人工電磁屏蔽材料制造技術

本發明專利技術提供一種人工電磁屏蔽材料，包括10層以上的介質板，每層介質板上印有連續或不連續的金屬絲構成的金屬絲陣列，所述金屬絲陣列為大于8行且行間距為ax的連續金屬絲，或者為行數大于8、列數大于8且行間距及列間距為ax和ay的非連續金屬絲，所述行間距及列間距ax和ay同時都要小于λg/2，即所述金屬絲陣列錯開布拉格散射條件，λg為所需要屏蔽的截止波長；本人工電磁屏蔽材料結構簡單，所需的介質板可以為任意的介電常數的介質，連續金屬絲的屏蔽效能為高通，為超寬帶屏蔽材料，涵蓋頻段寬，起始頻率為0，本發明專利技術可以對任意方向的電磁波進行屏蔽。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電磁屏蔽領域，也屬于電磁材料領域，具體涉及一種超寬帶高屏蔽效能的屏蔽材料。
技術介紹
人工電磁材料是指將人造單元結構以特定方式排列組合形成的具有特殊電磁特性的人工結構材料。包括單負材料、雙負材料(又稱左手材料)、電磁帶隙材料及手性材料等。目前單負和雙負材料又分為諧振型及傳輸線型兩類，根據其等效的介電常數或磁導率正負得以區分。單負材料由于具有負介電系數或負的磁導率，電磁波在其中為倏逝波、無法傳播，所以具有極好的帶阻特性，可用于設計屏蔽材料及空間濾波器。無論是在民用還是軍事領域，對電磁脈沖尤其是微波電磁脈沖的電磁防護都非常重要，濾波或選擇好的屏蔽材料，就可以盡量避免電磁脈沖輻射可能帶來的危害。由于材料的單負特性，電磁波在其中無法傳播，能夠對特定頻段的電磁波實施無損耗的反射,具有良好的屏蔽特性，同時對于金屬絲結構的負介電系數人工電磁材料，其負參數頻帶寬，可以由直流一直到微波頻段，且結構簡單，周期單元間存在縫隙，可以同時解決通風散熱的問題，且無需考慮高頻接地的問題，具有極其優異的電磁屏蔽性能。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供一種超寬帶的電磁屏蔽材料。為實現上述專利技術目的，本專利技術技術方案如下：一種人工電磁屏蔽材料，包括10層以上的介質板，每層介質板上印有連續或不連續的金屬絲構成的金屬絲陣列，所述金屬絲陣列為大于8行且行間距為ax的連續金屬絲，或者為行數大于8、列數大于8且行間距及列間距分別為ax和ay的非連續金屬絲，所述行間距及列間距ax和ay同時都要小于λg/2，即所述金屬絲陣列錯開布拉格散射條件，λg為所需要屏蔽的截止波長。設定10層以上的介質板的原因在于：根據FDTD方法進行數值計算表明，每增加一層屏蔽材料，對波的抑制增加4dB，每增加一個金屬絲，抑制增加3dB。當為10層以上時，就可以使得屏蔽效果約40dB(目前一般屏蔽材料的屏蔽性能)。非連續金屬絲設定行數及列數大于8是為了能使屏蔽效能達到40dB，小于8列或8行則屏蔽效能達不到40dB。當入射電磁波沿介質板方向垂直入射，電場方向與金屬絲平行時，構成了與等離子體或形成了諧振系統，使得材料在等離子頻率一下或是諧振頻率與等離子體頻率之間具有負的等效介電常數，從而電磁波在這一頻段內不能傳播。作為優選方式，所述行間距ax＝(1/10-1/5)λg，列間距ay＝(1/10-1/5)λg。這樣設定能夠更好的避開布拉格散射條件(a＝λg/2)。作為優選方式，至少兩層相鄰的介質板中的金屬絲陣列相互垂直設置。相互垂直的多層結構使得在垂直金屬絲的方向也具有屏蔽效能，從而使得整個材料具有任意極化特性的垂直入射平面波都有屏蔽效能。作為優選方式，每層介質板之間設有間隙az，所述間隙az錯開布拉格散射條件，即1/(10λg)＜az＜1/(5λg)。作為優選方式，所述多層介質板為壓制在一起的無間隙的整體。作為優選方式，所述材料的尺寸大于需要屏蔽區域8-10個周期單元，一個金屬絲為一個周期單元。由于邊緣效應的存在，使材料的尺寸大于所需要屏蔽區域的8～10個周期單元，才能保證整個屏蔽區域的屏蔽效能是相同的。作為優選方式，所述介質板為FR4環氧玻璃纖維板。作為優選方式，所述金屬絲陣列通過PCB工藝印制在介質板上。含有金屬絲的介質板可以看作是一種特殊的集成電路。作為優選方式，所述金屬絲陣列的印制方式為：在介質板上壓合或涂覆金屬層，然后通過腐蝕的方法形成金屬絲陣列。作為優選方式，所述金屬絲陣列由不連續的金屬絲構成，金屬絲陣列為19行、19列，介質板為16層。通過計算得出此時材料對入射波的抑制能達到64dB，當為16層時的屏蔽效果就和介質板材料為無限多層時的效果是一樣的了，無線多層介質板的時候屏蔽效果在64db左右。本專利技術采用了一種新的人工電磁材料作為設計的基本結構單元，利用人工電磁材料的負參數特點，選取了具有負介電系數的金屬絲周期結構(負參數頻帶寬)。利用其具有的負介電常數的特性，通過恰當的設計，使得本專利技術在20MHz-18GHz具有很好的屏蔽效能，其屏蔽效能大于40dB。本專利技術的工作原理如下：當材料的電諧振單元為連續金屬絲時，材料的電磁特性類似于等離子體，材料的等效負介電系數與材料的等離子體頻率有關，對于低于該頻率的電磁波，材料的有效介電系數為負數；對于高于該頻率的電磁波，材料的有效介電系數為正數。通過建立等效的介質模型來說明其具體的原理。利用Drude模型的色散特性，可以建立起諧振型單負等效介質模型，其波數k為k=iω|ϵ(ω)|·μ(ω)]]>由上式可以看出，波在負介電系數媒質中傳播時，其波數為虛數，波的振幅將隨著傳播距離指數衰減，成為倏逝波，即波在單負媒質中無法傳播。因此，通過慎重選擇Drude模型中的各參數，就可以用Drude模型對單負材料建模，模型將充分反映單負材料獨特的電磁特性，在單負材料中，電磁波無法傳播，如圖2所示。本專利技術采用了負介電系數的材料設計屏蔽材料，即金屬絲結構。因為負介電系數材料較之負磁導率材料和帶隙材料，其等效負介電系數頻帶較之負磁導率材料的等效負磁導率頻帶、帶隙材料的電磁禁帶更寬，且結構更簡單。當入射電磁波的電場與金屬的走向一致時，或是其沿金屬絲走向的場分量能激勵金屬絲結構，在金屬絲上的感應電流的流動，使材料的等效介電系數為負數，從而被反射屏蔽，而其他方向的將通過屏蔽材料。對于連續金屬絲來說，其負系數的起始頻率為零，即對于低于其截止頻率(等離子體頻率)的電磁波其等效的介電常數為負，高于此頻率為正。其等效的負介電常數的頻帶與其周期結構以及單元的尺寸有著非常重要的關系。為此，首先研究了當人工電磁材料中的金屬絲僅沿一個方向時，材料對電磁波的屏蔽效能。設電磁波沿x方向傳播，材料周期單元結構中的不連續金屬絲沿y方向，材料的基本結構為沿x、y和z方向的周期尺寸分別為ax＝3.6mm和ay＝az＝5.5mm，支撐金屬絲的印制板厚為1.5mm；相對介電系數和磁導率分別為εr＝4.41和μr＝1；金屬絲沿x方向的寬w＝0.3mm，金屬絲長l＝5.0mm，間隙g＝0.5mm；材料的等效負介電系數頻帶位于13～19GHz波段，圖3給出了當電磁波垂直入射，電場方向與金屬絲方向，即y方向，夾角分別為0，45，90度時，負介電系數材料的電磁特性。從圖中可以看出，當電磁波垂直入射時，無論入射波電場方向與y軸的夾角怎樣變化，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種人工電磁屏蔽材料，其特征在于：包括10層以上的介質板，每層介質板上印有連續或不連續的金屬絲構成的金屬絲陣列，所述金屬絲陣列為大于8行且行間距為ax的連續金屬絲，或者為行數大于8、列數大于8且行間距及列間距分別為ax和ay的非連續金屬絲，所述行間距及列間距ax和ay同時都要小于λg/2，即所述金屬絲陣列錯開布拉格散射條件，λg為所需要屏蔽的截止波長。

【技術特征摘要】
1.一種人工電磁屏蔽材料，其特征在于：包括10層以上的介質板，每層介質板上印有連
續或不連續的金屬絲構成的金屬絲陣列，所述金屬絲陣列為大于8行且行間距為ax的連續
金屬絲，或者為行數大于8、列數大于8且行間距及列間距分別為ax和ay的非連續金屬絲，所
述行間距及列間距ax和ay同時都要小于λg/2，即所述金屬絲陣列錯開布拉格散射條件，λg
為所需要屏蔽的截止波長。
2.根據權利要求1所述的人工電磁屏蔽材料，其特征在于：所述行間距ax＝(1/10-1/5)
λg，列間距ay＝(1/10-1/5)λg。
3.根據權利要求1所述的人工電磁屏蔽材料，其特征在于：至少兩層相鄰的介質板中的
金屬絲陣列相互垂直設置。
4.根據權利要求1所述的人工電磁屏蔽材料，其特征在于：每層介質板之間設有間隙
az，所述間隙az錯開布拉格散射條件，即1/(10λg)＜...

【專利技術屬性】
技術研發人員：包永芳，黃九榮，陳波，肖磊，呂俊材，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51