CN116419558A - 一种5GHz通信状态可切换的折纸结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5GHz通信状态可切换的折纸结构，由多个周期单元构成，每个单元包括PVC基底及在PVC基底上表面贴覆的MXene图案，单元可沿中间开槽的对称线向下表面弯折，从而改变5GHz处的通信状态，进而自由选择弯折状态，避免5GHz频点的电磁干扰。本发明的形态可推广应用于各种场合如保密会议室、精密设备站、家居等的百叶窗上，保证采光的同时可自由切换5GHz信号的通信状态，与现有技术相比，具有耐弯性好、化学稳定性好等优点，能够在长时间内保证性能的稳定，使用寿命更长，且价格便宜、加工制作方便，性价比极高。
Description
技术领域
本发明属于电磁屏蔽技术，具体涉及一种5GHz通信状态可切换的折纸结构。
背景技术
近年来，随着对移动数据日益增长的需求及移动互联网的发展，第五代移动通信系统5G已经成为通信业和学术界探讨的热点。然而在现代社会，日常环境中充斥着各种无线通信设备，这使得电子通信设备暴露于大量的电磁干扰(ElectromagneticInterference，EMI)中，这对通信系统的安全构成了潜在的风险，特别是在工业、科学和医学领域，这些问题更为严重。目前，解决电磁干扰问题的一种有效方法是在通信设备周围部署人工吸波材料，在特定的频带内消散入射波的能量，从而将电磁噪声或干扰抑制到可接受的水平。然而，吸波材料形式较为固定，一般不便拆卸，对于需及时切换通信状态的场景中传统的人工吸波材料很难适应，因此，面对复杂的电磁干扰仍需要相应的解决方案。
频率选择表面(Frequency selective surface，FSS) 作为一种空间滤波器，能够在特定频段传输或者反射电磁波，且其空间滤波特性由结构形状和尺寸、介质厚度和介电常数以及入射电磁波角度和极化状态等多种参数共同决定。由于对电磁波良好的调控能力和较大的设计自由度，FSS在雷达天线罩、电磁吸波器、电磁极化器和电磁兼容等众多领域得到了广泛的应用。针对FSS的研究正朝着多领域交叉的方向发展，涉及物理、工程和材料等多学科。
从上世纪60年代起，研究人员就开始对FSS及其周期结构的电性能开始了深入研究。FSS的周期结构是指对于完全相同的基本单元结构，按照一定的方式沿一维或二维方向周期性排列，构成的无限大阵列。FSS中的金属结构通常加载在单层的介质基底材料上，在某些结构中可以有多层金属结构、多层介质材料层构成三维立体结构。区别于一般结构型电磁元件的功能，FSS可以针对入射电磁波的频率、极化和入射角度等特征进行调控和选择。基于FSS具有的频率滤波特性，近年来，FSS技术已广泛应用于军事和民用电磁设备中。在军事领域，FSS可用于飞行器和通信雷达天线罩和防护屏蔽的隐身防护，可重构天线的功能调控等。在民用方面，FSS可以作为吸波材料和屏蔽材料，用于电磁设备的信息安全保护、电磁屏蔽、抗干扰和微波暗室，卫星通信的电磁屏蔽等方面。
MXene是一种2011年新发现的二维材料家族，通常是通过从三元碳化物或氮化物MAX相中选择性蚀刻特定原子层而合成的2D层状材料。MXene及其相关复合材料具有优异的电磁波吸收能力，能够对0.3-2.5μm波段内的太阳光进行有效吸收。同时，MXene由于其因其独特的二维平面结构和较好的电磁吸收特性而受到普遍关注。在不同的应用领域，比如在太阳能发电、海水淡化以及生物医学等领域有着巨大的应用前景，其中，在电磁波吸收方面也是其最具应用价值的方向之一，目前MXene材料在这一领域的研究工作还比较少，还有很多研究工作值得去做。
综上所述，可利用MXene的优良导电及电磁波吸收能力，结合近年来的FSS研究热点（折纸FSS），对现代5G通信中典型频段的电磁干扰问题提供一定的解决方案。
发明内容
本发明提出了一种5GHz通信状态可切换的折纸结构，由若干个周期性排布的单元构成，每个单元包括柔性透明（Polyvinyl chloride，PVC）基底及在PVC基底上表面贴覆的MXene贴片，PVC基底沿其中轴线向下弯折，从而改变5GHz处的通信状态，进而自由选择弯折状态，避免5GHz频点的电磁干扰。
实现本发明的技术解决方案为：一种5GHz通信状态可切换的折纸结构，由若干个周期性排布的单元构成，每个单元包括PVC基底及MXene贴片，MXene贴片以图案化方式贴覆在PVC基底的上表面，PVC基底沿其中轴线向下弯折，弯折角度为β，MXene贴片的图案以上述中轴线为界分为第一部分和第二部分，第一部分由两个开口相对的C形贴片构成，以拓宽频移带宽；第二部分由四条平行于PVC基底中轴线的矩形MXene贴片构成，以控制初始通信频点；PVC基底相对介电常数为2.45，电损耗角正切为0.005，厚度为2mm，长宽均为80mm；MXene材料电导率为5.8×106S/m。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）本发明的单元材料MXene成本低，同时可3D自由打印，自身也具备一定的电磁波吸收能力，与传统使用金属的FSS相比可节约加工及材料成本。
（2）本发明采用的基底材料PVC非常常见，生产成本低、质量轻、阻燃隔热、耐弯性好、化学性能稳定，且柔性可弯折，相比目前动辄上万的微波板相比成本明显降低。
（3）本发明巧妙的结合PVC 及MXene两者的特点，针对5GHz信号设计了FSS结构，其形态可推广应用于各种场合如保密会议室、精密设备站、家居等的百叶窗上，保证采光的同时可自由切换5GHz信号的通信状态，与现有技术相比，具有耐弯性好、化学稳定性好等优点，能够在长时间内保证性能的稳定，使用寿命更长，且价格便宜、加工制作方便，性价比极高。
附图说明
图1是本发明5GHz通信状态可切换的折纸结构中单个单元的结构示意图。
图2是本发明的弯折结构示意图。
图3是本发明在β角为180°下的S参数曲线。
图4是本发明在β角为150°下的S参数曲线。
图5是本发明在β角为120°下的S参数曲线。
图6是本发明在β角为90°下的S参数曲线。
图7是本发明在β角为60°下的S参数曲线。
图8是本发明在β角为30°下的S参数曲线。
图9是本发明在β角变化时的S21参数对比。
图10是本发明5GHz通信状态可切换的折纸结构中四个单元的分布示意图。
MXene由两部分图案组成，左侧为两个相对的C形贴片，圆环内直径为L1=23.6mm，圆环外直径为L2=26mm，圆环之间间距为X=19.4mm。
右侧为四条矩形MXene贴片，贴片短边长为w=0.3mm，长边长为L=70mm，贴片间间距为w1=0.6mm，与方环间距为Y=1.2mm。
PVC厚度为h=2mm，单个单元长和宽均为P=80mm，弯折时沿图1中轴线开槽处向下表面弯折，弯折角度为β。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
实施例
结合图1、图2和图10，本发明所述的一种5GHz通信状态可切换的折纸结构，由若干个周期性（以4行4列周期分布）排布的单元构成，每个单元包括PVC基底及MXene贴片，MXene贴片以图案化方式贴覆在PVC基底的上表面，PVC基底为正方形，在面内的两条中轴线，一条为x轴，另一条为y轴。PVC基底沿其中轴线（x轴）向下弯折，弯折角度为β，MXene贴片的图案以上述中轴线为界分为第一部分（如图1左侧图案）和第二部分（如图1右侧图案），第一部分由两个开口相对的C形贴片构成，用以拓宽频移带宽，两个C形贴片关于y轴对称。第二部分由四条平行于PVC基底中轴线的矩形MXene贴片构成，用以控制初始通信频点，每条矩形MXene贴片关于y轴对称；PVC基底相对介电常数为2.45，电损耗角正切为0.005，厚度为2mm，长宽均为80mm；MXene材料电导率为5.8×106S/m。
第一部分中的两个开口相对的C形贴片的中心点连线与PVC基底的中轴线平行，即两个开口相对的C形贴片沿x轴方向排布，每个C形贴片的内直径L1=23.6mm，外直径L2=26mm，两个C形贴片的间距X=19.4mm，该间距指的是两个C形贴片的外圈之间的最短距离。
每个矩形MXene贴片的短边长w=0.3mm，长边长L=70mm，相邻两个矩形MXene贴片的间距w1=0.6mm，该间距指的是相邻两个矩形MXene贴片外边缘之间的最短距离。
第一部分与第二部分的间距Y=1.2mm，该间距指的是第一部分边缘与第二部分边缘之间的最短距离，第一部分最右侧边缘与第二部分最左侧边缘到x轴距离相等。PVC基底厚度h=2mm，单个单元长和宽均为P=80mm，弯折时沿图1中。PVC基底上表面的x轴处开槽，并向下弯折，弯折角度为β，不同弯折角度下此结构具有不同的通信频带，具体展开如下：
图3-图8是弯折状态分别在180、150、120、90、60、30°时的S参数曲线，由商业电磁仿真软件CST Studio Suite仿真得到，横坐标表示频率，纵坐标表示对电磁波能量的透射率和反射率。可以看出，在180°即未弯折时，5GHz的透射率低于-10dB，反射率接近于0dB，说明此时5GHz信号无法通过。弯折角度分别为150°、120°、90°、60°、30°时，阻带逐渐移出5GHz，为更好的比较弯折效果，图9列出了不同弯折角度下的S21参数对比，可以看出除却180°（平板）状态下5GHz信号可以通过外，其余弯折状态5GHz信号均可通过。因此，本发明可以应用推广于各种场合如保密会议室、精密设备站、家居等的百叶窗上，保证采光的同时可自由切换5GHz信号的通信状态。
Claims (5)
1.一种5GHz通信状态可切换的折纸结构，其特征在于：由若干个周期性排布的单元构成，每个单元包括PVC基底及MXene贴片，MXene贴片以图案化方式贴覆在PVC基底的上表面，PVC基底沿其中轴线向下弯折，弯折角度为β，MXene贴片的图案以上述中轴线为界分为第一部分和第二部分，第一部分由两个开口相对的C形贴片构成，以拓宽频移带宽；第二部分由四条平行于PVC基底中轴线的矩形MXene贴片构成，以控制初始通信频点；PVC基底相对介电常数为2.45，电损耗角正切为0.005，厚度为2mm，长宽均为80mm；MXene材料电导率为5.8×106S/m。
2.根据权利要求1所述的5GHz通信状态可切换的折纸结构，其特征在于：第一部分与第二部分的间距Y=1.2mm。
3.根据权利要求2所述的5GHz通信状态可切换的折纸结构，其特征在于：第一部分中的两个开口相对的C形贴片的中心点连线与PVC基底的中轴线平行。
4.根据权利要求3所述的5GHz通信状态可切换的折纸结构，其特征在于：两个C形贴片尺寸相同，C形贴片的内直径L1=23.6mm，C形贴片的外直径L2=26mm，两个C形贴片的间距X=19.4mm。
5.根据权利要求2所述的5GHz通信状态可切换的折纸结构，其特征在于：
第二部分中每个矩形MXene贴片的短边长w=0.3mm，长边长L=70mm，相邻两个矩形MXene贴片的间距w1=0.6mm。
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