基于超材料的新型平面电磁吸波体结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构。包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层、上层介质基板层、中间层镀铜金属层、下层介质基板层和金属反射层，五部分相邻之间紧密贴合；所述的顶层镀铜金属层和中间层镀铜金属层均为具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构。本发明专利技术满足16‑21.2GHz高频范围内宽带的电磁辐射吸收和抑制。该发明专利技术专利设计新颖、结构简单，能以周期阵列的方式直接应用在高速封装系统的设计上。

A novel planar electromagnetic absorber structure based on metamaterials

【技术实现步骤摘要】
基于超材料的新型平面电磁吸波体结构
本专利技术涉及电磁波传播与接收
，具体是一种用于三维高速电子封装系统上的具有高频宽带电磁辐射吸收和抑制特性的新型电磁超材料的吸波体结构设计。
技术介绍
随着集成电路的发展，设计出能抑制电磁干扰的电磁吸波体，对电路设计而言是非常有意义的。随着高速数字电路、高速信号处理、以及射频电路与数字电路集成化等因素，使得三维封装结构内部具有各种复杂的噪声。由于加载吸波体结构具有结构简单、吸收率高、可根据尺寸进行周期阵列设计、灵活度高、成本低廉等优势，成为抑制电磁干扰的有效手段。吸波体结构最开始是波士顿大学Landy教授等人在2008年首次提出超材料吸波体的概念。多年来，超材料吸波体已经取得了非常重要的进展。通过合理地设计超材料的单元结构，可以使得某一频率下的等效介电常数和等效磁导率相同(实部和虚部分别同时相等)，进而使超材料的输入阻抗与自由空间的阻抗完全匹配，让入射波几乎无反射地被超材料吸收，这就是超材料吸波体的工作原理。现有抑制电磁辐射的各种超材料吸波体结构设计多种多样。而本专利技术提出了一种吸收频带覆盖16GHz-21.2GHz范围吸收率近乎99％的结构简单的宽带超材料吸波体。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于超材料的吸波体结构设计，能够在16GHz-21.2GHz频段范围内吸收效果近乎99％，实现有效的吸波特性。本专利技术解决所述技术问题的技术方案是：本专利技术包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层、上层介质基板层、中间层镀铜金属层、下层介质基板层和金属反射层，相邻层之间紧密贴合；所述的顶层镀铜金属层和中间层镀铜金属层均为镀铜的具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构。所述的顶层镀铜金属层是由布置于内圈的一个内开口谐振环组成，所述的中间层镀铜金属层是由布置于外圈的一个外开口谐振环组成，二者均是同心圆环，每个开口谐振环是由一个完整的圆环在对称的两侧开设径向的条形缺口槽形成，外开口谐振环和内开口谐振环的两个条形缺口槽的径向方向相垂直，即外开口谐振环和内开口谐振环的开口夹角为90度。所述的顶层镀铜金属层的图案形状是刻蚀制作形成。内开口谐振环的径向尺寸小于外开口谐振环的径向尺寸，具体实施中，内开口谐振环的外径小于外开口谐振环的内径。本专利技术是一种可采用印制电路板加工的，基于超材料的超薄吸波体结构。所述的中间层镀铜金属层的外开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层/金属反射层的其中一个对角方向，所述的顶层镀铜金属层内开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层/金属反射层的另一个对角方向。所述的上层介质基板层、下层介质基板层和金属反射层均为正方形，且长度和宽度分别对应相等；所述的顶层镀铜金属层和中间层镀铜金属层的外径尺寸小于介质基板层和金属反射层的尺寸。所述的金属反射层作为接地层金属。所述的镀铜金属层的厚度为18μm，所述的介质基板层的厚度为2mm。具体实施包括多个吸波体结构单元，多个吸波体结构单元上各自对应的顶层镀铜金属层、上层介质基板层、中间层镀铜金属层共同构成布置在下层介质基板层上表面上的金属图案阵列。本专利技术使用根据需求组成任意数量的吸波体结构单元组成周期单元阵列结构，以覆盖电磁辐射源，达到最佳的辐射抑制效果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术中，每个镀铜同心圆环有开口结构的存在，可以增加等效电容的值。每个圆环可以等效为对地电容、等效电感和等效电阻的RLC串联电路，因此具有特定的谐振频率。而且该谐振频率的值的大小可以通过物理尺寸的改变而改变。在谐振频率附近，镀铜同心开口圆环上的电流分布和底层接地金属反射板的电流分布大小相等，方向相反，等效于磁谐振。在谐振频率处，顶层RLC等效电路同时发生电谐振。当磁谐振和电谐振的幅度相等时，该吸波体结构在此谐振点形成一个吸波频带，并且此吸波频带较宽。通过优化调整该单元结构的几何尺寸，使得该结构在16GHz至21.2GHz上的反射系数均低于-10dB以下。对比吸波频带中心频点19GHz对应的波长λ0，该吸波体结构一个单元的尺寸仅为0.5λ0*0.5λ0*0.25λ0，实现了小型化。同时，该吸波体结构可通过普通的印制电路板技术加工，具有成本低、易加工的优点。该吸波体结构设计新颖、结构简单，可直接放置在电磁辐射源的正上方。因此，本专利技术只是改变了空间电磁场的分布，不会对辐射源本身做任何改变和处理。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的吸波体装置单元的侧视图；图2是本专利技术的吸波体装置单元隐去介质层后的俯视图；图3是本专利技术的吸波体装置单元的顶层镀铜金属层的正视图；图4是本专利技术的吸波体装置单元的中间层镀铜金属层的正视图；图5是本专利技术中吸波体装置隐去介质层后的3*3阵列排列方式示意图；图6是本专利技术的吸波体装置在TE极化波入射时的反射系数仿真结果图；图7是本专利技术的吸波体装置在TE极化波入射时的吸收率计算结果图；图8是本专利技术的吸波体装置在TM极化波入射时的反射系数仿真结果图；图9是本专利技术的吸波体装置在TM极化波入射时的吸收率计算结果图。其中，1.顶层镀铜金属层；2.上层介质基板层；3.中间层镀铜金属层；4.下层介质基板层；5接地金属层。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种可基于普通印制电路板加工的新型超材料吸波体结构设计，如附图1-附图4所示。如图1和图5所示，本专利技术具体实施包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层1、上层介质基板层2、中间层镀铜金属层3、下层介质基板层4和金属反射层5，层与层之间紧密贴合；位于介质基板层2正面的顶层镀铜金属层1和中间层镀铜金属层3均为镀铜的具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构，上层介质基板层2的正面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的顶层镀铜金属层1，背面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的中间层镀铜金属层3。下层介质基板层4的正面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的中间层镀铜金属层3，背面是刻蚀了同心开口谐振圆环结构的接地金属层5。如图3和图4所示，顶层镀铜金属层1是由布置于内圈的一个内开口谐振环组成，中间层镀铜金属层3是由布置于外圈的一个外开口谐振环组成，二者是同心圆环，每个谐振环均是由一个完整的圆环在对称的两侧开设径向的条形缺口槽形成，外开口谐振环3和内开口谐振环1的两个条形缺口槽的径向方向相垂直。外开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层2、4/金属反射层5的其中一个对角方向，内开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层2、4/金属反射层5的另一个对角方向。具体实施中，如图2所示，以模型左下角为xoy坐标系的原点，外开口谐振环的开口与y轴夹角为45度，内开口谐振环的开口与y轴夹角为-4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层(1)、上层介质基板层(2)、中间层镀铜金属层(3)、下层介质基板层(4)和金属反射层(5)，相邻层之间紧密贴合；所述的顶层镀铜金属层(1)和中间层镀铜金属层(3)均为镀铜的具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：包括至少一个吸波体结构单元，每个吸波体结构单元包括自上而下依次布置的顶层镀铜金属层(1)、上层介质基板层(2)、中间层镀铜金属层(3)、下层介质基板层(4)和金属反射层(5)，相邻层之间紧密贴合；所述的顶层镀铜金属层(1)和中间层镀铜金属层(3)均为镀铜的具有特定刻蚀图案的同心开口谐振环结构。


2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：所述的顶层镀铜金属层(1)是由布置于内圈的一个内开口谐振环组成，所述的中间层镀铜金属层(3)是由布置于外圈的一个外开口谐振环组成，二者均是同心圆环，每个开口谐振环是由一个完整的圆环在对称的两侧开设径向的条形缺口槽形成，外开口谐振环和内开口谐振环的两个条形缺口槽的径向方向相垂直。


3.根据权利要求2所述的一种基于超材料的新型平面电磁吸波体结构，其特征在于：所述的中间层镀铜金属层(3)的外开口谐振环的条形缺口槽的径向方向沿介质基板层(2、4)/金属反射层(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李尔平，左盼盼，
申请(专利权)人：海宁利伊电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33