CN115020991A - 一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法 - Google Patents

一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法 Download PDF

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CN115020991A CN202210634377.7A CN202210634377A CN115020991A CN 115020991 A CN115020991 A CN 115020991A CN 202210634377 A CN202210634377 A CN 202210634377A CN 115020991 A CN115020991 A CN 115020991A
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郭亚红
李鑫
董春雨
张小刚
鞠军燕
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Abstract

本发明属于去耦设计方法技术领域，具体涉及一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，包括下列步骤：基于阻抗匹配理论，建立组合结构吸波材料的物理模型；计算吸波层的方阻值；利用CST软件实现吸波材料几何结构建模；获得吸波特性仿真参数；利用化学气相沉积CVD法制备石墨烯，利用激光刻蚀技术制备超表面吸波材料样品；测试吸波特性和芯片间隔离度。本发明基于阻抗匹配特性，研究不同电导率石墨烯薄膜电磁损耗特性，提高电磁波吸收率，采用十字型和四凹字组合结构，利用仿真软件实现超表面单元优化设计，实现双频谐振；利用陶瓷制备化学性能稳定的超薄介质层。

Description

一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法
技术领域
本发明属于去耦设计方法技术领域，具体涉及一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法。
背景技术
近年来，我国10Gb/s中低速率芯片间国产率达到80％，而40Gb/s以上高速率传输(典型频段45GHz、65GHz)芯片间国产率不足20％，电磁干扰严重、隔离度低成为制约高速率芯片间国产化的关键问题，限制了芯片在光通信领域广泛应用。传统方法采用增大芯片间距离或加载滤波器，抑制干扰、提升隔离度，但不满足小型化、集成化和多频段的发展趋势。因此，亟需一种新方法在不增加芯片间尺寸的前提下，有效提升45GHz和65GHz高速率传输芯片间的隔离度。
通过将吸波材料用于通信设备电磁兼容(EMC)设计，在设备耦合路径上应用吸波材料，提高设备隔离度，解决耦合干扰。国内外采用较多的吸波材料有硅橡胶、羰基铁、铁氧体、磁性合金粉、ITO薄膜、石墨烯薄膜等。
美、日、西欧等国在电磁吸波技术研究方面处于领先地位，先进的薄膜超材料已应用于通信设备，隔离度提升5～15dB(2GHz～20GHz)；日本某公司针对吸波材料的需求，研发掺杂陶瓷吸波材料涂层用于滤除芯片间干扰，隔离度提升7～10dB(8GHz～18GHz)。国内某研究所将硅橡胶吸波贴片用于舰船共面天线表面，隔离度提升7～15dB(4.5GHz～6GHz)；某公司研发的35GHz的ITO薄膜吸波材料试用于通信设备，隔离度提升8dB(@35GHz)，解决电磁干扰问题。
现阶段，我国研制适用于芯片解决电磁干扰的薄膜吸波材料工作频段为2GHz～40GHz，普遍具有频段单一、窄带特性，受限于吸波设计技术、高精密加工工艺，目前不能满足40Gb/s以上高速率传输芯片间对45GHz和65GHz双频吸波材料的需求。芯片间存在互耦现象，当信号处于高频时电磁干扰信号增强，当两个或多个芯片置于封装管壳中，芯片3辐射出的电磁波经过空间辐射和腔体谐振被芯片1和芯片2吸收，降低了芯片间各个端口隔离度性能。传统方法采用增大芯片间距离或加载滤波器，抑制干扰、提升隔离度，但不满足小型化、集成化和多频段的发展趋势。
发明内容
针对上述传统方法不满足小型化、集成化和多频段的发展趋势的技术问题，本发明提供了一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，通过吸收空间电磁干扰信号，提高芯片间隔离度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，包括下列步骤：
S1、基于阻抗匹配理论，建立组合结构吸波材料的物理模型；
S2、计算吸波层的方阻值；
S3、利用CST软件实现吸波材料几何结构建模；
S4、获得吸波特性仿真参数；
S5、利用化学气相沉积CVD法制备石墨烯，利用激光刻蚀技术制备超表面吸波材料样品；
S6、测试吸波特性和芯片间隔离度。
所述S1中的组合结构吸波材料的物理模型包括介质层、吸波层，所述吸波层蚀刻在介质层上形成超表面单元。
所述介质层采用玻璃、陶瓷、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷的一种或多种；
所述吸波层采用石墨烯薄膜、ITO薄膜、金属网栅和还原氧化石墨烯的一种或多种。
所述超表面单元包括第一单元和第二单元，所述第一单元为十字形结构，所述第二单元为四凹字结构，所述第一单元的十字形结构与第二单元的四凹字结构相配合，四个所述第一单元的十字形结构分别插接在第二单元四凹字结构的四个凹槽内。
所述S3中利用CST软件实现吸波材料几何结构建模的方法为：利用CST电磁仿真软件建模，针对两个或多个芯片与超表面吸波材料空间布局，设计空间电磁波传输路径，获得吸波材料对第三芯片空间电磁波的高效吸收，降低对第一芯片和第二芯片的电磁干扰，提升芯片间隔离度。
所述S5中利用化学气相沉积CVD法制备石墨烯的方法为：包括下列步骤：S5.1、在低压条件下，采用铜作为金属催化剂基底，甲烷、长链烷烃作为碳源；S5.2、碳源在催化剂表面吸附；S5.3、碳源脱附；S5.4、将碳源进行脱氢分解；S5.5、碳原子在催化剂表面的迁移；S5.6、碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；S5.7、碳原子在高温下融入金属铜体相；S5.8、碳原子在金属体内扩散；S5.9、降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面成和生长石墨烯。
所述S5中利用激光刻蚀技术制备超表面吸波材料样品的方法为：利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使蓝色图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超表面结构单元。
所述S6中采用弓形法测试得到吸波层的吸波特性。
所述S6中测试芯片间隔离度的方法为：完成芯片用石墨烯薄膜超表面吸波材料样件性能评估及装机验证，采用微波信号源和矢量网络分析仪，分别测试有、无吸波材料时芯片间散射参数S13和S23。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明基于阻抗匹配特性，研究不同电导率石墨烯薄膜电磁损耗特性，提高电磁波吸收率，采用十字型和四凹字组合结构，利用仿真软件实现超表面单元优化设计，实现双频谐振；利用陶瓷制备化学性能稳定的超薄介质层。本发明与传统的吸波材料比较，超表面吸波材料厚度为0.5mm，吸波频段由2GHz～40GHz拓展到高频段，实现35GHz-45GHz、55GHz-69GHz范围内吸收率高于90％，工作于U波段和V波段，具有超薄化、宽频段、强吸波特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明组合结构吸波材料的物理模型结构示意图；
图3为本发明第一单元的结构示意图；
图4为本发明第二单元的结构示意图；
图5为本发明第一单元和第二单元相配合的结构示意图；
图6为本发明的测试结果图。
其中：1为介质层，2为吸波层，201为第一单元，202为第二单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本实施例中，如图1所示，开展石墨烯超表面吸波材料多频段、强吸波特性对芯片间隔离度影响规律研究。采用阻抗匹配理论建立石墨烯超表面吸波材料色散调制数理模型，研究吸波材料的方阻、形状、间距、介质层厚度对电磁波频移和吸收特性影响，获得双频谐振结构；利用CST电磁仿真软件建模，针对两个或多个芯片与超表面吸波材料空间布局，开展空间电磁波传输路径可设计研究，获得吸波材料对第三芯片空间电磁波的高效吸收，降低对第一芯片和第二芯片的电磁干扰，改善S13和S23，提升芯片间隔离度。
石墨烯超表面吸波材料结构示意图如图2所示，包括两部分：吸波层、介质层。利用CST软件实现吸波材料几何结构建模，如图2所示。吸波材料包括一层介质层1和一层吸波层2结构，介质层表示厚度h介电常数为ε的陶瓷，吸波层表示方阻S的石墨烯薄膜上蚀刻出关于轴对称的超表面单元结构，超表面单元包括第一单元201和第二单元202，如图3所示，第一单元201为十字形结构；如图4所示，第二单元202为四凹字结构。第一单元201的十字形结构与第二单元202的四凹字结构相配合，如图5所示，四个第一单元201的十字形结构分别插接在第二单元202四凹字结构的四个凹槽内。其中，石墨烯薄膜方阻S为200Ω/sq.±20Ω/sq.；陶瓷采用介电常数ε为8.2，厚度h为0.5mm±0.05mm，损耗角正切值为0.0075。
CVD法制备石墨烯：在低压条件下，采用铜作为金属催化剂基底，甲烷、长链烷烃等作为碳源，制备单层/多层石墨烯的基本步骤如下：(1)碳源在催化剂表面吸附；(2)碳源脱附；(3)碳源的脱氢分解；(4)碳原子在催化剂表面的迁移；(5)碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；(6)碳原子在高温下融入金属铜体相；(7)碳原子在金属体内扩散；(8)降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面成和生长石墨烯。
激光刻蚀技术：利用CAD绘图软件画出所需要的吸波材料图形，单元尺寸为2.5mm×2.5mm，整体尺寸为180mm×180mm×0.5mm；通过激光光绘机绘制成黄白微结构工艺图；利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使蓝色图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超表面结构单元，如图3-5所示。
吸波材料与芯片封装壳共形技术：裁切超表面吸波材料，满足封装所需尺寸(典型尺寸：10mm×13mm×0.5mm、8mm×11mm×0.5mm、13mm×18mm×0.5mm)。开展超表面吸波材料与芯片封装管壳空间布局研究，利用0.5～1μm超薄银胶将吸波超表面固定于封装管壳，薄膜吸波材料贴装在第三芯片的正向、前后壁，电磁波被束缚在吸波材料内部或表面，提升芯片间离度度，实现薄膜吸波材料与芯片封装壳共形工艺。
吸波特性测试：将吸波材料放置在尺寸为180mm×180mm上方，采用弓形法测试得到吸波材料的吸波特性，测试结果如图6所示。由图可知，工作频段在35GHz-45GHz、55GHz-69GHz范围内吸收率高于90％，工作于U波段和V波段。
芯片间隔离度性能测试：完成芯片用石墨烯薄膜超表面吸波材料样件性能评估及装机验证，采用微波信号源和矢量网络分析仪，分别测试有、无吸波材料时芯片间散射参数S13和S23，典型频段45GHz、隔离度分别提高7dB、10dB，典型频段65GHz隔离度分别提高13dB、15dB，性能显著提升。
与传统的吸波材料比较，超表面吸波材料厚度为0.5mm，吸波频段由2GHz～40GHz拓展到高频段，实现35GHz-45GHz、55GHz-69GHz范围内吸收率高于90％，工作于U波段和V波段，具有超薄化、宽频段、强吸波特点。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、基于阻抗匹配理论，建立组合结构吸波材料的物理模型；
S2、计算吸波层的方阻值；
S3、利用CST软件实现吸波材料几何结构建模；
S4、获得吸波特性仿真参数；
S5、利用化学气相沉积CVD法制备石墨烯，利用激光刻蚀技术制备超表面吸波材料样品；
S6、测试吸波特性和芯片间隔离度。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述S1中的组合结构吸波材料的物理模型包括介质层、吸波层，所述吸波层蚀刻在介质层上形成超表面单元。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述介质层采用玻璃、陶瓷、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷的一种或多种；
所述吸波层采用石墨烯薄膜、ITO薄膜、金属网栅和还原氧化石墨烯的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述超表面单元包括第一单元和第二单元，所述第一单元为十字形结构，所述第二单元为四凹字结构，所述第一单元的十字形结构与第二单元的四凹字结构相配合，四个所述第一单元的十字形结构分别插接在第二单元四凹字结构的四个凹槽内。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述S3中利用CST软件实现吸波材料几何结构建模的方法为：利用CST电磁仿真软件建模，针对两个或多个芯片与超表面吸波材料空间布局，设计空间电磁波传输路径，获得吸波材料对第三芯片空间电磁波的高效吸收，降低对第一芯片和第二芯片的电磁干扰，提升芯片间隔离度。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述S5中利用化学气相沉积CVD法制备石墨烯的方法为：包括下列步骤：S5.1、在低压条件下，采用铜作为金属催化剂基底，甲烷、长链烷烃作为碳源；S5.2、碳源在催化剂表面吸附；S5.3、碳源脱附；S5.4、将碳源进行脱氢分解；S5.5、碳原子在催化剂表面的迁移；S5.6、碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；S5.7、碳原子在高温下融入金属铜体相；S5.8、碳原子在金属体内扩散；S5.9、降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面成和生长石墨烯。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述S5中利用激光刻蚀技术制备超表面吸波材料样品的方法为：利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使蓝色图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超表面结构单元。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述S6中采用弓形法测试得到吸波层的吸波特性。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯吸波超表面去耦设计方法，其特征在于：所述S6中测试芯片间隔离度的方法为：完成芯片用石墨烯薄膜超表面吸波材料样件性能评估及装机验证，采用微波信号源和矢量网络分析仪，分别测试有、无吸波材料时芯片间散射参数S13和S23。
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CN117556716A (zh) * 2024-01-12 2024-02-13 鹏城实验室 电磁玻璃的设计方法、装置、设备及存储介质

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115810921A (zh) * 2023-02-09 2023-03-17 中北大学 石墨烯/介质多层叠加的柔性太赫兹吸波器及制备方法
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