超薄吸波体结构。
所述的中间层镀铜金属层的外开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层/金属反射层的其中一个对角方向，所述的顶层镀铜金属层内开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层/金属反射层的另一个对角方向。
所述的上层介质基板层、下层介质基板层和金属反射层均为正方形，且长度和宽度分别对应相等；所述的顶层镀铜金属层和中间层镀铜金属层的外径尺寸小于介质基板层和金属反射层的尺寸。
所述的金属反射层作为接地层金属。
所述的镀铜金属层的厚度为18μm，所述的介质基板层的厚度为2mm。
具体实施包括多个吸波体结构单元，多个吸波体结构单元上各自对应的顶层镀铜金属层、上层介质基板层、中间层镀铜金属层共同构成布置在下层介质基板层上表面上的金属图案阵列。本发明使用根据需求组成任意数量的吸波体结构单元组成周期单元阵列结构，以覆盖电磁辐射源，达到最佳的辐射抑制效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，每个镀铜同心圆环有开口结构的存在，可以增加等效电容的值。每个圆环可以等效为对地电容、等效电感和等效电阻的RLC串联电路，因此具有特定的谐振频率。而且该谐振频率的值的大小可以通过物理尺寸的改变而改变。
在谐振频率附近，镀铜同心开口圆环上的电流分布和底层接地金属反射板的电流分布大小相等，方向相反，等效于磁谐振。在谐振频率处，顶层RLC等效电路同时发生电谐振。当磁谐振和电谐振的幅度相等时，该吸波体结构在此谐振点形成一个吸波频带，并且此吸波频带较宽。
通过优化调整该单元结构的几何尺寸，使得该结构在16GHz至21.2GHz上的反射系数均低于-10dB以下。
对比吸波频带中心频点19GHz对应的波长λ0，该吸波体结构一个单元的尺寸仅为0.5λ0*0.5λ0*0.25λ0，实现了小型化。同时，该吸波体结构可通过普通的印制电路板技术加工，具有成本低、易加工的优点。
该吸波体结构设计新颖、结构简单，可直接放置在电磁辐射源的正上方。因此，本发明只是改变了空间电磁场的分布，不会对辐射源本身做任何改变和处理。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的吸波体装置单元的侧视图；
图2是本发明的吸波体装置单元隐去介质层后的俯视图；
图3是本发明的吸波体装置单元的顶层镀铜金属层的正视图；
图4是本发明的吸波体装置单元的中间层镀铜金属层的正视图；
图5是本发明中吸波体装置隐去介质层后的3*3阵列排列方式示意图；
图6是本发明的吸波体装置在TE极化波入射时的反射系数仿真结果图；
图7是本发明的吸波体装置在TE极化波入射时的吸收率计算结果图；
图8是本发明的吸波体装置在TM极化波入射时的反射系数仿真结果图；
图9是本发明的吸波体装置在TM极化波入射时的吸收率计算结果图。
其中，1.顶层镀铜金属层；2.上层介质基板层；3.中间层镀铜金属层；4.下层介质基板层；5接地金属层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种可基于普通印制电路板加工的新型超材料吸波体结构设计，如附图1-附图4所示。
如图1和图5所示，本发明具体实施包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层1、上层介质基板层2、中间层镀铜金属层3、下层介质基板层4和金属反射层5，层与层之间紧密贴合；位于介质基板层2正面的顶层镀铜金属层1和中间层镀铜金属层3均为镀铜的具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构，上层介质基板层2的正面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的顶层镀铜金属层1，背面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的中间层镀铜金属层3。下层介质基板层4的正面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的中间层镀铜金属层3，背面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的接地金属层5。
如图3和图4所示，顶层镀铜金属层1是由布置于内圈的一个内开口谐振环组成，中间层镀铜金属层3是由布置于外圈的一个外开口谐振环组成，二者是同心圆环，每个谐振环均是由一个完整的圆环在对称的两侧开设径向的条形缺口槽形成，外开口谐振环3和内开口谐振环1的两个条形缺口槽的径向方向相垂直。
外开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层2、4/金属反射层5的其中一个对角方向，内开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层2、4/金属反射层5的另一个对角方向。具体实施中，如图2所示，以模型左下角为xoy坐标系的原点，外开口谐振环的开口与y轴夹角为45度，内开口谐振环的开口与y轴夹角为-45度，因此，两个开口间夹角为90度。
介质基板层2、4和金属反射层5均为正方形，且长度和宽度分别对应相等；顶层镀铜金属层1和中间层镀铜金属层3的外径尺寸均小于介质基板层2、4和金属反射层5的尺寸。
其中，镀铜金属层1，3均为单面覆铜金属层，厚度为18μm。金属反射层5为连续完整的金属板，厚度也为18μm。介质基板层2、4为有耗介质层，此处采用介电常数ε＝4.3的普通环氧板FR-4，呈正方形(8mm*8mm)，厚度均为2mm。
具体实施中，如图3所示，吸波体结构单元的长、宽尺寸l＝8mm(即介质基板层2、4和金属反射层5)，内开口谐振环的内径R＝1.24mm，内开口谐振环的宽度w1＝0.9mm，外开口谐振环的宽度w2＝0.9mm，内开口谐振环的开口宽度g1＝0.25mm，外开口谐振环的开口宽度g2＝0.3mm，内外开口谐振环的间距p＝0.2mm。
本发明超材料吸波体结构的作用是对特定频率的电磁波产生谐振，当电磁波入射到吸波体装置时，首先会透过顶层镀铜金属表面1、上层介质板2，中间层镀铜金属表面3、下层介质板4，最后被金属反射面5反射，反射回的电磁波与入射电磁波在镀铜金属表面上叠加产生谐振，继而谐振出谐振电流。镀铜金属表面的电流和金属反射板的电流大小相等，方向相反，产生磁谐振。当电谐振和磁谐振的幅度相等时，实现特定频率电磁波的吸收。
在加工该超材料吸波体结构时，可以用光刻机对覆盖了整块金属面的介质板(俗称印刷电路板或PCB板)进行雕刻，将开口谐振环外侧和环内的缝隙镂空出来，保留圆环部分，从而得到所需的金属贴片。加工时，金属一般可选择铜，也可采用其它金属，采用其它金属不会影响本发明的性能。
实施例1
本实施例采用9个吸波体结构单元布置成3*3阵列的吸波体装置，如图5所示，吸波体装置通过在不同极化电磁波进行入射测试，获得的反射系数和吸收率结果分别如图6-图9所示。
本实施例中对上述吸波体周期阵列进行仿真。图6中可见，本发明中的超材料吸波体阵列结构在TE波入射情况下，满足16GHz-21.2GHz高频范围内回波损耗S11曲线一直保持低于-10dB，相应的，图7中可见，在覆盖16GHz-21.2GHz的范围内，吸收率能达几乎99％，说明本发明提出的超材料吸波体在16GHz-21.2GHz范围内，能够实现TE极化波入射情况下宽带的电磁辐射吸收和抑制，具有良好的吸波特性。
本实施例中对上述吸波体周期阵列进行仿真。图8中可见，本发明中的超材料吸波体阵列结构在TM波入射情况下，满足16GHz-21.2GHz高频范围内回波损耗S11曲线一直保持低于-10dB，相应的，图9中可见，在覆盖16GHz-21.2GHz的范围内，吸收率能达几乎99％，说明本发明提出的超材料吸波体在16GHz-21.2GHz范围内，能够实现TM极化波入射情况下宽带的电磁辐射吸收和抑制，具有良好的吸波特性。
此超材料吸波体设计新颖、结构简单，可以以周期阵列的方式直接应用在高速封装系统的设计上。
以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正、等同替换和和改变等仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层(1)、上层介质基板层(2)、中间层镀铜金属层(3)、下层介质基板层(4)和金属反射层(5)，相邻层之间紧密贴合；所述的顶层镀铜金属层(1)和中间层镀铜金属层(3)均为镀铜的具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：所述的顶层镀铜金属层(1)是由布置于内圈的一个内开口谐振环组成，所述的中间层镀铜金属层(3)是由布置于外圈的一个外开口谐振环组成，二者均是同心圆环，每个开口谐振环是由一个完整的圆环在对称的两侧开设径向的条形缺口槽形成，外开口谐振环和内开口谐振环的两个条形缺口槽的径向方向相垂直。
3.根据权利要求2所述的一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：所述的中间层镀铜金属层(3)的外开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层(2、4)/金属反射层(5)的其中一个对角方向，所述的顶层镀铜金属层(1)内开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层(2、4)/金属反射层(5)的另一个对角方向。
4.根据权利要求1所述的一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：所述的上层介质基板层(2)、下层介质基板层(4)和金属反射层(5)均为正方形，且长度和宽度分别对应相等；所述的顶层镀铜金属层(1)和中间层镀铜金属层(3)的外径尺寸小于介质基板层(2、4)和金属反射层(5)的尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：所述的所有镀铜金属层(1，3)的厚度均为18μm，所述的所有介质基板层(2、4)的厚度均为2mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：包括多个吸波体结构单元，多个吸波体结构单元上各自对应的顶层镀铜金属层(1)、上层介质基板层(2)、中间层镀铜金属层(3)共同构成布置在下层介质基板层(4)上表面上的金属图案阵列。
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