金屬柵格和透明導電膜混合結構的設計及電磁屏蔽效能分析

張家豪，官繼紅，劉長軍

1. 四川大學 電子信息學院，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

隨著現代技術的發展，電磁波引起的電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)和電磁兼容(electromagnetic compatibility, EMC)問題日益嚴重，另外電磁波泄漏也會干擾其他設備[1]。為了減小或避免電磁輻射造成的影響，通常在設備中引入電磁屏蔽結構。鍍金屬膜屏蔽玻璃在低頻時具有良好的屏蔽效能，在100 MHz 時可達到36 dB[2]。在機箱的通風孔采用金屬絲網和電磁密封襯墊結合加裝的方式，同時在窗口箱體板開設通風孔洞，在保證通風效果的條件下，提高機箱的屏蔽效能[3]。

透明導電薄膜是實現電磁屏蔽和可視兼容的常用材料，由于其在光學和電子設備中的廣泛應用而備受關注[4]。近些年，許多新型材料的導電薄膜被廣泛研究，采用特殊的制備方法，可以有效提高薄膜的質量和性能[5-7]。超薄金屬導電薄膜具有柔性好、導電性好、成本低和可大規模制備等優點，有望成為替代氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)的理想材料[8]。對具有透明導電薄膜的多層屏蔽結構的屏蔽效能進行探究，常用的屏蔽效能測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工作頻率為S 波段，因此采用喇叭天線法，通過測試有無屏蔽體時的電場強度，根據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電膜的多層平面結構的電磁性能，分析了層狀結構的電磁屏蔽機理，以及仿真與測試的結果，對于如何選取合適的導電膜提出了依據，對于電磁兼容和電磁屏蔽領域具有潛在的應用價值。

1 屏蔽結構設計及原理

電磁屏蔽效能是在電磁場中同一地點無屏蔽時的電磁場強度與加屏蔽體后的電磁場強度之比，常用Es表示：

式中：E0是無屏蔽材料時該點場強；E是有屏蔽體后該點場強。

本文中屏蔽體的第一層結構為金屬柵格，金屬柵格的直徑和目數對屏蔽效果有直接影響[11]。每個金屬柵格都可以看作為小波導，當電磁波頻率大于截止頻率時，電磁波可在波導內傳輸，衰減常數表達式為

式中：RS為波導內表面的表面電阻；β為相位常數；k為傳播常數；η為波導波阻抗；a、b分別為波導的寬邊和窄邊尺寸。當電磁波頻率小于截止頻率時，此時所有的場分量會隨離激勵源的距離增加而指數衰減。

根據文獻[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為單位面積內孔系數的修正系數；K2為低頻穿透修正系數；K3為柵格間的耦合系數。根據金屬柵格的參數估算出，4 mm 金屬柵格的屏蔽效能約為17 dB。

電磁波在屏蔽體內經過第一次傳播到達第二分界面時，場強已很小，再由此返回第一界面，電磁波能量就更小了。經過多次反射后場強變得極小。根據傳輸線原理，多次反射的總反射系數可以表達為[13]

式中： Γ為反射系數；T為傳輸系數。

因此在屏蔽結構中增加一層或多層透明導電薄膜，可以提高屏蔽體的屏蔽效能。

2 屏蔽結構及仿真

本文仿真采用周期結構，對一個單元進行仿真，大大提高了仿真速率，能夠更深層次地研究其特性。通過對透明導電薄膜屏蔽效能的分析，最終確定了導電膜的參數：屏蔽體金屬柵格厚度為0.4 mm，透明導電膜厚度為0.001 mm，玻璃厚度為5.0 mm，金屬柵格與導電膜之間為空氣層，導電膜貼在玻璃的內側。圖1 為屏蔽體的分層結構圖，通過仿真分析確定了金屬柵格的參數，金屬柵格的邊長為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，可將透明導電膜貼在玻璃兩側。

圖1 含導電膜的多層屏蔽結構

本文應用CST 仿真軟件模擬平面波垂直入射，測試有無屏蔽體時待測點的場強。在同樣的條件下，分別仿真屏蔽體有無導電膜結構時的屏蔽效能，仿真結果如圖2 所示。

圖2 有無導電膜屏蔽體的屏蔽效能對比

金屬柵格結構的屏蔽效能取決于金屬柵格的直徑與數目，其對屏蔽效能的影響由圖3 和圖4所示。當引入透明導電薄膜時，導電膜具有一定效果的屏蔽作用，電磁波在金屬柵格和導電膜間進行多次反射，由此產生的損耗，有效提高了屏蔽效能。

圖3 金屬柵格厚度對屏蔽效能的影響

圖4 金屬柵格開孔大小對屏蔽效能的影響

通過進一步研究發現，導電膜處于屏蔽體的不同界面處時，會影響屏蔽體的屏蔽效能。如圖5所示，仿真結果表明，當導電膜在玻璃外側時，系統的屏蔽效果更好。但是導電膜暴露在大氣之中會受環境腐蝕，容易損壞，導電性能會隨時間而變差，從而會影響其電磁性能。綜合考慮將導電膜置于玻璃內側。

圖5 導電膜的位置對屏蔽效能的影響

通過仿真可知，透明導電薄膜的屏蔽效果與其方阻的大小有關。在本文結構中，透明導電薄膜方阻值的變化與屏蔽體的屏蔽效能的關系仿真結構如圖6 所示。隨著方阻阻值逐漸變小，系統的屏蔽效能也隨之變大。根據此結果可以按照需求選取合適的透明導電薄膜。

圖6 導電膜屏蔽效能隨方阻的變化關系

該屏蔽結構中金屬網柵的厚度、金屬柵格的大小與數目會影響其屏蔽效能，網柵厚度越厚、柵格越小，屏蔽結構的屏蔽效能越高。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，分析了導電膜方阻和導電膜位置變化對屏蔽效能的影響。并對引入不同參數導電膜進行仿真分析，使其具有較好的屏蔽效果，最后對該結構的屏蔽效能進行測試。

3 測試結果分析

屏蔽板的實物和測試系統如圖7 所示。采用Analog Devices 公司的HMC-T2220 型號信號源、固態放大器、喇叭天線、功率計和Narda EP600 場強探頭進行測試。測試距離是3 m，發射天線為標準喇叭天線，接收為場強探頭，監測有無屏蔽體的場強值，測試在微波暗室進行。

圖7 測試系統

搭建測試系統，應用場強探頭測試有無屏蔽體時待測點的電場強度，根據屏蔽效能公式計算出屏蔽效能。仿真與實測的結果對比如圖8 所示。此時在2.45 GHz 屏蔽板的屏蔽效能為22.53 dB。實測時由于環境的背景噪聲影響，會有電磁波從屏蔽板的上方傳播，導致屏蔽板的屏蔽效能比仿真值偏低。從仿真與實測的結果可以看出，屏蔽效能隨著頻率的增加而逐漸降低，與理論結果基本吻合。

圖8 屏蔽效能仿真與實測對比

對普通的商用金屬柵格進行實測電磁屏蔽測試。此金屬柵格邊長比本文屏蔽結構的更小，采用同樣的方法測得屏蔽效能如圖8 所示。本文中帶有透明導電薄膜的屏蔽體結構，比更小柵格的屏蔽結構的屏蔽效能高，也具有較好的可視性，便于觀察屏蔽板后面的情況。表1 為屏蔽結構對比，相比于文獻中所提到的屏蔽結構，本文的雙層混合結構具有更好的應用效果和前景[14-15]。

表1 屏蔽結構對比

4 結論

本文設計了一種帶有透明導電薄膜的多層結構屏蔽板。該屏蔽板在2.45 GHz 時的屏蔽效能為22.53 dB。

1)仿真應用周期性結構，對一個單元進行仿真，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構，本文結構提高了系統的屏蔽效能，同時金屬柵格增大，提高了可視度，便于觀察屏蔽板后的情況。

3)該屏蔽板結構簡單、便于加工，可根據實際要求選擇合適的透明導電薄膜，在電磁兼容、電磁屏蔽等領域具有潛在的應用價值。