CN111988974B - 一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构、设计方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波、毫米波、太赫兹技术领域，公开了一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构、设计方法及应用，由两块表面具有周期性刻槽的导体板构成，刻槽面对面平行放置，两导体板之间的距离为零也可以具有一定的间隙。导体板可以是平面也可以是曲面，周期性刻槽的形式包括但不限于矩形、三角形，梯形。电磁禁带的宽度由刻槽的深度、周期、夹角以及两板之间间隙的厚度共同决定。本发明的一个重要特征是旋转两个导体板之间的夹角可以实现电磁禁带的调节。本发明还公开了该电磁屏蔽结构的设计方法及步骤；电磁屏蔽结构能够抑制特定频带内电磁波的传输，适用于微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的新型传输线、非接触部件、低无源互调器件领域。

Description

一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构、设计方法及应用

技术领域

本发明属于微波、毫米波、太赫兹技术领域，尤其涉及一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构、设计方法及应用。

背景技术

目前，非接触电磁屏蔽结构与接触式电磁屏蔽结构相比具有诸多优点：首先，非接触电磁屏蔽结构的屏蔽性能只与结构的物理尺寸相关与导体板之间的连接压力无关，具有较高的可靠性和稳定性；其次，非接触电磁屏蔽结构的屏蔽性能与导电面的表面处理工艺关系不大，而接触式电磁屏蔽结构，尤其在微波、毫米波频段，通常需要镀金、镀银处理；最后，非接触电磁屏蔽结构在大功率条件下具有低无源互调的特性，这是传统接触式电磁屏蔽结构所不具备的。

目前已有的非接触电磁屏蔽结构都是采用钉床结构作为二维人工磁导体表面来抑制电磁波的传输，这一类非接触电磁屏蔽结构的缺点主要包括以下两个方面：第一，在高频应用领域，由于钉床的宽度与工作波长的四分之一相当，频率越高，波长越短，钉床的尺寸也会变得-越细小，结构强度比较低，存在断裂的风险。第二，这一类非接触电磁屏蔽结构在加工成型之后，所有的结构参数都被固化，因此无法改变其电磁禁带范围。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)在高频应用领域，钉床的尺寸会变得非常的细小，结构强度比较低，存在断裂的风险。

(2)现有非接触电磁屏蔽结构在加工成型之后，无法改变其电磁禁带范围。

解决以上问题及缺陷的难度为：受制于电磁屏蔽理论，钉床的宽度与波长的四分之一相当是无法改变的，因此，必须寻找新的电磁屏蔽结构来代替钉床，既要具有较好的电磁禁带性能又要具有较好的结构强度且结构简单易于加工。这需要对电磁屏蔽理论进行深入的理论研究，并获得新的解决方案。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明打破了基于钉床的电磁屏蔽结构设计思路，提出了采用刻槽的方式实现新的电磁屏蔽结构的新的技术路线。由于刻槽结构具有明显的连续性，结构强度与钉床相比显著提高。另一方面，由于本发明所提的刻槽型电磁屏蔽结构的电磁禁带宽度与两个导体面上刻槽之间的夹角大小相关，当刻槽加工成型后通过旋转刻槽之间的夹角可以改变电磁带隙的宽度，这是钉床型电磁屏蔽结构所不具备的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构、设计方法及应用。

本发明是这样实现的，一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构，所述刻槽型非接触电磁屏蔽结构设置有：

第一导体板、第二导体板；

第一导体板和第二导体板上第一刻槽和第二刻槽，第一导体板和第二导体板为独立结构；

所述第一导体板和第二导体板是平行的且第一刻槽和第二刻槽面对面。

进一步，所述第一导体板和第二导体板的材料为金属或经过化学、物理等方法处理后表面具有导电特性的材料。

进一步，所述第一导体板和第二导体板的形式为平面或者曲面，曲面包括完整的或者部分残缺的同轴圆柱面、同心球面。

进一步，所述第一导体板和第二导体板的大小为无限大或者具有任意轮廓的有限大的导体板。

进一步，所述第一导体板上的第一刻槽，第二导体板上的第二刻槽的形状包括矩形槽、梯形槽、三角形槽。

进一步，所述第一导体板上的第一刻槽，第二导体板上的第二刻槽的路径是直线或者曲线；

所述第一导体板上的第一刻槽和第二导体板上的第二刻槽之间的夹角是0度到90度之间的任意角度。

本发明的另一目的在于提供一种所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构的设计方法，所述刻槽型非接触电磁屏蔽结构的设计方法包括：第一导体板上的第一刻槽顶部的宽度为w_t1，底部宽度为w_b1，深度为d₁，刻槽周期为p₁，第二导体板上的第二刻槽顶部的宽度为w_t2，底部宽度为w_b2，深度为d₂，刻槽周期为p₂，第一导体板与第二导体板之间的间隙为h_a，第一刻槽和第二刻槽之间的夹角为β。具体为：

(1)根据实际需求选定第一导体板和第二导体板的大小以及形式，第一导体板和第二导体板的形式包括完整的或者部分残缺的平面、同轴圆柱面、同心球面；

(2)确定主要尺寸参数初值：电磁禁带的中心频率为f₀，w_t1、w_b1、d₁、w_t2、w_b2、d₂等参数的初始值设定为c(4f₀)，p₁、p₂的初始值设定为c/(2f₀)，其中c为光速，h_a的初始值设定为c/(100f₀)；

(3)β的默认初始值为90度，β设定为需要的角度；

(4)利用全波电磁场仿真软件计算电磁屏蔽结构的电磁禁带范围：首先，建立周期性电磁屏蔽结构的全尺寸电磁仿真模型或者最小基本单元的电磁仿真模型模型，然后设置模型的边界条件，完成仿真获得电磁禁带范围；

(5)对比仿真电磁禁带范围和目标电磁禁带范围进行尺寸参数调整。如果电磁禁带的中心频率与目标电磁禁带中心频率相比偏低，则可以减小w_t1、w_b1、d₁、w_t2、w_b2、d₂等参数中的一个或者多个，反之则增大；如果电磁禁带的百分比带宽比目标电磁禁带的百分比带宽小，则减小h_a，反之维持h_a不变或者适当增大；

(6)如果步骤(4)采用的是最小基本单元法获得的电磁禁带，则根据应用需要，排布出完整的电磁屏蔽结构。

本发明的另一目的在于提供一种微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统的新型传输线，所述微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统的新型传输线安装所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构。

本发明的另一目的在于提供一种微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的非接触部件，所述微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的非接触部件安装有所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构。

本发明的另一目的在于提供一种微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的低无源互调器件，所述微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的低无源互调器件安装有所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的电磁屏蔽结构由两块表面具有周期性刻槽的导体板构成，刻槽面对面平行放置，两导体板之间的距离为零也可以具有一定的间隙。导体板可以是平面也可以是曲面，周期性刻槽的形式包括但不限于矩形、三角形，梯形。电磁禁带的宽度由刻槽的深度、周期、夹角以及两板之间间隙的厚度共同决定。本发明的一个重要特征是旋转两个导体板之间的夹角可以实现电磁禁带的调节。本发明还公开了该电磁屏蔽结构的设计方法及步骤。经过设计的电磁屏蔽结构能够抑制特定频带内电磁波的传输，适用于微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的新型传输线、非接触部件、低无源互调器件等领域。

本发明电磁屏蔽结构通过在两块导体板上刻槽实现宽度非接触电磁屏蔽效果，而传统的电磁屏蔽结构则采用钉床作为电磁屏蔽结构的核心结构。钉床在高频应用中由于结构细小存在加工难度大且结构强度低容易断裂，本发明具有更高的结构强度，适合于高频应用。

本发明电磁屏蔽结构通过改变两块导体板上的刻槽之间的夹角可以实现电磁禁带的调节，而传统的基于钉床结构的非接触电磁屏蔽结构不具备这一特性，在实际应用中，通过旋转两块导体板可以实现电磁禁带的改变。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的刻槽型非接触电磁屏蔽结构示意图；

图中：1、第一导体板；2、第二导体板；3、第一刻槽；4、第二刻槽；

图2为本发明实施例所提供的刻槽型非接触电磁屏蔽结构的关键尺寸参数示意图；

图3为本发明实施例所提供的刻槽型非接触电磁屏蔽结构的设计方法流程图；

图4为本发明实施例所提供的刻槽型非接触电磁屏蔽结构中周期性结构的最小单元模型示意图；

图5为本发明实施例1的色散特性仿真结果图；

图6为本发明实施例2的结构示意图；

图7为本发明实施例2的色散特性仿真结果图；

图8为本发明实施例3的结构示意图；

图9为本发明实施例3的色散特性仿真结果图；

图10为本发明实施例4的结构示意图；

图11为本发明实施例4的电磁禁带色散特性仿真结果图；

图12为本发明实施例4的仿真S参数。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构、设计方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本实施例提出了一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构，至少包括第一导体板1以及导体板上的第一刻槽3和第二导体板2以及导体板上的第二刻槽4，第一导体板1与第二导体板2平行放置且具有一定的间隙。图1和图2所示为本公开的一种实施案例结构示意图及其关键尺寸说明，用于结构和尺寸说明，并不对本公开构成限制。第一导体板1上的第一刻槽3的顶部宽度为w_t1，底部宽度为w_b1，深度为d₁，刻槽周期为p₁，第二导体板2上的第二刻槽4的顶部宽度为w_t2，底部宽度为w_b2，深度为d₂，刻槽周期为p₂，第一导体板1和第二导体板2之间的间隙为h_a，第一刻槽3和第二刻槽4之间的夹角为β。

优选实施例1

结构如图1所示，关键尺寸说明如图2所示，一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构，至少包括平面第一导体板1以及第一导体板1上的周期性直线第一刻槽3和平面第二导体板以及第二导体板2上的周期性直线第二刻槽4，第一导体板与第二导体板2平行放置且具有一定的间隙。

下面结合设计方法对本发明的技术方案作进一步描述。

如图2、图3所示，一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构的设计方法，包括：一块导体板上的刻槽顶部的宽度为w_t1，底部宽度为w_b1，深度为d₁，刻槽周期为p₁，另一块导体板上的刻槽顶部的宽度为w_t2，底部宽度为w_b2，深度为d₂，刻槽周期为p₂，两块导体板之间的间隙为h_a，两块导体板上的刻槽之间的夹角为β。具体为：

S101，根据实际需求选定两块导体板大小以及形式，导体板的形式包括但不限定于完整的或者部分残缺的平面、同轴圆柱面、同心球面。

S102，确定主要尺寸参数初值：电磁禁带的中心频率为f₀，w_t1、w_b1、d₁、w_t2、w_b2、d₂等参数的初始值设定为c/(4f₀)，p₁、p₂的初始值设定为c/(2f₀)，其中c为光速，h_a的初始值设定为c/(100f₀)。

S103，β的默认初始值为90度，如果有特殊需要，可以将β设定为需要的角度。

S104，利用全波电磁场仿真软件计算电磁屏蔽结构的电磁禁带范围：首先，建立周期性电磁屏蔽结构的全尺寸电磁仿真模型或者最小基本单元的电磁仿真模型模型，然后设置模型的边界条件，完成仿真获得电磁禁带范围。

S105，对比仿真电磁禁带范围和目标电磁禁带范围进行尺寸参数调整。如果电磁禁带的中心频率与目标电磁禁带中心频率相比偏低，则可以减小w_t1、w_b1、d₁、w_t2、w_b2、d₂等参数中的一个或者多个，反之则增大；如果电磁禁带的百分比带宽比目标电磁禁带的百分比带宽小，则减小h_a，反之维持h_a不变或者适当增大，调整参数直至电磁禁带范围达到设计目标。

S106，如果步骤S104采用的是最小基本单元法获得的电磁禁带，则根据应用需要，排布出完整的电磁屏蔽结构,完成最终的电磁结构设计。

以实现平面结构电磁屏蔽结构，电磁禁带覆盖13GHz-37GHz的电磁禁带可调节电磁禁带为例，说明本专利的具体实施过程。

1、根据实际情况，导电板A和导电板B采用平面形式。

2、确定主要尺寸参数初值：电磁禁带的中心频率为25GHz，w_t1、w_b1、d₁、w_t2、w_b2、d₂等参数的初始值设定为3mm，p₁、p₂的初始值设定为6mm，其中c为光速，h_a的初始值设定为0.12mm。

3、β的默认初始值为90度。

4、利用全波电磁场仿真软件计算电磁屏蔽结构的电磁禁带范围：首先，建最小基本单元的电磁仿真模型模型，其结构如图4所示，然后设置模型的边界条件，完成仿真获得电磁禁带范围为11.2GHz-36.5GHz。

5、对比仿真电磁禁带范围和目标电磁禁带范围发现仿真电磁禁带频率比目标电磁禁带频率低，将ha从0.12mm降低到0.1mm，并把d1和d2从3mm降低到2.5mm，仿真获得新的电磁禁带范围为10.8-38.1GHz，覆盖了13-38GHz的范围，仿真色散图结果如图5所示。

6、排布出如图1所示的完整电磁屏蔽结构,完成最终的电磁结构设计。

优选实施例2

结构如图6所示，一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构，至少包括圆柱面第一导体板1以及第一导体板1内表面的纵向周期性直线第一刻槽3和圆柱面第二导体板2以及第二导体板2外表面的横向周期性直线第二刻槽4，第一导体板1与第二导体板2同轴且具有一定的间隙。第一导体板1的内直径为20.4mm，第二导体板2的外直径为20mm，h_a＝0.2mm，第一刻槽3为16条均匀分布的与轴心成11.25度的刻槽，深度(d₁)为2mm，第二刻槽4的尺寸为：w_t2＝w_b2＝d₂＝2mm，p₂＝4mm。图7所示为该刻槽型非接触电磁屏蔽结构的仿真色散曲线，电磁禁带范围为22.9-49.3GHz。

优选实施例3

结构如图8所示，一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构，至少包括圆柱面第一导体板1以及第一导体板1内表面的横向周期性直线第一刻槽3和圆柱面第二导体板2以及第二导体板2外表面的纵向周期性直线第二刻槽4，第一导体板1与第二导体板2同轴且具有一定的间隙。第一导体板1的内直径为20.4mm，第二导体板2的外直径为20mm，h_a＝0.2mm，第一刻槽3的尺寸为：w_t1＝w_b1＝d₁＝2mm,p₁＝4mm，第二刻槽4为16条均匀分布的与轴心成11.25度的刻槽，深度(d₁)为2mm。图9所示为该刻槽型非接触电磁屏蔽结构的仿真色散曲线，电磁禁带范围为23.7-49.4GHz。

优选实施例4

结构如图10所示，一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构构造的新型波导传输线，至少包括平面第一导体板1以及第一导体板1内表面的横向周期性直线第一刻槽3和平面第二导体板2以及第二导体板2外表面的纵向周期性直线第二刻槽4，第一导体板1中心区域的波导槽A和第二导体板2中心区域的波导槽B。波导槽的宽度和深度分别为2.54mm和0.63mm，屏蔽结构的参数为w_t1＝w_t2＝w_b1＝w_b2＝0.7mm，p₁＝p₂＝1.4mm，d₁＝d₂＝0.63mm，h_a＝0.05mm。图11所示为该新型波导传输线所用非接触电磁屏蔽结构的仿真色散曲线，电磁禁带范围为61-148GHz，图12位该新型波导传输线的仿真S参数。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种刻槽型非接触电磁屏蔽结构，其特征在于，所述刻槽型非接触电磁屏蔽结构设置有：

第一导体板、第二导体板；

第一导体板和第二导体板上第一刻槽和第二刻槽，第一导体板和第二导体板为独立结构；

所述第一导体板和第二导体板是平行的且第一刻槽和第二刻槽面对面；

所述第一导体板上的第一刻槽，第二导体板上的第二刻槽的路径是直线或者曲线；

所述第一导体板上的第一刻槽和第二导体板上的第二刻槽是连续性的刻槽；

所述第一导体板上的第一刻槽和第二导体板上的第二刻槽之间的夹角默认初始值为90度，默认初始值彼此正交，可以通过旋转两个刻槽之间的角度实现在90度到0度之间任意角度的调整。

2.如权利要求1所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构，其特征在于，所述第一导体板和第二导体板的材料为金属或经过化学、物理等方法处理后表面具有导电特性的材料。

3.如权利要求1所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构，其特征在于，所述第一导体板和第二导体板的形式为平面或者曲面，曲面包括完整的或者部分残缺的同轴圆柱面、同心球面。

4.如权利要求1所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构，其特征在于，所述第一导体板和第二导体板的大小为无限大或者具有任意轮廓的有限大的导体板。

5.如权利要求1所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构，其特征在于，所述第一导体板上的第一刻槽，第二导体板上的第二刻槽的形状包括矩形槽、梯形槽、三角形槽。

6.一种如权利要求1所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构的设计方法，其特征在于，所述刻槽型非接触电磁屏蔽结构的设计方法包括：第一导体板上的第一刻槽顶部的宽度为w _t1，底部宽度为w _b1，深度为d ₁，刻槽周期为p ₁，第二导体板上的第二刻槽顶部的宽度为w _t2，底部宽度为w _b2，深度为d ₂，刻槽周期为p ₂，第一导体板与第二导体板之间的间隙为h _a ，第一刻槽和第二刻槽之间的夹角为β，具体为：

（1）根据实际需求选定第一导体板和第二导体板的大小以及形式，第一导体板和第二导体板的形式包括完整的或者部分残缺的平面、同轴圆柱面、同心球面；

（2）确定主要尺寸参数初值：电磁禁带的中心频率为f ₀，w _t1、w _b1、d ₁、w _t2、w _b2、d ₂等参数的初始值设定为

，p ₁、p ₂的初始值设定为/>

，其中c为光速，h _a 的初始值设定为

；

（3）β的默认初始值为90度，β设定为需要的角度；

（4）利用全波电磁场仿真软件计算电磁屏蔽结构的电磁禁带范围：首先，建立周期性电磁屏蔽结构的全尺寸电磁仿真模型或者最小基本单元的电磁仿真模型模型，然后设置模型的边界条件，完成仿真获得电磁禁带范围；

（5）对比仿真电磁禁带范围和目标电磁禁带范围进行尺寸参数调整，如果电磁禁带的中心频率与目标电磁禁带中心频率相比偏低，则可以减小w _t1、w _b1、d ₁、w _t2、w _b2、d ₂参数中的一个或者多个，反之则增大；如果电磁禁带的百分比带宽比目标电磁禁带的百分比带宽小，则减小h _a ，反之维持h _a 不变或者适当增大；

（6）如果步骤（4）采用的是最小基本单元法获得的电磁禁带，则根据应用需要，排布出完整的电磁屏蔽结构。

7.一种微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统的新型传输线，其特征在于，所述微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统的新型传输线安装有权利要求1~6任意一项所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构。

8.一种微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的非接触部件，其特征在于，所述微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的非接触部件安装有权利要求1~5任意一项所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构。

9.一种微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的低无源互调器件，其特征在于，所述微波、毫米波、太赫兹频段电路与系统中的低无源互调器件安装有权利要求1~5任意一项所述的刻槽型非接触电磁屏蔽结构。

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