CN114142245B - 一种频率选择性透射的金属化面板 - Google Patents

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Abstract

公开了一种频率选择性透射的金属化面板。该金属化面板可包括：至少一个透射块，其中所述透射块包括金属层，所述金属层包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，并且所述金属层包括从所述第一表面穿过所述金属层至所述第二表面的两个分开的C型缝隙，其中所述透射块的两个C型缝隙具有相同的形状和尺寸，并且所述两个C型缝隙各自的对称线具有相同的方向，其中所述至少一个透射块在所述第一表面与所述第二表面之间透射指定频段的电磁信号。

Description

一种频率选择性透射的金属化面板
技术领域
本发明涉及金属化面板，尤其涉及一种频率选择性透射的金属化面板。
背景技术
金属是使用非常广泛的结构材料，但金属的电磁信号屏蔽效能非常高，往往对电磁信号造成极大衰减，甚至引起电磁信号完全屏蔽，相应的应对措施往往需要较大成本。比如在飞机蒙皮多为金属材料，采用在机身外部加装天线的方式应对这种电磁信号屏蔽，这种传统的方式对机身强度、气动外形、制造/维护造成不利影响。
在金属表面做出结构，提供电磁信号的有效信道，是解决电磁信号屏蔽问题的途径之一。传统的结构是利用金属孔隙或者金属块的谐振效应对电磁信号进行对应操作，为了尽可能减少对金属的去除，保留金属的结构强度，采用金属孔隙的谐振效应对电磁信号进行操作是较为可行的方式。
一般的金属孔隙对电磁波的频率响应是线性倍增的；即除了基频响应之外，还有两倍频、三倍频等倍频响应。这种金属孔隙在透射电磁信号的同时，也会使得电磁信号的倍频信号透过而成为信号噪声，降低通信质量、劣化飞机内部电磁环境。
因此，本领域需要一种改进的频率选择性透射的金属化面板。
发明内容
本发明提出了一种新的频率选择性透射的金属化面板。本发明的金属化面板可以并且只能透射指定频段，在结构上可以替代一般金属(或者其它有导电能力的材料)板材，可替代无线信号传输中天线罩、外壳等，用于提供有效信道并且提高信道质量。
在本发明的一个实施例中，提供了一种频率选择性透射的金属化面板可包括：至少一个透射块，其中每个透射块包括金属层，所述金属层包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，并且所述金属层包括从所述第一表面穿过所述金属层至所述第二表面的两个分开的C型缝隙，其中所述透射块的两个C型缝隙具有相同的形状和尺寸，并且所述两个C型缝隙各自的对称线具有相同的方向，其中所述至少一个透射块在所述第一表面与所述第二表面之间透射指定频段的电磁信号。
在一个方面，所述透射块的两个C型缝隙的中心点连线与所述两个C型缝隙各自的对称线呈45度夹角。
在一个方面，所述透射块的两个C型缝隙中为空隙或填充非导电材料。
在一个方面，所述透射块的金属层包括由金属材料或合金材料形成的金属层或金属网。
在一个方面，所述透射块还包括非导电基板，其中所述金属层的第一表面或第二表面附着在所述非导电基板上。
在一个方面，所述至少一个透射块包括多个透射块，所述多个透射块的C型缝隙具有相同的形状和尺寸，其中所述多个透射块中的每个C型缝隙的对称线具有相同的方向。
在一个方面，分别位于相邻透射块中的两个C型缝隙的中心点连线大于位于单个透射块中的两个C型缝隙的中心点连线。
在一个方面，所述多个透射块包括连续形成的金属层。
在一个方面，所述指定频段包括单个透射频段，该透射频段的中心波长等于或接近C型缝隙的缝隙长度。
在一个方面，所述C型缝隙包括超过180度且小于360度的非闭合环形缝隙，并且具有均匀的缝隙宽度。
在一个方面，所述指定频段为0～30GHz范围中的透射频带，所述透射频带的3dB带宽为100～400MHz。
在一个方面，所述指定频段的带宽能通过改变所述透射块的C型缝隙的缝隙宽度来调整。
在本发明的一个实施例中，提供了一种围绕电子设备的外壳，所述外壳包括如上任一项所述的金属化面板，其中所述电子设备包括用于发射和/或用于接收电磁信号的天线。
在一方面，所述电子设备包括以下一者或多者：基站、服务器、移动通信设备、位于交通工具上的通信设备。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的频率选择性透射金属化面板的模块结构示意图。
图2是根据本发明一个实施例的频率选择性透射金属化面板的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的设计频率选择性透射金属化面板的流程图。
图4是根据本发明一个实施例的频率选择性透射金属化面板的电磁响应的曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种频率选择性透射的金属化面板。本发明的金属化面板具有双C型耦合孔设计，其解决了金属板材对电磁波的无差别屏蔽问题，使得仅有目标频率(或频段)的电磁信号可以透过金属板材，其余频率的电磁信号被屏蔽。本发明具有工艺简单、材料去除少、有一定的结构强度的优点。
图1是根据本发明一个实施例的频率选择性透射金属化面板的模块结构示意图。本发明的频率选择性透射金属化面板可采用模块化设计(下文简称透射块)，该金属化面板可包括一个或多个透射块，从而可以根据需要调整金属化面板的大小和透射块数量。
图1示出了单个透射块100的结构，其包括长为b宽为a的矩形面板。透射块100可以是整个金属化面板的一部分，因此透射块100的轮廓形状是不受限制的，例如可以是多边形、圆形、椭圆形、不规则形状等等。为便于理解，图1示出了透射块100的第一表面，且透射块100包括与第一表面相对的第二表面(未示出)，第一表面与第二表面之间可以是透射块100的厚度。在一个实施例中，透射块100可以是(或包括)金属层。在另一实施例中，透射块100可包括附着在非导电基板上的金属层。透射块100的金属层可以是由金属材料或合金材料形成的金属层或金属网，例如铝、铁、铜、铜合金、铝合金等。非导电基板可由非导电材料形成，例如树脂材料、玻璃钢、塑料、玻璃等。
如图1所示，透射块100的金属层中有两个分开的C型缝隙，这两个C型缝隙可以穿过金属层(的厚度)。例如，这两个C型缝隙可从透射块100的金属层的第一表面穿过整个金属层(的厚度)至金属层的第二表面，从而形成贯穿金属层的通孔。C型缝隙中可以为空隙，或者可填充非导电材料，例如树脂材料、玻璃纤维等。在C型缝隙中填充固体材料可以提高透射块100(或金属化面板)的结构强度。在透射块100包括附着在非导电基板上的金属层的情况下，C型缝隙可以贯穿金属层，而在非导电基板上不具有对应的C型缝隙。在另一实施例中，金属层和非导电基板两者可具有对应的C型缝隙。
透射块100的两个C型缝隙可具有相同的形状和尺寸。例如，每个C型缝隙包括超过180度且小于360度(或者超过270度且小于360度，例如315度、345度等)的环形缝隙，该环形是非闭合的，即包括非开孔部分(例如，可被称为C型缝隙的缺口部分，该缺口部分保留了透射块100的金属层材料)。在一个实施例中，C型缝隙可以包括同心的圆形外边缘和圆形内边缘，从而形成宽度均匀一致的圆环形缝隙。如图1所示，每个C型缝隙的圆环外径为R，内径为r，缝隙宽度为R-r，缺口宽度为c，两个C型缝隙的中心点距离为d。透射块100的两个C型缝隙的缺口方向一致，即两个C型缝隙各自的对称线101(沿金属层表面、穿过圆心的对称线)具有相同的方向。在另一实施例中，C型缝隙可以包括弧形外边缘和弧形内边缘，缝隙宽度可以是一致的或者可以是非一致的。
在一个实施例中，透射块100的两个C型缝隙的中心点连线(即，两个C型缝隙的排列方向，如图为竖直方向)与这两个C型缝隙各自的对称线101呈45度夹角。金属板厚度在5mm以下时，可以认为对电磁波透反射性能无影响。
透射块100可以透射至少一个频段的电磁信号。例如，指定频段中的电磁信号可从透射块100的第一表面经C型缝隙到达第二表面。在一个实施例中，该指定频段为单个透射频段，该透射频段的中心波长约为C型缝隙的缝隙长度(即，环周长)。
因此，通过调整两个C型缝隙的尺寸、形状、位置，可以相应地调整能透射通过的透射块100的信号的频段。例如，该指定频段可以为0～12GHz范围中的频带，频带的带宽为100～400MHz(3dB带宽)。另外，通过调整透射块的C型缝隙的缝隙宽度，可以调整透射块的透射频段的带宽。
图2是根据本发明一个实施例的频率选择性透射金属化面板的示意图。该金属化面板200可包括多个如图1所示的透射块100。这些透射块100可以是均匀分布的，并且可包括连续形成的金属层。这些透射块的C型缝隙具有相同的形状和尺寸，且每个C型缝隙的对称线具有相同的方向。在一个实施例中，分别位于相邻透射块中的两个C型缝隙的中心点连线应大于位于单个透射块中的两个C型缝隙的中心点连线。
在实际使用中，可以根据工作频率对模块参数进行设计，并按需将模块拼接排列、旋转、裁剪，可以得到任意大小的面板。面板法线方向Z方向(垂直于图2的页面)应平行于电磁波传播方向，并可使得电磁波的电场方向平行于x轴。在一个实施例中，面板所含透射块应尽可能多，从而使得面板的电磁性能接近理想工况。
在一个实施例中，可以制造多个分离的透射块100，并通过拼接这些透射块100来形成金属化面板。在另一实施例中，可以在整体形成的金属层(金属化面板)上进行开孔，从而形成按需排列的多组双C型缝隙。在另一实施例中，可使用模具来形成具有双C型缝隙的金属层(一个或多个透射块)。
如上所述，本发明在金属化面板中采用了一种特殊耦合机制，其使用简单的双C型缝隙构成基本谐振单元，在结构中实现集体模与本征模之间的耦合，消除了倍频响应，并且能在超宽频率范围(比如0～30GHz、0～12GHz)内实现单一频段透射。通过对透射块参数的调节，可以改变模块工作频率和响应特性。
图3是根据本发明一个实施例的设计频率选择性透射金属化面板的流程图。
步骤301：确认所需要的工作频率和带宽。
步骤302：设计单个C型缝隙的参数，其长度为中心频率电磁波在C型空间填充介质中的波长，并结合强度要求确认合适的变量c。
步骤303：仿真并调整缝隙宽度R-r，同时微调R的大小，使得C型缝隙的本征二阶模频率、带宽与所需要的工作频率和带宽接近。
步骤304：设计两个上述C型缝隙，按照图1中相对位置排列，由小至大调整参数d，通过仿真确认两个C型缝隙组合结构的响应频率发生改变，形成新的、单一的透射峰，该峰即为C型缝隙本征模与C型缝隙组集体模的耦合结果。
步骤305：通过仿真计算，将上述参数进行微调，确认双C型缝隙组的工作频率与带宽满足设计要求。
步骤306，设计双C型缝隙阵列，通过仿真计算，由大至小调整a和b，在不改变工作频率和带宽的前提下，获得密集的阵列分布，由此可以提高透射效率。
可选步骤307，可采用试验方式对透射块或金属化面板的最终设计进行验证。例如，可以测试根据设计参数生产的金属化面板所具备的透射性能。
图4是根据本发明一个实施例的频率选择性透射金属化面板的电磁响应的曲线图。此处给出在5G通信频段3.4GHz～3.5GHz附近工作的金属化面板的一种参数和仿真结果。
在金属板厚度为1mm，a＝120mm,b＝120mm,c＝15mm,d＝45mm,r＝14.1mm,R＝18.1mm时，该模块的3dB工作频率为3.23GHz～3.5GHz。
在最理想的情况下，按照上述参数设计的面板的透反射响应如图4所示，其中横轴表示频率，纵轴表示透反射的S参数，曲线401代表信号透射性能，曲线402代表信号屏蔽性能。在3.4GHz时，此时透射值接近1，反射值接近0，电磁波几乎完全透射通过金属化面板；在远离工作频率比如8GHz附近，透射值接近0，反射值接近1，电磁波完全被屏蔽。该面板在3.5GHz附近有极高的透射，从而能够提供正常通信功能；同时由于对其余频率非常优异的屏蔽性能，可以有效提高通信信道质量。
在合理填充和表面防护的情况下，该金属化面板可以用于基站、服务器、移动通信设备、载有通信设备的交通工具(例如，轮船、飞机、火车、汽车等)的外壳。位于该外壳内的电子设备可包括用于发射和/或用于接收电磁信号的天线，并且电磁信号可以有效地透射通过该外壳。
在各实施例中给出的数值仅作为示例，而不作为对本发明范围的限制。此外，作为一个整体技术方案，还存在其他没有被本发明权利要求或说明书所列举的元器件或者步骤。而且，一个元器件的单个名称不排除该元器件的其他名称。
在本申请的描述中所使用的方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”、“内、外”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等序列词来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
所公开的方法、装置和系统不应以任何方式被限制。相反，本公开涵盖各种所公开的实施例(单独和彼此的各种组合和子组合)的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的方法、装置和系统不限于任何具体方面或特征或它们的组合，所公开的任何实施例也不要求存在任一个或多个具体优点或者解决特定或所有技术问题。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种频率选择性透射的金属化面板，其特征在于，包括：
至少一个透射块，其中所述透射块包括金属层，所述金属层包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，并且所述金属层包括从所述第一表面穿过所述金属层至所述第二表面的两个分开的C型缝隙，
其中所述透射块的两个C型缝隙具有相同的形状和尺寸，所述C型缝隙包括超过180度且小于360度的非闭合环形缝隙，并且所述两个C型缝隙的缺口方向一致，所述透射块的两个C型缝隙的中心点连线与所述两个C型缝隙各自的对称线呈45度夹角，
其中所述至少一个透射块在所述第一表面与所述第二表面之间透射指定频段的电磁信号。
2.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，所述透射块的两个C型缝隙中为空隙或填充非导电材料。
3.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，所述透射块的金属层包括由金属材料或合金材料形成的金属层或金属网。
4.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，所述透射块还包括非导电基板，其中所述金属层的第一表面或第二表面附着在所述非导电基板上。
5.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，所述至少一个透射块包括多个透射块，所述多个透射块的C型缝隙具有相同的形状和尺寸，其中所述多个透射块中的每个C型缝隙的缺口方向一致。
6.如权利要求5所述的金属化面板，其特征在于，所述多个透射块包括相邻的第一透射块和第二透射块，所述第一透射块中的任一个C型缝隙与所述第二透射块中的任一个C型缝隙的中心点连线大于所述第一透射块中的两个C型缝隙的中心点连线。
7.如权利要求5所述的金属化面板，其特征在于，所述多个透射块包括连续形成的金属层。
8.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，所述指定频段的中心波长等于或接近C型缝隙的缝隙长度。
9.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，并且具有均匀的缝隙宽度。
10.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，所述指定频段为0～30GHz范围中的透射频带，所述透射频带的3dB带宽为100～400MHz。
11.如权利要求1所述的金属化面板，其特征在于，所述指定频段的带宽能通过改变所述C型缝隙的缝隙宽度进行调节。
12.一种围绕电子设备的外壳，其特征在于：
所述外壳包括如权利要求1-11中任一项所述的金属化面板，
其中所述电子设备包括用于发射和/或用于接收电磁信号的天线。
13.如权利要求12所述的围绕电子设备的外壳，其特征在于，所述电子设备包括以下一者或多者：
基站、服务器、移动通信设备、位于交通工具上的通信设备。
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