CN116454638B - 一种L-Ku频段的超宽带微纳能量选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种L‑Ku频段的超宽带微纳能量选择表面，包括：第一衬底介质基板、夹层介质基板和第二衬底介质基板；第一衬底介质基板和第二衬底介质基板在夹层介质基板的相对两侧分别设置；第一衬底介质基板远离夹层介质基板的一侧和第二衬底介质基板远离夹层介质基板的一侧分别设置有电磁响应结构；电磁响应结构包括：多个电磁响应组件；电磁响应组件包括：二极管和电极连接件；在第一衬底介质基板的侧面上，二极管采用外延生长和掺杂工艺集成设置，电极连接件采用外延生长和掺杂工艺集成设置；在第二衬底介质基板的侧面上，二极管采用外延生长和掺杂工艺集成设置，电极连接件分别采用外延生长和掺杂工艺集成设置。
Description
技术领域
本发明涉及强电磁脉冲防护领域，尤其涉及一种L-Ku频段的超宽带微纳能量选择表面。
背景技术
当今时代，电子信息系统得到了进一步发展，具体体现在集成化程度不断提高、器件密度不断增加、设备尺寸不断减小、系统功能不断增强等多个方面。同时，电子信息系统对环境中电磁场的敏感度也在不断提高。实验表明，耦合到电子信息系统内部的电磁脉冲会对电子信息系统造成性能受扰、功能降级、系统失效、设备损毁等不同程度的毁伤效果。尤其是能量密度较高的有意、无意辐射会对电子信息系统的性能产生较为明显的影响。怎样在复杂多变的电磁环境中保护电子信息系统不受损伤已经成为了一个亟待解决的课题。
电子信息系统使用的频段日渐广泛，对电磁防护技术不断提出了新的挑战。部分复杂电子信息系统的工作信号频率已经覆盖了L、S、C、X、Ku多个频段，超宽频带电子信息系统的电磁防护需求愈发强烈。
根据电子信息系统电磁防护的部位不同，可以将电磁防护分为“前门”和“后门”防护两种。“后门”防护针对的是门窗孔缝、线缆管道等，主要通过以搭接、屏蔽、吸波和滤波等手段，切断电磁波传播途径；“前门”防护针对的是电子信息系统的信号链路，采用屏蔽等手段无法在不影响正常工作性能的前期下实现电磁防护效果。“前门”防护主要是从时间、空间、频率、能量四个维度将保护电子信息系统，其中能量域防护能够有效地对带内外的大功率电磁脉冲起到有效防护。例如，中国专利申请CN101754668A一种电磁能量选择表面中提出了能量选择表面的概念，即能够自适应地根据空间场强改变自身工作状态，对带内强电磁脉冲自适应防护，但是工作频段仅限于L频段。中国专利申请CN109451718B一种超宽带能量选择表面实现了S频段的防护，但是对高频的防护仍旧存在缺陷。中国专利申请CN115566437B一种X波段宽带能量选择表面实现了X频段的防护，具备一定的超宽带潜力，但在高频段的防护能力还有提升空间。由此可见，目前所公开的方案中，还没有一种方案能够满足大带宽、高防护、低插损的现实需求，为此亟需提供一种能够满足上述现实需求的能量选择表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种L-Ku频段的超宽带微纳能量选择表面，用于满足在L-Ku频段具有低插入损耗、高防护效能的要求。
为实现上述发明目的，本发明提供一种L-Ku频段的超宽带微纳能量选择表面，包括：第一衬底介质基板、夹层介质基板、第二衬底介质基板和电磁响应结构；
所述第一衬底介质基板和所述第二衬底介质基板在所述夹层介质基板的相对两侧分别设置；
所述电磁响应结构在所述第一衬底介质基板远离所述夹层介质基板的一侧和所述第二衬底介质基板远离所述夹层介质基板的一侧分别设置；
所述电磁响应结构包括：多个电磁响应组件；
多个所述电磁响应组件相互连接的构成网状结构；
所述电磁响应组件包括：二极管和与所述二极管电极相连接的电极连接件；
多个所述电磁响应组件通过所述电极连接件相互连通；
在所述第一衬底介质基板的侧面上，所述二极管采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第一衬底介质基板上，所述电极连接件采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第一衬底介质基板上；
在所述第二衬底介质基板的侧面上，所述二极管采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第二衬底介质基板上，所述电极连接件采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第二衬底介质基板上；
所述第一衬底介质基板上设置的所述电磁响应结构与所述第二衬底介质基板上设置的所述电磁响应结构镜像对称。
根据本发明的一个方面，所述电磁响应结构为采用六边形网格单元的网状结构；其中，所述六边形网格单元采用六个所述电磁响应组件依次连接构成；
在同一矢量方向上，所述二极管的电极朝向相一致的设置。
根据本发明的一个方面，所述六边形网格单元呈正六边形设置；
在所述六边形网格单元的每条边上，所述二极管处于中间位置设置。
根据本发明的一个方面，所述电极连接件包括：用于与所述二极管阴极相连接的阴极连接件和用于与所述二极管阳极相连接的阳极连接件；
所述阴极连接件为采用单质金属的片状结构，或者，所述阴极连接件为采用金属合金的片状结构，或者，所述阴极连接件为采用多种金属的叠层结构；
所述阳极连接件为采用单质金属的片状结构，或者，所述阳极连接件为采用金属合金的片状结构，或者，所述阳极连接件为采用多种金属的叠层结构。
根据本发明的一个方面，所述阴极连接件为采用多种金属的叠层结构，其中，所采用的金属分别为Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属，且Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属按顺序依次层叠的设置；
所述阳极连接件为采用多种金属的叠层结构，其中，所采用的金属分别为Ni金属和Au金属，且Ni金属和Au金属按顺序依次层叠的设置。
根据本发明的一个方面，所述电极连接件呈直角梯形；其中，所述电极连接件第一侧边的径向长度满足：0.01 mm≤m 1≤0.5mm，其第二侧边的径向长度满足：0.01 mm≤m 2≤0.5mm，其垂直于所述第一侧边和所述第二侧边的切向长度满足：0.01 mm≤n≤0.3mm，其厚度满足：0.001mm≤h 1≤0.05mm。
根据本发明的一个方面，所述二极管为肖特基二极管；其中，所述二极管的径向长度满足：0.01mm≤a≤0.05mm，其切向长度满足：0.01mm≤a≤0.04mm，其厚度满足：0.01mm≤h 2≤0.05mm。
根据本发明的一个方面，所述第一衬底介质基板和所述第二衬底介质基板分别设置有用于覆盖所述电磁响应结构的钝化层；
所述钝化层采用磷硅玻璃、硼硅玻璃、氮化硅、氮氧化硅或三氧化二铝材料制成；
所述钝化层的厚度满足：0.0001mm≤h≤0.002mm。
根据本发明的一个方面，所述夹层介质基板的介电常数满足：2.2≤ε≤20，其厚度满足：0.01mm≤h 4≤10mm；
所述第一衬底介质基板采用碳化硅、氮化镓、蓝宝石、金刚石、氮化铝或单晶硅制成；其中，所述第一衬底介质基板的厚度满足:0.01mm≤h 3≤0.05mm;
所述第二衬底介质基板采用碳化硅、氮化镓、蓝宝石、金刚石、氮化铝或单晶硅制成；其中，所述第二衬底介质基板的厚度满足:0.01mm≤h 5≤0.05mm。
根据本发明的一种方案，本发明具备工作带宽大、插入损耗低、防护性能高的特点。
根据本发明的一种方案，本发明通过二极管对电磁场能量强度的自适应响应效应，实现在工作频段内高能量导通、低能量关断。
根据本发明的一种方案，本发明利用二极管在不同能量密度电磁场辐照下的等效电路模型与金属结构形成的谐振电路，实现能量选择表面在L-Ku波段的低插入损耗和高防护效能的目标。
根据本发明的一种方案，本发明中电磁响应结构和衬底介质基板可实现在同一块晶圆上加工，避免在分立二极管的加工和焊接过程中引入不可控的封装、焊接寄生参数，能够明显地提升能量选择表面的工作带宽，实现在L-Ku频段插入损耗小于1.6dB的效果。
根据本发明的一种方案，本发明相比分立的二极管器件，大大减小了二极管单元的间距，可以在高频段实现较好的强电磁防护效果。
根据本发明的一种方案，本发明中的二极管通过在电极设置的电极连接件相互连接，有效减小了相邻二极管之间的金属结构尺寸，使得二极管之间的连接间隔进一步减小，对进一步提高本发明的防护效能更为有益。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式的超宽带能量选择表面的结构图；
图2是根据本发明的一种实施方式的电磁响应结构的结构图；
图3是根据本发明的一种实施方式的电磁响应结构中六边形网格单元的结构图；
图4是根据本发明的一种实施方式的电磁响应组件的结构图；
图5是图3中P-P＇位置的剖面图；
图6是根据本发明的一种实施方式的超宽带能量选择表面在L-Ku波段的仿真测试结果图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种超宽带能量选择表面，包括：第一衬底介质基板1、夹层介质基板2和第二衬底介质基板3。在本实施方式中，第一衬底介质基板1和第二衬底介质基板3在夹层介质基板2的相对两侧分别设置；其中，第一衬底介质基板1远离夹层介质基板2的一侧和第二衬底介质基板3远离夹层介质基板2的一侧分别设置有电磁响应结构4。在本实施方式中，电磁响应结构4为本方案中主要起到低插入损耗和高防护效能的结构，其中，电磁响应结构4包括：多个电磁响应组件41。在本实施方式中，多个电磁响应组件41相互连接的构成网状结构；其中，电磁响应组件41包括：二极管411和与二极管411电极相连接的电极连接件412；多个电磁响应组件41通过电极连接件412相互连通。在本实施方式中，在第一衬底介质基板1的侧面上，二极管411采用外延生长和掺杂工艺集成在第一衬底介质基板1上，电极连接件412采用外延生长和掺杂工艺集成在第一衬底介质基板1上；在第二衬底介质基板3的侧面上，二极管411采用外延生长和掺杂工艺集成在第二衬底介质基板3上，电极连接件412采用外延生长和掺杂工艺集成在第二衬底介质基板3上。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，二极管411通过气相外延、液相外延、分子束外延等晶体生长方法实现在第一衬底介质基板1或第二衬底介质基板3上的外延生长；在本实施方式中，二极管411呈层叠状或者大致呈层叠状，其中，二极管411各层由氮化镓、砷化镓、硅、锗、碳化硅等半导体材料中的任意一种通过晶体生长的方法生长而成。进一步的，在二极管411各层完成生长以后通过离子注入等技术手段，将B、P、As、Au、Al等离子中的任意一种掺杂到半导体材料中，以实现二极管411的制备，实现二极管411对电流电压响应的电气性能。
根据本发明的一种实施方式，第一衬底介质基板1上 设置的电磁响应结构4与第二衬底介质基板3上设置的电磁响应结构4镜像对称。通过上述设置，在有效保证了本发明的电磁特性的情况下，使得本发明具有了可不区分正反面的优点，使得本发明的安装使用更为方便且性能更为可靠。此外，通过上述设置，还可有效降低整体的加工难度，更易保证整体的表面质量。
结合图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，电磁响应结构4为采用六边形网格单元的网状结构；其中，六边形网格单元采用六个电磁响应组件41依次连接构成。在本实施方式中，在同一矢量方向上，二极管411的电极朝向相一致的设置。
通过上述设置，采用六边形网格单元构成的电磁响应结构4在角度稳定上具有更为突出的优点。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，六边形网格单元呈正六边形设置。在本实施方式中，在六边形网格单元的每条边上，二极管411处于中间位置设置。在本实施方式中，沿电磁响应结构4的宽度方向（即同一矢量方向），二极管411的正极朝向宽度方向的一侧设置（参见图2和图3所示）。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，电极连接件412包括：用于与二极管411阴极相连接的阴极连接件和用于与二极管411阳极相连接的阳极连接件。在本实施方式中，阴极连接件为采用单质金属的片状结构，或者，阴极连接件为采用金属合金的片状结构，或者，阴极连接件为采用多种金属的叠层结构；阳极连接件为采用单质金属的片状结构，或者，阳极连接件为采用金属合金的片状结构，或者，阳极连接件为采用多种金属的叠层结构。
在本实施方式中，电极连接件412的厚度在0.0001mm-0.02mm之间。
结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，二极管411阴极为欧姆电极，进而，阴极连接件为采用多种金属的叠层结构，其中，所采用的金属分别为Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属，且Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属按顺序依次层叠的设置；阳极连接件为采用多种金属的叠层电极，其中，所采用的金属分别为Ni金属和Au金属，且Ni金属和Au金属按顺序依次层叠的设置。
结合图2、图3、图4和图5所示，根据本发明的一种实施方式，电极连接件412呈直角梯形；其中，电极连接件412第一侧边的径向长度满足：0.01 mm≤m 1≤0.5mm，其第二侧边的径向长度满足：0.01 mm≤m 2≤0.5mm，其垂直于第一侧边和第二侧边的切向长度满足：0.01mm≤n≤0.3mm，其厚度满足：0.001mm≤h 1≤0.05mm。
通过上述设置，将电极连接件412的尺寸设置在上述范围内，有效保证了相邻二极管411之间的间距合理，有效避免了二极管器件之间的相互影响，进而对保证本发明的能量选择表面的工作性能有益。
结合图2、图3、图4和图5所示，根据本发明的一种实施方式，二极管411为肖特基二极管；其中，二极管411的径向长度满足：0.01mm≤a≤0.05mm，其切向长度满足：0.01mm≤b≤0.04mm，其厚度满足：0.01mm≤h 2≤0.05mm。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一衬底介质基板1和第二衬底介质基板3分别设置有用于覆盖电磁响应结构4的钝化层。该钝化层可在第一衬底介质基板1和第二衬底介质基板3上整面覆盖，以实现对电磁响应结构4、第一衬底介质基板1未设置电磁响应结构4的空白区域和第二衬底介质基板3未设置电磁响应结构4的空白区域的覆盖，从而达到对电磁响应结构4、第一衬底介质基板1和第二衬底介质基板3的保护作用，有效避免能量选择表面被外界污染和提供抗氧化的作用。
在本实施方式中，钝化层采用磷硅玻璃、硼硅玻璃、氮化硅、氮氧化硅或三氧化二铝材料制成。其中，钝化层的厚度满足：0.0001mm≤h≤0.002mm。
如图5所示，根据本发明的一种实施方式，夹层介质基板2是整个能量选择表面的主要支撑材料，主要起到机械性能上的支撑作用。进而，夹层介质基板2选用高频电路板实现，如Rogers 5880、泰兴微波F4B、Arlon、Taconic等。在本实施方式中，夹层介质基板2的介电常数满足：2.2≤ε≤20，其厚度满足：0.01mm≤h 4≤10mm。
如图5所示，根据本发明的一种实施方式，第一衬底介质基板1同样可起到支撑作用，第一衬底介质基板1采用碳化硅、氮化镓、蓝宝石、金刚石、氮化铝或单晶硅制成；其中，第一衬底介质基板1的厚度满足:0.01mm≤h 3≤0.05mm;第二衬底介质基板3采用碳化硅、氮化镓、蓝宝石、金刚石、氮化铝或单晶硅制成；其中，第二衬底介质基板3的厚度满足:0.01mm≤h 5≤0.05mm。在本实施方式中，第一衬底介质基板1与第二衬底介质基板3的厚度为一致的。
为进一步说明本方案的技术效果，基于前述的方案设置，对其进行仿真分析，检验了能量选择表面的性能；参见图6所示，其中，横坐标是频率，纵坐标是插入损耗和防护性能，可以看出在L-Ku频段，本方案的插入损耗始终小于1.6dB，防护性能始终高于18dB，在X频段以上，防护性能均大于25dB，满足了超宽带、高频段的电磁防护需求。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种L-Ku频段的超宽带微纳能量选择表面，其特征在于，包括：第一衬底介质基板（1）、夹层介质基板（2）、第二衬底介质基板（3）和电磁响应结构（4）；
所述第一衬底介质基板（1）和所述第二衬底介质基板（3）在所述夹层介质基板（2）的相对两侧分别设置；
所述电磁响应结构（4）在所述第一衬底介质基板（1）远离所述夹层介质基板（2）的一侧和所述第二衬底介质基板（3）远离所述夹层介质基板（2）的一侧分别设置；
所述电磁响应结构（4）包括：多个电磁响应组件（41）；
多个所述电磁响应组件（41）相互连接的构成网状结构；
所述电磁响应组件（41）包括：二极管（411）和与所述二极管（411）电极相连接的电极连接件（412）；
多个所述电磁响应组件（41）通过所述电极连接件（412）相互连通；
在所述第一衬底介质基板（1）的侧面上，所述二极管（411）采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第一衬底介质基板（1）上，所述电极连接件（412）采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第一衬底介质基板（1）上；
在所述第二衬底介质基板（3）的侧面上，所述二极管（411）采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第二衬底介质基板（3）上，所述电极连接件（412）采用外延生长和掺杂工艺集成在所述第二衬底介质基板（3）上；
所述第一衬底介质基板（1）上设置的所述电磁响应结构（4）与所述第二衬底介质基板（3）上设置的所述电磁响应结构（4）镜像对称；
所述电极连接件（412）包括：用于与所述二极管（411）阴极相连接的阴极连接件和用于与所述二极管（411）阳极相连接的阳极连接件；
所述阴极连接件为采用多种金属的叠层结构，其中，所采用的金属分别为Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属，且Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属按顺序依次层叠的设置；
所述阳极连接件为采用多种金属的叠层结构，其中，所采用的金属分别为Ni金属和Au金属，且Ni金属和Au金属按顺序依次层叠的设置；
所述电极连接件（412）呈直角梯形；其中，所述电极连接件（412）第一侧边的径向长度满足：0.01 mm≤m 1≤0.5mm，其第二侧边的径向长度满足：0.01 mm≤m 2≤0.5mm，其垂直于所述第一侧边和所述第二侧边的切向长度满足：0.01 mm≤n≤0.3mm，其厚度满足：0.001mm≤h 1≤0.05mm；
所述二极管（411）为肖特基二极管；其中，所述二极管（411）的径向长度满足：0.01mm≤a≤0.05mm，其切向长度满足：0.01mm≤a≤0.04mm，其厚度满足：0.01mm≤h 2≤0.05mm。
2.根据权利要求1所述的超宽带微纳能量选择表面，其特征在于，所述电磁响应结构（4）为采用六边形网格单元的网状结构；其中，所述六边形网格单元采用六个所述电磁响应组件（41）依次连接构成；
在同一矢量方向上，所述二极管（411）的电极朝向相一致的设置。
3.根据权利要求2所述的超宽带微纳能量选择表面，其特征在于，所述六边形网格单元呈正六边形设置；
在所述六边形网格单元的每条边上，所述二极管（411）处于中间位置设置。
4.根据权利要求3所述的超宽带微纳能量选择表面，其特征在于，所述第一衬底介质基板（1）和所述第二衬底介质基板（3）分别设置有用于覆盖所述电磁响应结构（4）的钝化层；
所述钝化层采用磷硅玻璃、硼硅玻璃、氮化硅、氮氧化硅或三氧化二铝材料制成；
所述钝化层的厚度满足：0.0001mm≤h≤0.002mm。
5.根据权利要求4所述的超宽带微纳能量选择表面，其特征在于，所述夹层介质基板（2）的介电常数满足：2.2≤ε≤20，其厚度满足：0.01mm≤h 4≤10mm；
所述第一衬底介质基板（1）采用碳化硅、氮化镓、蓝宝石、金刚石、氮化铝或单晶硅制成；其中，所述第一衬底介质基板（1）的厚度满足:0.01mm≤h 3≤0.05mm;
所述第二衬底介质基板（3）采用碳化硅、氮化镓、蓝宝石、金刚石、氮化铝或单晶硅制成；其中，所述第二衬底介质基板（3）的厚度满足:0.01mm≤h 5≤0.05mm。
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