CN113659350B - 一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，此种吸波材料能在20‑30GHz实现10dB以上的辐射抑制效果，吸波效果较单独使用商用吸波材料明显提高。包括若干个呈周期性排列的吸波单元，吸波单元包括自上而下依序设置的顶层、中间层和底层，底层为金属背板,中间层为商用电磁波吸收材料,顶层为Rogers RO4725JXR材料。
Description
技术领域
本发明涉及电磁吸波材料领域，特别是涉及一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构。
背景技术
芯片是当前通信系统中的“大脑”，而芯片中的集成电路通常就是引起电磁兼容(EMC)问题的主要源头，一方面其复杂的电磁杂散信号会对周围的其他功能模块造成干扰，另外其较强的辐射甚至会造成系统整机的EMC问题，严重制约了设备的性能提高甚至造成设备的瘫痪。而随着电子器件工作频率的提高，在高频段(20GHz以上)的电磁辐射问题变得越来越难以解决，例如在加载金属制散热器的芯片封装场景中，来自芯片的电磁辐射会从散热器与印刷电路板(PCB)的缝隙中泄露出去，造成严重的EMI辐射超标问题。
传统设计中，通常采用在散热器下方贴敷一层商用电磁波吸收材料的方式来抑制芯片封装系统中的辐射干扰信号。要使得吸波材料能有效吸收电磁波需满足两个条件：(1)阻抗匹配条件，即要保证电磁波能够较容易地进入材料内部，这需要材料的特性阻抗与空气的特性阻抗相近；(2)衰减损耗条件，即电磁波进入材料内部后可以被迅速损耗。然而，大部分商用吸波材料只能满足衰减损耗条件，而很难满足阻抗匹配条件，这是由于工艺、材料等因素的限制，使得它们的相对介电常数都比较大。因此，电磁波无法很好地进入到商用吸波材料中，也就无法被损耗，这使得商用吸波材料的吸波性能比较一般，特别是在高频段的吸波性能。
发明内容
对此，本发明旨在于提供一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，此种吸波材料能在20-30GHz实现10dB以上的辐射抑制效果，吸波效果较单独使用商用吸波材料明显提高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，包括若干个呈周期性排列的吸波单元，吸波单元包括自上而下依序设置的顶层、中间层和底层，底层为金属背板,中间层为商用电磁波吸收材料,顶层为Rogers RO4725JXR材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中在商用电磁波吸收材料的上面设置Rogers RO4725JXR材料，由于RogersRO4725JXR材料为低损耗材料，对电磁波基本没有衰减损耗作用，但其相对介电常数与相对磁导率较接近，因此可以较好地实现阻抗匹配条件，使更多电磁辐射进入到复合材料中，再由商用电磁波吸收材料对电磁波进行损耗衰减，因而能够提高商用电磁波吸收材料的吸波效果和吸波带宽，此外，只需通过改变其材料的厚度，即可实现对该复合吸波材料的吸波频段的调整，因此该复合吸波材料结构具有很广泛的应用范围。
作为改进，顶层的厚度为0.6-2mm，这样，当厚度为0.4mm时其相对介电常数为2.64，相对磁导率为1，利于电磁波进入到复合材料中。
作为改进，中间层的厚度为0.4-1.6mm，当厚度为0.7mm时，在20-30GHz频段内，其相对介电常数为14.3-0.3j，相对磁导率为1.2-0.8j。
作为改进，中间层包括第一层和第二层，第二层的顶部与第一层连接，且第二层的直径大于第一层的直径，相邻吸波单元的第一层之间构成空气腔，这样，第一层和第二层均为商用电磁波吸收材料，由于第一层的横截面小于第二层，在进行周期排列后会形成周期性的空气腔，增大了辐射场与吸波材料的接触面积，且有利于电磁波在结构中来回反射、折射，从而实现对电磁波更充分的损耗衰减。
作为改进，第一层的厚度为0.7mm，横截面边长为0.5mm，第二层的厚度为0.4mm，横截面边长为1mm，第一层和第二层均为长方形或正方形。
作为改进，商用电磁波吸收材料为莱尔德QZORB-R2材料。
作为改进，吸波单元的横截面为正方形或长方形，若干个吸波单元构成回字形结构。
附图说明
图1为本发明一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构的结构示意图。
图2为单一商用吸波材料在0-50GHz频率范围内的相对介电常数和相对磁导率。
图3为本发明加载金属制散热器的芯片封装场景示意图。
图4为本发明一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构在芯片封装场景中的设置方式示意图。
图5为本发明实施例一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构和单一商用吸波材料的设置方式示意图。
图6为本发明实施例一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构与单一商用吸波材料的辐射抑制效果对比图。
图中：1、Rogers RO4725JXR材料；2、中间层；3、金属背板；4、散热器；5、芯片；6、印刷电路板；7、复合电磁吸波材料，8、第一层；9、第二层。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的说明：
具体参看图一至图六：
图1为本发明的一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，包括若干个呈周期性排列的吸波单元，吸波单元包括自上而下依序设置的顶层、中间层和底层，底层为金属背板3,中间层2为商用电磁波吸收材料,顶层为Rogers RO4725JXR材料1。本发明中在商用电磁波吸收材料的上面设置Rogers RO4725JXR材料1，由于Rogers RO4725JXR材料1为低损耗材料，对电磁波基本没有衰减损耗作用，但其相对介电常数与相对磁导率较接近，因此可以较好地实现阻抗匹配条件，使更多电磁辐射进入到复合材料中，再由商用电磁波吸收材料对电磁波进行损耗衰减，因而能够提高商用电磁波吸收材料的吸波效果和吸波带宽，此外，只需通过改变其材料的厚度，即可实现对该复合电磁吸波材料7的吸波频段的调整，因此该复合吸波材料结构具有很广泛的应用范围。
本实施例中，顶层的厚度为0.6-2mm，这样，当厚度为0.4mm时其相对介电常数为2.64，相对磁导率为1，利于电磁波进入到复合材料中。
本实施例中，中间层2的厚度为0.4-1.6mm，当厚度为0.7mm时，在20-30GHz频段内，其相对介电常数为14.3-0.3j，相对磁导率为1.2-0.8j。
本实施例中，中间层2包括第一层8和第二层9，第二层9的顶部与第一层8连接，且第二层9的直径大于第一层8的直径，相邻吸波单元的第一层8之间构成空气腔，这样，第一层8和第二层9均为商用电磁波吸收材料，由于第一层8的横截面小于第二层9，在进行周期排列后会形成周期性的空气腔，增大了辐射场与吸波材料的接触面积，且有利于电磁波在结构中来回反射、折射，从而实现对电磁波更充分的损耗衰减,第一层8的顶部与顶层连接。
本实施例中，第一层8的厚度为0.7mm，横截面边长为0.5mm，第二层9的厚度为0.4mm，横截面边长为1mm，第一层和第二层均为长方形或正方形。
本实施例中，商用电磁波吸收材料为莱尔德QZORB-R2材料,本发明中各层之间采用胶水连接。
本实施例中，吸波单元的横截面为正方形或长方形，若干个吸波单元构成回字形结构。
本实施例中，当商用吸波材料的厚度为0.4mm，其在0-50GHz频段内的电磁参数如图2所示，其相对介电常数为εr＝ε′-jε″，相对磁导率为μr＝μ′-jμ″。由图2可知，单一的商用吸波材料的相对介电常数与相对磁导率相差很大，这导致了其不具有良好的阻抗匹配特性，电磁波不易进入到材料中被衰减损耗。因此，本发明在商用吸波材料上叠加了一层Rogers RO4725JXR材料1形成复合电磁吸波材料7，Rogers RO4725JXR材料1的厚度为1.2mm，其相对介电常数为2.64，相对磁导率为1，随频率变化不大，因其相对介电常数与相对磁导率较接近，阻抗匹配特性较好，能使更多电磁辐射进入到复合电磁吸波材料7中被损耗衰减。
本实施例中，需要复合电磁吸波7结构能吸收20-30GHz的超高频辐射，因此设置其单元的具体结构参数为：Rogers RO4725JXR材料1的厚度为0.4mm，横截面为边长1mm的正方形；第一层的厚度为0.7mm，横截面为边长0.5mm的正方形；第二层的厚度为0.4mm，横截面为边长1mm的正方形；底面为边长1mm的正方形金属背板3。这些结构参数可以利用全波仿真软件(如CST、HFSS等)设计得到，通过仿真出材料的反射系数S11来判断其吸波频段和吸波性能。因该设计过程不属于本发明内容，不再赘述。
此外，本发明可以被用在芯片封装场景中对超高频电磁辐射干扰信号进行吸收和抑制，下面将给出本发明的具体应用场景和实施实例。
实例：加载散热器的芯片封装场景中的辐射抑制：
图3为加载金属散热器5的芯片6封装场景示意图，以及在该封装场景下吸波结构(或吸波材料)的设置方式示意图。其中，来自芯片5中集成电路的电磁辐射会通过散热器4和印刷电路板6之间的缝隙向外泄露，造成严重的EMI辐射超标问题。解决该问题的方法是在散热器4下方粘贴复合电磁吸波材料7，来吸收电磁辐射。在此实例中，将复合电磁吸波材料7均以“回字形”粘贴在散热器4下方以及芯片5四周，散热器4与印刷电路板6之间间距为6mm，吸波结构(吸波材料)形成的“回字形”宽度为10mm。
图4是本发明实施例中复合电磁吸波结构9在芯片封装场景中的设置方式示意图，因本发明的复合电磁吸波结构为周期结构，需将其单元结构(图1)紧密地周期性排列在“回字形”区域中，形成完整的“回字形”复合电磁吸波结构9。其中，单元最顶层长方体1向下放置，为单元中靠近印刷电路板6的一方。因其周期为1mm，因此在“回字形”10mm的宽度中可放置10个单元。
在本实例中，将对比本发明的超高频超宽带复合电磁吸波结构和商用吸波材料的吸波效果，具体设置方式如图5所示：
为了对比的严谨性，加入了一定厚度的金属层也就是金属背板3使“回字形”结构的总厚度均为2mm。其中，对于本发明的超高频超宽带的复合电磁吸波结构设置为：1.5mm复合电磁吸波结构+0.5mm金属层。对于商用电磁波吸收材料设置为：0.6mm商用吸波材料(莱尔德QZORB-R2)+1.4mm金属层。它们的吸波频段均为20-30GHz。除了吸波材料的设置，其他条件均相同。
图6为上述的复合电磁吸波结构和商用吸波材料在加载散热器4的芯片5封装场景中的辐射抑制曲线。辐射抑制曲线由粘贴吸波结构/吸波材料后的封装辐射值减去未粘贴时的辐射值得到，辐射抑制比的值越小，则说明该吸波结构/吸波材料的吸波效果越好。由图6可知，本发明的超高频超宽带的复合电磁吸波材料，能够在20-30GHz范围均实现10dB以上的辐射抑制效果，其吸波效果明显好于相同吸波频段的商用吸波材料。该结果证明了本发明的复合电磁吸波结构比商用吸波材料具有更优越的辐射吸收性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，其特征在于：包括若干个呈周期性排列的吸波单元，吸波单元包括自上而下依序设置的顶层、中间层和底层，底层为金属背板,中间层为商用电磁波吸收材料,顶层为Rogers RO4725JXR材料；中间层包括第一层和第二层，第二层的顶部与第一层连接，且第二层的直径大于第一层的直径，相邻吸波单元的第一层之间构成空气腔。
2.根据权利要求1所述的一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，其特征在于，所述顶层的厚度为0.6-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，其特征在于，所述中间层的厚度为0.4-1.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，其特征在于，所述第一层的厚度为0.7mm，横截面边长为0.5mm，第二层的厚度为0.4mm，横截面边长为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，其特征在于，所述商用电磁波吸收材料为莱尔德QZORB-R2材料。
6.根据权利要求1所述的一种超高频超宽带的复合电磁吸波结构，其特征在于，所述吸波单元的横截面为正方形或长方形，若干个吸波单元构成回字形结构。
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