CN117769236A - 一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，利用通过在介质基材上附着周期排列的金属图案可以调控介质基材的等效介电常数和等效磁导率，对入射的电磁波产生特定的响应，从而有效增加特定频段特定电磁波来波方向电磁波透射性能，从而实现提高介质基材电磁透波效率的功能。
Description
技术领域
本发明属于电磁通信技术领域及新型人工电磁材料领域，具体而言，涉及一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构。
背景技术
电磁通信技术是一种基于电磁波传播的信息传输技术。它涵盖了广泛的应用领域，包括无线通信、卫星通信、雷达系统、光通信等，人工电磁材料是一类通过设计和制造人工结构来展现出在自然材料中不存在的电磁特性的材料。这些材料被设计用于操控电磁波的传播，从而实现一些在传统材料中无法实现的功能。
新一代移动通信技术在速率、时延、连接数以及移动性上有极大提升。但由于频率的上升导致波长减少，因此很多在前代移动通信中没有考虑的影响不能简单忽略，比如电磁波穿透墙壁、窗户等介质层时的反射特性和传输损耗，以及空间中存在的各种电磁信号的干扰问题。
现有通信中，通信信号穿透墙壁、窗户等介质层时的信号强度恶化的问题比较严重。减轻现有材料对于电磁波的透射性能的恶化的方案在近几年受到研究者的关注。随着超材料以及超表面领域的长足发展，通过在材料上附着以在0.2～0.5入射波长内周期排列的金属图案可以调控材料的等效介电常数和等效磁导率，这使超材料和空气在大角度斜入射情况下实现宽带阻抗匹配成为可能，可以有效提高材料电磁透波性能，因此如何提高介质基材电磁透波效率是需要解决的问题。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提供了一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，包括两个电磁透波功能层和位于其中部的介质基板层，所述电磁透波功能层由若干个周期性等间隔排布的金属图案功能层单元组成，所述介质基板层由若干个与金属图案功能层单元相适配的介质基板层单元组成；
每个所述介质基板层单元均包括两层介质基板和位于两层介质基板之间的空气介质层；
每个所述金属图案功能层单元均包括金属图案层、透明柔性材料层和OCA胶层，所述金属图案层位于透明柔性材料层和OCA胶层之间并印刷于透明柔性材料层表面，所述OCA胶层粘贴于上下方相邻的介质基板表面，所述金属图案层处的金属图案包括两个U型金属条与一系列等距分布的圆弧金属枝节，并以单元中心每90°旋转对称而成的十字型结构。
进一步地，金属图案功能层单元的排布周期为T，且满足公式：
上述公式中，c为真空中光速，f0为中心频率，Er为介质基板材料介电常数，h为介质基板材料厚度，θ为修正因子，根据不同材料厚度等实际情况调整，所有参数单位为mm。
进一步地，所述两个U型金属条通过在以单元中心为轴心的两个坐标轴与方形两个直角边相平行的xy坐标系上作特定函数来确定：
f1(x)＝A1x2(其中0.1≤A1≤1.5)，
f2(x)＝A2x2+b(其中0.8≤A2≤3.6,0.14T≤b≤0.42T)。
进一步地，所述金属枝节按等间隔采样而成，采样间隔d满足0.04T≤d≤0.1T，
采样数为n(其中n取最大值)，
U型金属条与金属枝节线宽等宽，线宽满足0.02T≤W≤0.04T。
进一步地，所述电磁透波功能层通过工艺排布于介质基板层表面。
进一步地，所述介质基板层为电磁波透波材料。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明应用于通过在建筑外墙、玻璃窗、塑料、木板等采用介质基材的建筑结构，通过在结构表面粘贴电磁透波功能层的方式，从而在特定频段特定电磁波来波方向内，大幅减小电磁波在介质基材的透射幅度，该发明可以用于改善采用介质基材的建筑同频干扰问题。
2、本发明适用范围广，实际场景应用的单层或多层介质基板，本发明根据介质基板层具体尺寸灵活电磁透波功能层的尺寸，以实现最佳的性能。
3、本发明如采用印制电路板的蚀刻工艺，可保证整体结构强度；本发明如采用导电玻璃ITO工艺，可保证玻璃的高透光性；本发明如采用Cu Mesh工艺将电磁透波功能层先印刷于透明柔性材料后粘贴至介质基板的工艺，可实现介质基板表面的高可见性，和透明材料介质基板(例如玻璃、亚克力材料等)的高透光性。
4、本发明的安装方式可以为后装工艺，即可以在不更换原有介质基板的条件下完成，将设计好的电磁透波功能层通过粘接工艺粘贴至介质基板表面，该方式大幅提高了应用的灵活度，使得该结构的广泛应用和普及成可能。
5、本发明的电磁透波功能层可以采用柔性材料印刷并粘接与介质基板的方式，极大地方便了共形的需求，应用更加广泛。
附图说明
图1为本发明中电磁透波功能层和介质基板层的结构示意图。
图2为本发明中金属图案功能层单元和介质基板层单元的结构示意图。
图3为本发明中金属图案的平面图。
图4为本发明中金属图案构造过程图。
图5为本发明中实际测试场景俯视方向的示意图。
图6为本发明中实施前的透波材料的电磁波透射性能曲线图。
图7为本发明中实施后的透波材料的电磁波透射性能曲线图。
图8为本发明中发明实施后的透波材料上的电磁波透射性能曲线图。
图中：1、介质基板层；2、介质基板；3、空气介质层；4、电磁透波功能层；5、OCA胶层；6、金属图案层；7、透明柔性材料层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明装置进行更全面的描述。附图中给出了所述装置的实施例。但是，该装置可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是对本发明公开内容更加透彻全面。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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发明中的具体含义。
实施例
如图1-2所示，本实施例提供了一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，包括两个电磁透波功能层4和位于其中部的介质基板层1，所述电磁透波功能层4由若干个以特定单元周期性等间隔排布的金属图案功能层单元组成，所述介质基板层1由若干个与金属图案功能层单元相适配的介质基板层单元组成；
其中，金属图案功能层单元的排布周期为T，且满足公式：
上述公式中，c为真空中光速，f0为中心频率，Er为介质基板材料介电常数，h为介质基板材料厚度，θ为修正因子，根据不同材料厚度等实际情况调整，所有参数单位为mm。
电磁透波功能层4通过工艺排布于介质基板层1表面，如介质基板2为PCB基板，采用印制电路板的蚀刻工艺，将电磁透波功能层4蚀刻于PCB基板表面；如介质基板2为导电玻璃，采用ITO工艺，在导电膜上蚀刻出电磁透波功能层4；如介质基板2为钢化玻璃、亚克力材料、塑料、木板等常规材料，采用CuMesh工艺，将电磁透波功能层4先印刷于透明柔性材料如PET材料，然后通过粘接工艺将电磁透波功能层4粘接于介质基板2表面，需要说明的是，本实施例中的介质基板2采用钢化玻璃材质，且厚度为10mm，同时空气介质层1的厚度为14mm。
需要说明的是，电磁透波功能层4可以印刷于透明柔性材料层7的任一侧面，本实施例中，电磁透波功能层4印刷于透明柔性材料层7靠近介质基板层1的侧面，透明柔性材料层7可以起到保护的作用，延长该结构的使用寿命。
每个所述介质基板层单元均包括两层介质基板2和位于两层介质基板2之间的空气介质层3，需要说明的是，介质基板层2可为单层或多层结构，其每一层的厚度、层与层之间的间隔为实际场景尺寸，并根据介质基板层2具体尺寸调整金属图案功能层单元结构尺寸，同时本实例中的中心频点为4.85GHz，设计频段为4.7GHz-5GHz，电磁波入射角为0°-60°。
如图3所示，每个所述金属图案功能层单元均包括金属图案层6、透明柔性材料层7和OCA胶层5，所述金属图案层6处的金属图案为十字型结构，在本实施例中其构造过程如图4所示，具体如下：
以单元中心为轴心的两个坐标轴与方形两个直角边相平行的xy坐标系,在xy坐标系上如图4-①-(a)作特定函数：
f1(x)＝A1x2(其中0.1≤A1≤1.5)，
如图4-①-(b)作特定函数：
f2(x)＝A2x2+b(其中0.8≤A2≤3.6,0.14T≤b≤0.42T)；
如图4-②所示，确定采样间隔为0.04T≤d≤0.1T，在坐标系上作以原点为圆心的一系列半径等间隔的圆，圆的半径为：
Rn＝nd(n满足)，
其中最大半径的圆满足：
Rmax＝nd(n取满足最大值)；
其中，U型金属条与金属枝节线宽等宽，线宽W＝1mm，采样间隔d＝0.08T，采样数n＝6；
如图4-③所示，图中4-③-(a)和4-③-(b)分别表示两个U型金属条，两个U型金属条分别与函数f1(x)和函数f2(x)相重合，如图4-③-(c)所示，取一系列半径等间隔的圆与函数f1(x)和函数f2(x)相交的圆弧作为圆弧金属枝节；且与最大半径圆弧相交点为顶点；
如图4-④所示，图中4-④-(a)两个U型金属条与圆弧金属枝节通过展宽宽度即可形成金属图案层的基础，两个U型金属条与圆弧金属枝节十元原点为轴心，旋转90°形成旋转对称的完整的金属图案(a)；
上述步骤中，因为介质基板层1的两个钢化玻璃层厚度一样，所以电磁透波功能层4尺寸相同，且两个电磁透波功能层4为同心结构；
经过仿真优化，确定函数分别为：
f1(x)＝0.47x2；
f2(x)＝1.24x2+11.8。
所述金属图案层6位于透明柔性材料层7和OCA胶层5之间并通过CuMesh工艺印刷于透明柔性材料层7表面，所述OCA胶层5粘贴于上下方相邻的介质基板2表面。
得到实施前的介质基材的电磁波透射性能曲线图(如图6所示)，以及实施后的介质基材的电磁波透射性能曲线图(如图7所示)，由图7相比图6可看出，在4.7GHz-5GHz的频率范围内，电磁波透射幅度显著增加，与未粘合该电磁透波结构的介质基材相比较，该电磁透波结构的介质基材大部分电磁波能量可以从介质基材透过。
为了直观的体现粘合该电磁屏蔽结构的介质基材相比于未粘合该电磁屏蔽结构介质基材对电磁波透射幅度的变化，将透射性能定义为：透射性能(dB)＝特定入射角下粘合该电磁屏蔽结构的介质基材的电磁波透射幅度(dB)-特定入射角下未粘合该电磁屏蔽结构的介质基材的电磁波透射幅度(dB)；
如图8所示，图中曲线为处理之后的粘合该电磁透波结构的介质基材前后的电磁波透射性能，4.7GHz-5GHz的频率范围内，在0°-60°电磁波入射角度内，粘合该电磁透波结构的介质基材相较于未粘合该电磁透波结构的介质基材的电磁波透射幅度大幅度增加，在所需频带范围内电磁波透射幅度增加10dB以上。所述粘合该电磁透波结构的介质基材在设计的频段内有良好的电磁波透波效果。
本实施例所述一种用于实现电磁波衰减的金属图案功能层结构，利用通过在透波材料上附着周期排列的金属图案可以调控透波材料的等效介电常数和等效磁导率，对入射的电磁波产生特定的响应，从而有效减少特定频段特定电磁波来波方向电磁波透射性能，从而实现透波材料电磁屏蔽的功能，实际测试场景示意图如图5所示。
需要说明的是，本发明所述结构可以以多种不同的形式来实现，并不限于所述实施例，凡是本领域普通技术人员利用本发明说明书及附图内容所作的任何等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，例如其他物品的装卸，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，包括两个电磁透波功能层和位于其中部的介质基板层，其特征在于：所述电磁透波功能层由若干个周期性等间隔排布的金属图案功能层单元组成，所述介质基板层由若干个与金属图案功能层单元相适配的介质基板层单元组成；
每个所述介质基板层单元均包括两层介质基板和位于两层介质基板之间的空气介质层；
每个所述金属图案功能层单元均包括金属图案层、透明柔性材料层和OCA胶层，所述金属图案层位于透明柔性材料层和OCA胶层之间并印刷于透明柔性材料层表面，所述OCA胶层粘贴于上下方相邻的介质基板表面，所述金属图案层处的金属图案包括两个U型金属条与一系列等距分布的圆弧金属枝节，并以单元中心每90°旋转对称而成的十字型结构。
2.如权利要求1所述的一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，其特征在于：所述金属图案功能层单元的排布周期为T，且满足公式：
上述公式中，c为真空中光速，f0为中心频率，Er为介质基板材料介电常数，h为介质基板材料厚度，θ为修正因子。
3.如权利要求2所述的一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，其特征在于：所述两个U型金属条通过在以单元中心为轴心的两个坐标轴与方形两个直角边相平行的xy坐标系上作特定函数来确定：
f1(x)＝A1x2(其中0.1≤A1≤1.5)，
f2(x)＝A2x2+b(其中0.8≤A2≤3.6,0.14T≤b≤0.42T)。
4.如权利要求3所述的一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，其特征在于：所述U型金属条与金属枝节的线宽等宽，且金属枝节按等间隔采样而成，采样间隔d满足0.04T≤d≤0.1T，
采样数为n(其中),n取最大值)，
U型金属条与金属枝节线宽等宽，线宽满足0.02T≤W≤0.04T。
5.如权利要求1所述的一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，其特征在于：所述电磁透波功能层(4)通过工艺排布于介质基板层(1)表面。
6.如权利要求1所述的一种用于增加电磁波透波性能的金属图案功能层结构，其特征在于：所述介质基板层(1)为电磁波透波材料。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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