金屬柵格和透明導(dǎo)電膜混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及電磁屏蔽效能分析

張家豪，官繼紅，劉長(zhǎng)軍

1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

2. 深圳麥格米特電氣股份有限公司，廣東 深圳 518057

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電磁波引起的電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)和電磁兼容(electromagnetic compatibility, EMC)問(wèn)題日益嚴(yán)重，另外電磁波泄漏也會(huì)干擾其他設(shè)備[1]。為了減小或避免電磁輻射造成的影響，通常在設(shè)備中引入電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。鍍金屬膜屏蔽玻璃在低頻時(shí)具有良好的屏蔽效能，在100 MHz 時(shí)可達(dá)到36 dB[2]。在機(jī)箱的通風(fēng)孔采用金屬絲網(wǎng)和電磁密封襯墊結(jié)合加裝的方式，同時(shí)在窗口箱體板開(kāi)設(shè)通風(fēng)孔洞，在保證通風(fēng)效果的條件下，提高機(jī)箱的屏蔽效能[3]。

透明導(dǎo)電薄膜是實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽和可視兼容的常用材料，由于其在光學(xué)和電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注[4]。近些年，許多新型材料的導(dǎo)電薄膜被廣泛研究，采用特殊的制備方法，可以有效提高薄膜的質(zhì)量和性能[5-7]。超薄金屬導(dǎo)電薄膜具有柔性好、導(dǎo)電性好、成本低和可大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)，有望成為替代氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)的理想材料[8]。對(duì)具有透明導(dǎo)電薄膜的多層屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能進(jìn)行探究，常用的屏蔽效能測(cè)量方法有同軸傳輸線法、法蘭同軸法、喇叭天線法等[9-10]。本文所提出的屏蔽系統(tǒng)工作頻率為S 波段，因此采用喇叭天線法，通過(guò)測(cè)試有無(wú)屏蔽體時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)屏蔽效能公式得出該屏蔽體的屏蔽效能。

本文研究了有透明導(dǎo)電膜的多層平面結(jié)構(gòu)的電磁性能，分析了層狀結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽機(jī)理，以及仿真與測(cè)試的結(jié)果，對(duì)于如何選取合適的導(dǎo)電膜提出了依據(jù)，對(duì)于電磁兼容和電磁屏蔽領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

電磁屏蔽效能是在電磁場(chǎng)中同一地點(diǎn)無(wú)屏蔽時(shí)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度與加屏蔽體后的電磁場(chǎng)強(qiáng)度之比，常用Es表示：

式中：E0是無(wú)屏蔽材料時(shí)該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)；E是有屏蔽體后該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)。

本文中屏蔽體的第一層結(jié)構(gòu)為金屬柵格，金屬柵格的直徑和目數(shù)對(duì)屏蔽效果有直接影響[11]。每個(gè)金屬柵格都可以看作為小波導(dǎo)，當(dāng)電磁波頻率大于截止頻率時(shí)，電磁波可在波導(dǎo)內(nèi)傳輸，衰減常數(shù)表達(dá)式為

式中：RS為波導(dǎo)內(nèi)表面的表面電阻；β為相位常數(shù)；k為傳播常數(shù)；η為波導(dǎo)波阻抗；a、b分別為波導(dǎo)的寬邊和窄邊尺寸。當(dāng)電磁波頻率小于截止頻率時(shí)，此時(shí)所有的場(chǎng)分量會(huì)隨離激勵(lì)源的距離增加而指數(shù)衰減。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，金屬柵格的屏蔽效能為

式中：Aa為柵格的傳輸損耗；Ra為反射損耗;Ba為多次反射損耗；K1為單位面積內(nèi)孔系數(shù)的修正系數(shù)；K2為低頻穿透修正系數(shù)；K3為柵格間的耦合系數(shù)。根據(jù)金屬柵格的參數(shù)估算出，4 mm 金屬柵格的屏蔽效能約為17 dB。

電磁波在屏蔽體內(nèi)經(jīng)過(guò)第一次傳播到達(dá)第二分界面時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)已很小，再由此返回第一界面，電磁波能量就更小了。經(jīng)過(guò)多次反射后場(chǎng)強(qiáng)變得極小。根據(jù)傳輸線原理，多次反射的總反射系數(shù)可以表達(dá)為[13]

式中： Γ為反射系數(shù)；T為傳輸系數(shù)。

因此在屏蔽結(jié)構(gòu)中增加一層或多層透明導(dǎo)電薄膜，可以提高屏蔽體的屏蔽效能。

2 屏蔽結(jié)構(gòu)及仿真

本文仿真采用周期結(jié)構(gòu)，對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行仿真，大大提高了仿真速率，能夠更深層次地研究其特性。通過(guò)對(duì)透明導(dǎo)電薄膜屏蔽效能的分析，最終確定了導(dǎo)電膜的參數(shù)：屏蔽體金屬柵格厚度為0.4 mm，透明導(dǎo)電膜厚度為0.001 mm，玻璃厚度為5.0 mm，金屬柵格與導(dǎo)電膜之間為空氣層，導(dǎo)電膜貼在玻璃的內(nèi)側(cè)。圖1 為屏蔽體的分層結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)仿真分析確定了金屬柵格的參數(shù)，金屬柵格的邊長(zhǎng)為4 mm，厚度為0.4 mm，柵格大小適中，具有良好的可視性以及一定的屏蔽效果。屏蔽體中的玻璃起到支撐作用，可將透明導(dǎo)電膜貼在玻璃兩側(cè)。

圖1 含導(dǎo)電膜的多層屏蔽結(jié)構(gòu)

本文應(yīng)用CST 仿真軟件模擬平面波垂直入射，測(cè)試有無(wú)屏蔽體時(shí)待測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。在同樣的條件下，分別仿真屏蔽體有無(wú)導(dǎo)電膜結(jié)構(gòu)時(shí)的屏蔽效能，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 有無(wú)導(dǎo)電膜屏蔽體的屏蔽效能對(duì)比

金屬柵格結(jié)構(gòu)的屏蔽效能取決于金屬柵格的直徑與數(shù)目，其對(duì)屏蔽效能的影響由圖3 和圖4所示。當(dāng)引入透明導(dǎo)電薄膜時(shí)，導(dǎo)電膜具有一定效果的屏蔽作用，電磁波在金屬柵格和導(dǎo)電膜間進(jìn)行多次反射，由此產(chǎn)生的損耗，有效提高了屏蔽效能。

圖3 金屬柵格厚度對(duì)屏蔽效能的影響

圖4 金屬柵格開(kāi)孔大小對(duì)屏蔽效能的影響

通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電膜處于屏蔽體的不同界面處時(shí)，會(huì)影響屏蔽體的屏蔽效能。如圖5所示，仿真結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)電膜在玻璃外側(cè)時(shí)，系統(tǒng)的屏蔽效果更好。但是導(dǎo)電膜暴露在大氣之中會(huì)受環(huán)境腐蝕，容易損壞，導(dǎo)電性能會(huì)隨時(shí)間而變差，從而會(huì)影響其電磁性能。綜合考慮將導(dǎo)電膜置于玻璃內(nèi)側(cè)。

圖5 導(dǎo)電膜的位置對(duì)屏蔽效能的影響

通過(guò)仿真可知，透明導(dǎo)電薄膜的屏蔽效果與其方阻的大小有關(guān)。在本文結(jié)構(gòu)中，透明導(dǎo)電薄膜方阻值的變化與屏蔽體的屏蔽效能的關(guān)系仿真結(jié)構(gòu)如圖6 所示。隨著方阻阻值逐漸變小，系統(tǒng)的屏蔽效能也隨之變大。根據(jù)此結(jié)果可以按照需求選取合適的透明導(dǎo)電薄膜。

圖6 導(dǎo)電膜屏蔽效能隨方阻的變化關(guān)系

該屏蔽結(jié)構(gòu)中金屬網(wǎng)柵的厚度、金屬柵格的大小與數(shù)目會(huì)影響其屏蔽效能，網(wǎng)柵厚度越厚、柵格越小，屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能越高。本文在確保具有良好可視度的條件下，選取了合適的金屬柵格參數(shù)，分析了導(dǎo)電膜方阻和導(dǎo)電膜位置變化對(duì)屏蔽效能的影響。并對(duì)引入不同參數(shù)導(dǎo)電膜進(jìn)行仿真分析，使其具有較好的屏蔽效果，最后對(duì)該結(jié)構(gòu)的屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試。

3 測(cè)試結(jié)果分析

屏蔽板的實(shí)物和測(cè)試系統(tǒng)如圖7 所示。采用Analog Devices 公司的HMC-T2220 型號(hào)信號(hào)源、固態(tài)放大器、喇叭天線、功率計(jì)和Narda EP600 場(chǎng)強(qiáng)探頭進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試距離是3 m，發(fā)射天線為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，接收為場(chǎng)強(qiáng)探頭，監(jiān)測(cè)有無(wú)屏蔽體的場(chǎng)強(qiáng)值，測(cè)試在微波暗室進(jìn)行。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)

搭建測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)用場(chǎng)強(qiáng)探頭測(cè)試有無(wú)屏蔽體時(shí)待測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)屏蔽效能公式計(jì)算出屏蔽效能。仿真與實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。此時(shí)在2.45 GHz 屏蔽板的屏蔽效能為22.53 dB。實(shí)測(cè)時(shí)由于環(huán)境的背景噪聲影響，會(huì)有電磁波從屏蔽板的上方傳播，導(dǎo)致屏蔽板的屏蔽效能比仿真值偏低。從仿真與實(shí)測(cè)的結(jié)果可以看出，屏蔽效能隨著頻率的增加而逐漸降低，與理論結(jié)果基本吻合。

圖8 屏蔽效能仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

對(duì)普通的商用金屬柵格進(jìn)行實(shí)測(cè)電磁屏蔽測(cè)試。此金屬柵格邊長(zhǎng)比本文屏蔽結(jié)構(gòu)的更小，采用同樣的方法測(cè)得屏蔽效能如圖8 所示。本文中帶有透明導(dǎo)電薄膜的屏蔽體結(jié)構(gòu)，比更小柵格的屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能高，也具有較好的可視性，便于觀察屏蔽板后面的情況。表1 為屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)比，相比于文獻(xiàn)中所提到的屏蔽結(jié)構(gòu)，本文的雙層混合結(jié)構(gòu)具有更好的應(yīng)用效果和前景[14-15]。

表1 屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種帶有透明導(dǎo)電薄膜的多層結(jié)構(gòu)屏蔽板。該屏蔽板在2.45 GHz 時(shí)的屏蔽效能為22.53 dB。

1)仿真應(yīng)用周期性結(jié)構(gòu)，對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行仿真，大大提高了仿真速率，便于更深層次的研究其特性。

2)相比于普通單層金屬柵格的屏蔽結(jié)構(gòu)，本文結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的屏蔽效能，同時(shí)金屬柵格增大，提高了可視度，便于觀察屏蔽板后的情況。

3)該屏蔽板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工，可根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的透明導(dǎo)電薄膜，在電磁兼容、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。