新型三頻段FSS夾層玻璃的設計與電磁屏蔽性能研究

譚 天,陳睿哲,張 澤,侯新宇

(上海大學材料科學與工程學院,上海 200444)

0 引 言

隨著無線通信系統的發展,智能手機、筆記本電腦和平板電腦等便攜式設備已經成為人類生活的重要組成部分,特別是在未知頻段內的無線應用,這對人類健康以及對各種電氣/電子設備存在潛在威脅[1]。最近的研究表明,Wi-Fi/WLAN信號是污染電磁環境的因素之一,而每個國家都有特定的全球移動通信系統(global system for mobile communication, GSM)頻段(例如GSM1900:1900 MHz)和無線電功率額定值(2.4 GHz/5 GHz)的標準,因此解決建筑房間、重癥監護病房(ICU)、研究中心等電磁干擾是當務之急[2-3]。頻率選擇表面(frequency selective surface, FSS)可實現選擇性屏蔽,允許有用頻帶通過,反射無用頻帶,因此受到了廣泛的關注。隨著柔性電子制造技術的發展,如導電油墨的絲網印刷,FSS在其他方面的應用具備了靈活性[4-6],也為特殊電磁屏蔽和防護應用提供了新的思路。

Bagci 等[7]提出了一種用于WLAN屏蔽應用的雙阻帶FSS,通過在玻璃基板上集成兩層FSS的方式實現,對WLAN信號提供25～30 dB的測量抑制。但是一個單元的尺寸達到30 mm,視覺透明度非常低。Dewani等[8]提出了一種基于PET薄膜的單頻帶方形環路帶阻FSS,可用于屏蔽通用移動通信系統(universal mobile telecommunications system, UMTS) 2.5～3.5 GHz頻段。該設計是用銀油墨在PET基板上絲網印刷,然后粘在玻璃窗上。雖然該設計在期望的頻帶內顯示出22 dB的屏蔽特性,但是PET和玻璃窗之間的氣泡或變形可能會降低FSS的性能。Farooq 等[9]提出了一種新型的具有雙阻滯特性的偏振無關FSS,用于抑制Wi-Fi和WLAN。在2.45和5.5 GHz頻段分別提供43和40 dB的帶阻響應兩個波段的屏蔽,但其導電圖案是覆銅刻蝕的,制作過程復雜,花費成本高。

近年來要求電磁屏蔽的場所不斷增加,除公共場所外,私人場所和軍事設施等也同樣需要[10-11],FSS玻璃材料也越來越朝著“低成本、制作簡單、高性能”的方向發展。本文提出了一種用于GSM屏蔽和WLAN隔離的雙層玻璃,其中間夾了一層頻率選擇表面,利用三維電磁仿真軟件CST仿真分析了幾何參數和入射角度對其傳輸響應的影響。本文所設計的夾層玻璃能夠抑制1.94、3.55和4.98 GHz頻段的傳輸,在電磁輻射防護、GSM屏蔽和WLAN隔離等方面具有良好的應用潛力。

1 FSS設計

圖1展示了提出的單元幾何結構的示意圖。該單元由一個半徑R為9.5 mm、線寬W為0.6 mm的圓環和長度A1為6.9 mm、寬度D1為1.8 mm、線度為0.6 mm的三極子縫隙組成。該單元是在透明玻璃上實現的,其透明玻璃的相對介電常數εr為6.7、厚度H為2 mm。采用三維電磁場仿真軟件CST對單元進行了仿真,該仿真器基于時域有限差分法求解了幾何形狀為的四面體網格單元的麥克斯韋方程組。

圖1 FSS幾何結構示意圖

FSS的設計主要考慮兩個因素:第一,在工作頻段上的屏蔽性能及穩定性,第二,設計的美觀與透明性能。雖然性能和外觀的設計之間存在一些約束,但是可以通過采用簡單而穩定的諧振單元來解決這些設計約束。圖案演化步驟仿真如圖2所示,通過CST仿真可以看出,普通的單圓環結構可以在低阻帶(2 GHz左右)產生一個阻帶,這個頻點對電磁波的吸收最高能達到50 dB,單個三極子圖案可以在5 GHz產生一個阻帶,這個頻點對電磁波的吸收最高能達到30 dB,將三極子圖案鏤空形成三極子縫隙后,由于圖案內部電流發生變化,有相反的內部和外部邊緣磁電流方向,導致磁場抵消,從而在低頻產發生諧振,在3.3 GHz額外產生一個阻帶,這個頻點對電磁波的吸收最高能達到40 dB,并且導致5 GHz頻點向后漂移。將兩個單元組合在一起后,就可以諧振產生兩個阻帶,且頻點發生些許漂移,若將三極子圖案鏤空形成三極子縫隙,鏤空使得阻帶能夠移到所需要的頻率,且單元占據的空間很小,還會諧振產生額外一個阻帶。該諧振單元由傳統的單圓環和三極子演化而來,因此,本設計在保證屏蔽性能的前提下提供了足夠的透明區域以保證足夠的光線傳輸。這種結構不僅能美化玻璃表面,而且對入射角度不敏感。

圖2 圖案演化步驟仿真

為了進一步了解該結構潛在的共振機制,并研究每個電流對FSS性能的貢獻,圖3給出了三個頻點1.94、3.55、4.98 GHz下兩個單元上的感應表面電流分布(S21表示從端口2到端口1的散射系數)。箭頭表示電流的方向,顏色表示強度。

圖3 表面電流分布

從圖3(a)可以清楚地看出,1.94 GHz時,電流主要分布在外部環形回路上,而內部三極子縫隙回路上的電流較弱。結果表明,此時的外部圓環為諧振單元。從圖3(b)可以看出,感應電流分布在中間三極子縫隙回路上,其外部環形上的電流可以忽略不計。因此,3.55 GHz是由三極子縫隙共振決定的。同樣,對于更高的頻帶,大量的感應表面電流集中在FSS的外部圓環和三極子縫隙中。這種高電流密度驗證了4.98 GHz的阻帶由FSS兩個單元共同共振引起。

2 性能分析

2.1 等效電路模型分析

本文提出的帶阻FSS的ECM(equivalent circuit model, ECM)是在全波單元仿真的基礎上,利用電路理論與建立FSS的集總電路模型之間的關系建立的。一個周期單元由兩個獨立的單元(即外環狀單元和內環三極子縫隙單元)組成。外環采用串聯LC諧振器(L1,C1)建模,內環采用串聯和并聯LC諧振器建模。其中并聯LC中的電感LB用于與三極子縫隙相關的電感, 而CB代表與三極子縫隙寬度有關的電容。此外,LA和CA分別表示內外單元之間有關的電感和電容。襯底用傳輸線建模,而自由空間阻抗(377 Ω)用Z0建模。由兩個串聯LC諧振器和一個并聯LC諧振器所代表的最終等效電路模型及ADS仿真如圖4所示。

圖4 等效電路模型(a)及ADS仿真(b)

外環的表面阻抗可以表示為

(1)

式中:Z表示阻抗,下標FSS1表示外環狀單元,L1表示外環單元電容,C1表示外環單元電感,ω表示入射電磁波周期,j表示虛部。

令其分子等于零,即可得到共振頻率f1處的傳輸零點。同樣,內部單元的表面阻抗也可以表示為

(2)

式中:下標FSS2表示內環三極子縫隙單元,電感LB表示與三極子縫隙相關的電感,CB表示與三極子縫隙寬度有關的電容,LA表示內外單元之間電感,CA表示內外單元之間電容。

介質的等效特性阻抗為

(3)

式中:Zm表示介質的等效特性阻抗,μ0表示真空磁導率,μr表示相對磁導率,ε0表示真空介電常數,εr表示相對介電常數,Z0表示自由空間阻抗。

介質的傳播常數為

(4)

式中:βm表示介質的傳播常數,λ表示波長。

等效電路的負載阻抗為

(5)

式中:Zl表示等效電路的負載阻抗。

等效電路的輸入阻抗為

(6)

式中:Zin表示等效電路的輸入阻抗,W表示線寬。

從上述公式可以得出,等效電路的傳輸因子為:

(7)

式中:Ttrans表示等效電路的傳輸因子。

由上述公式可知,對于帶阻頻率,電感和電容可能存在多個值,經過計算提取出L1=34.37 nH,C1=0.19 pF,LA=7.93 nH,CA=0.21 pF,LB=0.64 nH,CB=1.91 pF,這些集總元件的值可以調諧到所需的諧振頻率。圖4(a)所示的最終電路的提取值在Advanced Design System (ADS)工具中進行了仿真。由圖4(b)可知,電路仿真與全波電磁在1.94、3.55、4.98 GHz三個頻點產生諧振,與CST相比電路仿真在諧振處有輕微的偏移,吸收性能曲線基本重合,總體來說仿真吻合較好。

2.2 幾何參數分析

探討不同幾何參數如圓環半徑R、三極子縫隙長度A、三極子縫隙寬度D和線寬W的變化對所設計FSS的頻率響應的影響,以及不同入射波偏振時的入射角。其中R=9.5 mm、W=0.6 mm、A=6.9 mm,D=1.8 mm,分別改變其中一個參數,其他參數保持不變,觀察結果變化。首先,對圓環半徑R對帶阻頻率響應的影響進行了參數分析。圖5(a)顯示了諧振頻率f1隨參數R的變化。隨著R從9.3 mm增加到9.7 mm, f1從2.05 GHz減小到1.82 GHz,反射率幾乎不變,諧振頻率f2和 f3也略有下降,約小于1%。

同樣,諧振頻率隨三極子縫隙長度A的變化如圖5(b)所示。結果表明,A從6.7 mm增加到7.1 mm, f2從3.68 GHz減少到3.45 GHz,f3從5.11 GHz減少到4.98 GHz,且A=6.9 mm時,-10 dB以下的帶寬最寬,f1基本不變,A對諧振頻率f2和f3的影響較大,這種變化是由于A的增加使內部單元的電流增大。三極子縫隙寬度D在1.6～2.0 mm變化時,頻率變化情況如圖5(c)所示,結果顯示,三個頻點隨著D的增加均變化不大,由此可分析出D對頻點影響不大。對線寬W進行了研究,相應的頻率響應如圖5(d)所示。結果表明,當W從0.4 mm增加到0.8 mm時,f3從5.05 GHz減少到4.98 GHz,且反射率逐漸增大,f2處的帶寬也隨著W的增大而增大,而f1頻點沒有受到影響,其諧振頻率的減少歸因于環形電感的減小,在高于自身諧振頻率時(大于2 GHz)電感與諧振頻率成正比,W對于性能的影響不大,但W的增大也會帶來FSS圖案面積的增大,從而影響透光率。

2.3 角度敏感性分析

在不同的入射角度下,對該設計進行了仿真,此時的結構參數為圓環半徑R=9.5 mm,線寬W=0.6 mm、三極子縫隙長度A=6.9 mm、三極子縫隙寬度D=1.8 mm。不同入射角(0°～ 60°)下仿真結果如圖6所示,本文提出的FSS在1.94、3.55和4.98 GHz頻段分別達到了-50、-44和-35 dB的屏蔽。由于磁場和電場分量隨入射角的變化而變化,入射的無線電波在表面處具有不同的阻抗。因此,這種阻抗失配會導致傾斜角度下FSS性能的輕微下降。對于TM極化,由于三極子縫隙不完全對稱,導致隨著角度的增加,高頻時出現諧振頻率的分化與漂移。

圖6 頻率隨不同入射角的變化

3 實驗驗證

所設計的FSS夾嵌在玻璃中間,實際中對玻璃的透光性是有一定要求的。利用簡單面積計算公式可以得到,圓環和三極子縫隙的總面積(Scell)為62.75 mm2,單元總面積L2為400 mm2,且利用表面單元占空比可以計算得到所提出的結構具有84.3%的透光率T。從而在保證所需頻段有足夠的屏蔽效果時,透光率滿足一定的要求。

(8)

式中:T表示透光率,L2表示單元總面積,Scell表示圓環和三極子縫隙的總面積。

為了對仿真結果進行驗證,制作了一個尺寸為200 mm×200 mm的樣件,對其進行了透波率和透光率測試。樣件制作過程如下:

首先選取2塊厚度為2 mm的透明玻璃,清洗、制備之前,使用丙酮、無水乙醇和去離子水依次對玻璃進行清洗,去除玻璃表面的污染物,保持潔凈度。然后在干燥箱中升溫至 120 ℃烘烤15 min,使其表面水分完全蒸發。

取其中一塊玻璃,將絲網印刷網版置于其上,將導電銀漿以線滴法滴至絲網印刷網版上,用刮刀以45°恒速刮過絲印網版,在剪切力的作用下將導電銀漿印刷到玻璃上,然后將帶有印刷圖案的玻璃放至真空干燥箱中退火以蒸發溶劑,最終獲得與網版圖案一致的透明導電玻璃。

在將另外一塊沒有印刷圖案的玻璃和印刷圖案的玻璃(印有圖案的玻璃面在中間)貼合前,首先要選擇適合玻璃寬度的PVB膠片,將PVB膠片自然展平,對齊玻璃的內外片。在玻璃邊角貼敷復合膠條,然后放入熱壓機,經過高溫預熱處理后,熱壓機施加壓力使玻璃通過PVB膠片黏合為一體,最后冷卻得到樣件。

由一對寬帶喇叭天線、一對聚焦透鏡和一臺矢量網絡分析儀(安捷倫技術37369C)來搭建如圖7(a)所示簡易自由空間傳輸率測試系統。樣件實物圖如圖7(b)所示。將樣件置于聚焦透鏡之間,可測得樣件的隨頻率變化的傳輸系數曲線,測試結果如圖7(c)所示。

用玻璃刀將FSS夾層玻璃切出一個周期圖案(尺寸大小為10 mm×10 mm),使用圖8(a)所示的UV2600紫外分光光度計對樣件的透光率進行測量,測量結果如圖8(b)所示。

圖8 透光率測試裝置和測量結果曲線

測量結果表明,夾層玻璃樣件在三個頻點下都表現出低于-10 dB的抑制效果,在可見光范圍內透光率維持在70%以上,模擬結果與實測值吻合較好。但由于加工公差和測量缺陷等原因,中心頻點出現了小偏差,透光率低于理論設計值。最后,將本文的結果與現有文獻中進行了比較,結果如表1所示。

表1 樣件主要性能對比

4 結 論

1)本文研究了一種具有三帶阻特性、角度敏感性低的新型頻率選擇玻璃,用于抑制GSM和WLAN。

2)制作了實驗樣件,通過自由空間透波率實驗和UV2600紫外分光光度計透光率實驗,在三個工作頻點均實現了-10 dB以下的帶阻傳輸響應,且保持70%以上的光學透光率。

3)仿真和實驗結果進一步證實本文所給出的結構具有良好的角度穩定性,在GSM抑制、屏蔽無線接入點,以及在室內環境的安全方面具有潛在的應用價值。