一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置及其参数优化方法

1.本发明属于电磁防护领域，具体涉及一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置及其参数优化方法。


背景技术：

2.电磁防护是防止电子设备产生的电磁干扰，通过隔绝外界电磁波来保护内部。电磁防护通常是采用电磁防护材料来实现的，电磁辐射防护材料可分为屏蔽材料与吸收材料两大类，电磁波屏蔽材料是指对入射电磁波有强反射的材料。电磁波吸收材料指能吸收、衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料。对于透明光窗来说，不仅要求电磁防护材料的性能达到要求，还需要满足透明度与透光率的额外条件。
3.一般采用电磁超材料来设计电磁防护结构，电磁超材料能够对电磁波的传播模式、极化和波前等进行有效的调控，目前已经广泛应用于吸波器、电磁屏蔽、极化转换器等设计应用。对于电磁防护的实际需求，在实际设计是有以下几个需要解决的难题：1)由于厚介质存在的影响，导致其透反射谱存在周期性的震荡，影响了材料的宽带屏蔽性能。2)对于在透明光窗上的应用，尤其是当需要放置在光窗内部，不仅要求其尽可能降低透射，而且要求电磁防护材料的高透光率。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置及其参数优化方法，利用双层金属网格结构，同时具备周期性吸波与周期性屏蔽的电磁性能，实现了在(1～18)ghz范围内屏蔽效能大于10db，吸收率达到0.9，同时透光率达到98％的双金属网格电磁防护。
5.实现本发明目的的具体技术方案为：
6.一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，包括顶层金属网格层、透明介质层和底层金属网格层；
7.所述透明介质层设置在顶层金属网格层和底层金属网格层之间；
8.所述顶层金属网格层用于吸收电磁波，减少电磁波的反射，底层金属网格层用于屏蔽电磁波，透明介质层对电磁波进行多次反射从而使电磁波产生损耗。
9.进一步的，所述顶层金属网格层和底层金属网格层的网格结构包括但不限于十字网格结构、六边形网格结构、直角三角形网格结构或等边三角形网格结构。
10.进一步的，所述透明介质层为高透明度材料，包括但不限于玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯、硫化锌。
11.进一步的，所述透明介质层的透反射系数随目标电磁波频率呈周期性震荡。
12.进一步的，所述顶层金属网格层的吸波效能曲线和底层金属网格层的屏蔽效能曲
线均呈现周期震荡；
13.且该周期性吸波效能曲线和周期性屏蔽效能曲线的波峰错峰互补。
14.进一步的，所述顶层金属网格层和底层金属网格层的结构一致，为十字形网格结构；
15.所述透明介质层采用有机玻璃，透明介质层厚度为15mm。
16.进一步的，所述十字形网格结构的线宽为5μm，周期为200μm，顶层金属网格层的线面电阻为20ω，顶层金属网格层的线面电阻为0.2ω。
17.进一步的，基于以上任意一项装置的参数优化方法，包括以下步骤：
18.步骤1、根据需求设置顶层金属网格层和底层金属网格层的结构、线宽、周期和线面电阻；
19.步骤2、根据需求设置透明介质层的介质材料与厚度；
20.步骤3、根据步骤1和步骤2设置的装置结构参数，利用cst全波仿真软件进行建模仿真；
21.步骤4、基于仿真结果进行装置结构的参数优化，直至满足设计的电磁防护与透光效果。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
23.(1)本发明的技术方案提出一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护结构装置，同时具备周期性吸波与周期性屏蔽的电磁性能，使得在实现透射尽可能小的同时，增加吸波性能；
24.(2)本发明通过双层金属网格结构设计，使得在尽可能减小透过的同时，增加结构吸波性能，同时顶层金属网格层的周期性吸波效能曲线与底层金属网格层的周期性屏蔽效能曲线波峰-波谷匹配，两者相互补充实现电磁吸波和屏蔽的周期性互补。
附图说明
25.图1为本发明的高透光金属网格电磁防护装置结构示意图。
26.图2为本发明的实施例中的高透光金属网格电磁防护装置中的不同金属网格结构示意图。
27.图3为十字金属网格与单层十字金属网格加透明介质层示意图。
28.图4为本发明的实施例中的高透光金属网格电磁防护装置中的透明介质层示意图。
29.图5-图8为本发明的实施例中的不同条件下的透反射谱震荡仿真示意图。
30.图9为本发明的实施例中的高透光金属网格电磁防护装置的周期性屏蔽与周期性吸波的透反射系数曲线示意图。
具体实施方式
31.一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，包括顶层金属网格层、透明介质层和底层金属网格层；
32.所述透明介质层设置在顶层金属网格层和底层金属网格层之间；
33.所述顶层金属网格层用于吸收电磁波，减少电磁波的反射，底层金属网格层用于
对屏蔽电磁波，透明介质层对电磁波进行多次反射从而使电磁波产生损耗。由此实现同时具备周期性屏蔽和周期性吸波特性的超表面结构的技术方案，使得在实现高透过率的同时对入射电磁波进行吸收，增加吸波性能，来达到电磁防护效果。
34.进一步的，所述顶层金属网格层和底层金属网格层的网格结构可以相同，也可以不同，包括但不限于十字网格结构、六边形网格结构、直角三角形网格结构或等边三角形网格结构。
35.进一步的，所述透明介质层的材料为有机玻璃，氧化铟锡(ito)或掺氟氧化锡(fto)、聚对苯二甲酸乙二酯、硫化锌等等。
36.所述透明介质层的透反射系数随目标电磁波频率呈周期性震荡，顶层金属网格层的吸波效能曲线和底层金属网格层的屏蔽效能曲线均呈现周期震荡；
37.且该周期性吸波效能曲线和周期性屏蔽效能曲线的波峰错峰互补。
38.进一步的，由于所述电磁防护结构置于光窗夹层，因此需要一定的介质厚度与较高的透光比，然而介质厚度的增大会引起频段内屏蔽效能曲线与吸波效能曲线的周期性震荡，因此，在本方案中所述顶层金属网格层的周期性吸波效能曲线与底层金属网格层的周期性屏蔽效能曲线波峰-波谷匹配，屏蔽性能与吸波性能交替作用实现全频段电磁防护功能。
39.进一步的，所述顶层金属网格层和底层金属网格层的结构一致，为十字形网格结构；
40.所述透明介质层采用有机玻璃，透明介质层厚度为15mm。
41.进一步的，所述十字形网格结构的线宽为5μm，周期为200μm，顶层金属网格层的线面电阻为20ω，顶层金属网格层的线面电阻为0.2ω。
42.基于以上装置的参数优化方法，包括以下步骤：
43.步骤1、根据需求设置顶层金属网格层和底层金属网格层的结构、线宽、周期和线面电阻，顶层与底层的金属网格结构可以不同，也可以相同，金属网格结构的形状、线宽、周期直接影响了结构的透光性；线面电阻会影响网格结构的屏蔽效能；同时，不同的金属网格结构由于其占空比，电流通路的影响，在其他参数相同时，其电磁屏蔽效能也会存在差异；
44.一般来说首先考虑的是结构的透光率，该条件严格限制了金属网格结构的线宽和周期，必须要在满足结构透光率的前提下设计金属网格结构；
45.步骤2、根据需求设置透明介质层的介质材料与厚度；介质材料直接影响结构的透明度与透光度，同时不同材料的介电常数不同也会影响最终的隐身效果。介质的厚度可以有效提高电磁屏蔽的效果，但与此同时会降低结构的透光率；
46.步骤3、根据步骤1和步骤2设置的装置结构参数，利用cst全波仿真软件进行建模仿真；在cst对整体的结构进行建模，参数搭配，利用时域仿真，选择目标频段，即可获得设计结构在目标频段的反射率参数s11、透射率参数s21等参数，可进一步分析其吸波性能与屏蔽性能。
47.步骤4、基于仿真结果进行装置结构的参数优化，直至满足设计的电磁防护与透光效果，即设计结构的吸波性能与屏蔽性能进行反向的参数优化，以满足电磁防护性能。
48.下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
49.实施例
50.结合图1，一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，包括顶层金属网格层、透明介质层和底层金属网格层；
51.所述透明介质层设置在顶层金属网格层和底层金属网格层之间；
52.所述顶层金属网格层用于吸收电磁波，减少电磁波的反射，底层金属网格层用于对屏蔽电磁波，透明介质层对电磁波进行多次反射从而使电磁波产生损耗。由此实现同时具备周期性屏蔽和周期性吸波特性的超表面结构的技术方案，使得在实现高透过率的同时对入射电磁波进行吸收，增加吸波性能，来达到电磁防护效果。
53.首先是确定顶层、镀层金属网格结构，在保证可见光透过率均为99％的条件下，分别对图2所示4种不同形状的金属网格周期性结构进行仿真分析，分别为十字网格、六边形网格、直角三角形网格和等边三角形网格
54.首先，分析了不同极化情况下四种不同金属网格结构的屏蔽效能，对极化角度0
°
～360
°
，取步长15
°
进行仿真，取得四种不同形状金属网格在不同极化角度下的屏蔽效能最小值，如下表所示：
[0055][0056]
可见屏蔽效能有：等边三角网格》十字网格》六边网格》直角三角网格，综合考虑工艺画线制备，最终本实施例中的金属网格层结构确定为十字形网格结构。
[0057]
其次，是透明介质层材料与厚度的确定，由于透光性的要求，在本实施例中，选择有机玻璃作为介质层材料，其介电常数为7～8.5。
[0058]
结合图3，为十字金属网格不加介质(即介质厚度为0)与加不同厚度介质，单层金属网格置于介质外侧，设置周期结构仿真，看s21曲线，即屏蔽效能曲线，由高介电常数和介质厚度带来周期性震荡，随介质厚度增大，屏效曲线震荡周期增大，整体震荡趋势一致，沿无介质的曲线震荡，se的最小值减小；线宽影响震荡趋势，影响semin，线面电阻影响整体se大小，占空比影响震荡幅度大小。
[0059]
分别在
①
固定介电常数8，线面电阻rs＝0.1，线宽w＝1μm，透光率98％；
②
固定介电常数8，线面电阻rs＝0.1，线宽w＝7μm，透光率98％；
③
固定介电常数8，线面电阻rs＝0.1，线宽w＝7μm，透光率95％；
④
固定介电常数8，线面电阻rs＝0.3，线宽w＝7μm，透光率95％四种条件下改变介质厚度0mm、5mm、15mm、35mm、50mm。可以发现线宽影响震荡趋势，影响semin，占空比影响震荡幅度大小，线面电阻影响整体se大小，如图5-8所示。
[0060]
在厚度h＝15mm，介电常数为8.5的玻璃上下表面设计两层面电阻不同的金属网格结构，设线宽为w，周期为p，顶层网格的线面电阻为rs1，作为吸波层，底层网格的线面电阻为rs2，作为屏蔽层，仿真优化的几何参数如下表所示，其透反射系数如图9所示，在(1-18)ghz范围内屏蔽效能大于10db，其中深黑色虚线框反射的频段吸波，吸收率约0.9，浅黑色虚
线框透射的频段的屏蔽效能约-15db。屏蔽与吸波效能震荡曲线波峰-波谷匹配，屏蔽性能与吸波性能交替作用实现全频段电磁防护功能。从而形成了周期性吸波+周期性屏蔽效果。
[0061]
w(μm)p(μm)rs1(ω/sq)rs2(ω/sq)1200200.2
[0062]
以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，其特征在于，包括顶层金属网格层、透明介质层和底层金属网格层；所述透明介质层设置在顶层金属网格层和底层金属网格层之间；所述顶层金属网格层用于吸收电磁波，减少电磁波的反射，底层金属网格层用于屏蔽电磁波，透明介质层对电磁波进行多次反射从而使电磁波产生损耗。2.根据权利要求1所述的基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，其特征在于，所述顶层金属网格层和底层金属网格层的网格结构包括但不限于十字网格结构、六边形网格结构、直角三角形网格结构或等边三角形网格结构。3.根据权利要求1所述的基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，其特征在于，所述透明介质层为高透明度材料，包括但不限于玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯、硫化锌。4.根据权利要求1所述的基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，其特征在于，所述透明介质层的透反射系数随目标电磁波频率呈周期性震荡。5.根据权利要求1所述的基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，其特征在于，所述顶层金属网格层的吸波效能曲线和底层金属网格层的屏蔽效能曲线均呈现周期震荡；且该周期性吸波效能曲线和周期性屏蔽效能曲线的波峰错峰互补。6.根据权利要求5所述的基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，其特征在于，所述顶层金属网格层和底层金属网格层的结构一致，为十字形网格结构；所述透明介质层采用有机玻璃，透明介质层厚度为15mm。7.根据权利要求6所述的基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置，其特征在于，所述十字形网格结构的线宽为5μm，周期为200μm，顶层金属网格层的线面电阻为20ω，顶层金属网格层的线面电阻为0.2ω。8.一种基于权利要求1-5任意一项装置的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据需求设置顶层金属网格层和底层金属网格层的结构、线宽、周期和线面电阻；步骤2、根据需求设置透明介质层的介质材料与厚度；步骤3、根据步骤1和步骤2设置的装置结构参数，利用cst全波仿真软件进行建模仿真；步骤4、基于仿真结果进行装置结构的参数优化，直至满足设计的电磁防护与透光效果。

技术总结
本发明公开了一种基于周期性屏蔽与周期性吸波的高透光金属网格电磁防护装置及其参数优化方法，其中透明介质层设置在顶层金属网格层和底层金属网格层之间，顶层金属网格层用于减少电磁波的反射，底层金属网格层用于屏蔽电磁波，透明介质层对电磁波进行多次反射从而使电磁波产生损耗。设计时根据需求设置金属网格电磁防护装置参数，并利用仿真软件进行建模仿真；基于仿真结果进行装置结构的参数优化，直至满足设计的电磁防护与透光效果。本发明使得在尽可能减小透过的同时，增加结构吸波性能，同时顶层金属网格层的周期性吸波效能曲线与底层金属网格层的周期性屏蔽效能曲线波峰-波谷匹配，两者相互补充实现电磁吸波和屏蔽的周期性互补。周期性互补。周期性互补。


技术研发人员：顾文华 高家乐 朱晓波 桑芳荟 赵玉燕 黄丽燕 戴恩灵 孙来喜 王方
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/8/1