人工电磁屏蔽材料制造技术

本发明专利技术提供一种人工电磁屏蔽材料，包括10层以上的介质板，每层介质板上印有连续或不连续的金属丝构成的金属丝阵列，所述金属丝阵列为大于8行且行间距为ax的连续金属丝，或者为行数大于8、列数大于8且行间距及列间距为ax和ay的非连续金属丝，所述行间距及列间距ax和ay同时都要小于λg/2，即所述金属丝阵列错开布拉格散射条件，λg为所需要屏蔽的截止波长；本人工电磁屏蔽材料结构简单，所需的介质板可以为任意的介电常数的介质，连续金属丝的屏蔽效能为高通，为超宽带屏蔽材料，涵盖频段宽，起始频率为0，本发明专利技术可以对任意方向的电磁波进行屏蔽。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁屏蔽领域，也属于电磁材料领域，具体涉及一种超宽带高屏蔽效能的屏蔽材料。
技术介绍
人工电磁材料是指将人造单元结构以特定方式排列组合形成的具有特殊电磁特性的人工结构材料。包括单负材料、双负材料(又称左手材料)、电磁带隙材料及手性材料等。目前单负和双负材料又分为谐振型及传输线型两类，根据其等效的介电常数或磁导率正负得以区分。单负材料由于具有负介电系数或负的磁导率，电磁波在其中为倏逝波、无法传播，所以具有极好的带阻特性，可用于设计屏蔽材料及空间滤波器。无论是在民用还是军事领域，对电磁脉冲尤其是微波电磁脉冲的电磁防护都非常重要，滤波或选择好的屏蔽材料，就可以尽量避免电磁脉冲辐射可能带来的危害。由于材料的单负特性，电磁波在其中无法传播，能够对特定频段的电磁波实施无损耗的反射,具有良好的屏蔽特性，同时对于金属丝结构的负介电系数人工电磁材料，其负参数频带宽，可以由直流一直到微波频段，且结构简单，周期单元间存在缝隙，可以同时解决通风散热的问题，且无需考虑高频接地的问题，具有极其优异的电磁屏蔽性能。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种超宽带的电磁屏蔽材料。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种人工电磁屏蔽材料，包括10层以上的介质板，每层介质板上印有连续或不连续的金属丝构成的金属丝阵列，所述金属丝阵列为大于8行且行间距为ax的连续金属丝，或者为行数大于8、列数大于8且行间距及列间距分别为ax和ay的非连续金属丝，所述行间距及列间距ax和ay同时都要小于λg/2，即所述金属丝阵列错开布拉格散射条件，λg为所需要屏蔽的截止波长。设定10层以上的介质板的原因在于：根据FDTD方法进行数值计算表明，每增加一层屏蔽材料，对波的抑制增加4dB，每增加一个金属丝，抑制增加3dB。当为10层以上时，就可以使得屏蔽效果约40dB(目前一般屏蔽材料的屏蔽性能)。非连续金属丝设定行数及列数大于8是为了能使屏蔽效能达到40dB，小于8列或8行则屏蔽效能达不到40dB。当入射电磁波沿介质板方向垂直入射，电场方向与金属丝平行时，构成了与等离子体或形成了谐振系统，使得材料在等离子频率一下或是谐振频率与等离子体频率之间具有负的等效介电常数，从而电磁波在这一频段内不能传播。作为优选方式，所述行间距ax＝(1/10-1/5)λg，列间距ay＝(1/10-1/5)λg。这样设定能够更好的避开布拉格散射条件(a＝λg/2)。作为优选方式，至少两层相邻的介质板中的金属丝阵列相互垂直设置。相互垂直的多层结构使得在垂直金属丝的方向也具有屏蔽效能，从而使得整个材料具有任意极化特性的垂直入射平面波都有屏蔽效能。作为优选方式，每层介质板之间设有间隙az，所述间隙az错开布拉格散射条件，即1/(10λg)＜az＜1/(5λg)。作为优选方式，所述多层介质板为压制在一起的无间隙的整体。作为优选方式，所述材料的尺寸大于需要屏蔽区域8-10个周期单元，一个金属丝为一个周期单元。由于边缘效应的存在，使材料的尺寸大于所需要屏蔽区域的8～10个周期单元，才能保证整个屏蔽区域的屏蔽效能是相同的。作为优选方式，所述介质板为FR4环氧玻璃纤维板。作为优选方式，所述金属丝阵列通过PCB工艺印制在介质板上。含有金属丝的介质板可以看作是一种特殊的集成电路。作为优选方式，所述金属丝阵列的印制方式为：在介质板上压合或涂覆金属层，然后通过腐蚀的方法形成金属丝阵列。作为优选方式，所述金属丝阵列由不连续的金属丝构成，金属丝阵列为19行、19列，介质板为16层。通过计算得出此时材料对入射波的抑制能达到64dB，当为16层时的屏蔽效果就和介质板材料为无限多层时的效果是一样的了，无线多层介质板的时候屏蔽效果在64db左右。本专利技术采用了一种新的人工电磁材料作为设计的基本结构单元，利用人工电磁材料的负参数特点，选取了具有负介电系数的金属丝周期结构(负参数频带宽)。利用其具有的负介电常数的特性，通过恰当的设计，使得本专利技术在20MHz-18GHz具有很好的屏蔽效能，其屏蔽效能大于40dB。本专利技术的工作原理如下：当材料的电谐振单元为连续金属丝时，材料的电磁特性类似于等离子体，材料的等效负介电系数与材料的等离子体频率有关，对于低于该频率的电磁波，材料的有效介电系数为负数；对于高于该频率的电磁波，材料的有效介电系数为正数。通过建立等效的介质模型来说明其具体的原理。利用Drude模型的色散特性，可以建立起谐振型单负等效介质模型，其波数k为k=iω|ϵ(ω)|·μ(ω)]]>由上式可以看出，波在负介电系数媒质中传播时，其波数为虚数，波的振幅将随着传播距离指数衰减，成为倏逝波，即波在单负媒质中无法传播。因此，通过慎重选择Drude模型中的各参数，就可以用Drude模型对单负材料建模，模型将充分反映单负材料独特的电磁特性，在单负材料中，电磁波无法传播，如图2所示。本专利技术采用了负介电系数的材料设计屏蔽材料，即金属丝结构。因为负介电系数材料较之负磁导率材料和带隙材料，其等效负介电系数频带较之负磁导率材料的等效负磁导率频带、带隙材料的电磁禁带更宽，且结构更简单。当入射电磁波的电场与金属的走向一致时，或是其沿金属丝走向的场分量能激励金属丝结构，在金属丝上的感应电流的流动，使材料的等效介电系数为负数，从而被反射屏蔽，而其他方向的将通过屏蔽材料。对于连续金属丝来说，其负系数的起始频率为零，即对于低于其截止频率(等离子体频率)的电磁波其等效的介电常数为负，高于此频率为正。其等效的负介电常数的频带与其周期结构以及单元的尺寸有着非常重要的关系。为此，首先研究了当人工电磁材料中的金属丝仅沿一个方向时，材料对电磁波的屏蔽效能。设电磁波沿x方向传播，材料周期单元结构中的不连续金属丝沿y方向，材料的基本结构为沿x、y和z方向的周期尺寸分别为ax＝3.6mm和ay＝az＝5.5mm，支撑金属丝的印制板厚为1.5mm；相对介电系数和磁导率分别为εr＝4.41和μr＝1；金属丝沿x方向的宽w＝0.3mm，金属丝长l＝5.0mm，间隙g＝0.5mm；材料的等效负介电系数频带位于13～19GHz波段，图3给出了当电磁波垂直入射，电场方向与金属丝方向，即y方向，夹角分别为0，45，90度时，负介电系数材料的电磁特性。从图中可以看出，当电磁波垂直入射时，无论入射波电场方向与y轴的夹角怎样变化，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人工电磁屏蔽材料，其特征在于：包括10层以上的介质板，每层介质板上印有连续或不连续的金属丝构成的金属丝阵列，所述金属丝阵列为大于8行且行间距为ax的连续金属丝，或者为行数大于8、列数大于8且行间距及列间距分别为ax和ay的非连续金属丝，所述行间距及列间距ax和ay同时都要小于λg/2，即所述金属丝阵列错开布拉格散射条件，λg为所需要屏蔽的截止波长。

【技术特征摘要】
1.一种人工电磁屏蔽材料，其特征在于：包括10层以上的介质板，每层介质板上印有连
续或不连续的金属丝构成的金属丝阵列，所述金属丝阵列为大于8行且行间距为ax的连续
金属丝，或者为行数大于8、列数大于8且行间距及列间距分别为ax和ay的非连续金属丝，所
述行间距及列间距ax和ay同时都要小于λg/2，即所述金属丝阵列错开布拉格散射条件，λg
为所需要屏蔽的截止波长。
2.根据权利要求1所述的人工电磁屏蔽材料，其特征在于：所述行间距ax＝(1/10-1/5)
λg，列间距ay＝(1/10-1/5)λg。
3.根据权利要求1所述的人工电磁屏蔽材料，其特征在于：至少两层相邻的介质板中的
金属丝阵列相互垂直设置。
4.根据权利要求1所述的人工电磁屏蔽材料，其特征在于：每层介质板之间设有间隙
az，所述间隙az错开布拉格散射条件，即1/(10λg)＜...

【专利技术属性】
技术研发人员：包永芳，黄九荣，陈波，肖磊，吕俊材，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51