采用小型化超材料的低反射傳輸線輻射抑制結(jié)構(gòu)

王霞 管政濤 李艷祿 羅海鵬 李雅楠 馬玉鳳 魏豪毅 王蒙軍，3*

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 天津 300401；2.宏啟勝精密電子(秦皇島)有限公司, 秦皇島 066300；3.河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室, 天津 300401）

0 引 言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)向小型化、高集成度與高速率的方向不斷邁進(jìn)，在這一進(jìn)程中，柔性電子技術(shù)由于其出色的靈活性而受到廣泛關(guān)注，并推動了可穿戴和可折疊等柔性電子設(shè)備的實現(xiàn)和迅速發(fā)展，在教育、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用.但隨著信號頻率與電子元件集成度的提升，元件間電磁干擾強(qiáng)度增大，印刷電路板(printed circuit board, PCB)上的電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，如果電磁輻射達(dá)到一定的限度，甚至?xí)鹫麄€電路崩潰[1].在PCB 間或PCB 板載器件間進(jìn)行信號傳輸?shù)闹饕骷莻鬏斁€，與傳輸?shù)皖l信號時不同，傳輸線傳輸高頻信號時在空間中產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度更大，對其他元件的影響也更惡劣[2].在傳統(tǒng)的硬質(zhì)PCB 中，通常在傳輸線上使用過孔與金屬膜形成屏蔽腔體來抑制電磁輻射，取得了良好的屏蔽效能.但在柔性PCB 中，這種方案會影響傳輸線的靈活性，且易產(chǎn)生寄生電容和電感等，帶來信號完整性問題，因此迫切需要提出一種應(yīng)用在高頻柔性傳輸線上的電磁輻射抑制方案.

傳輸線電磁干擾現(xiàn)象隨頻率的升高而愈加嚴(yán)重，近年來，國內(nèi)外學(xué)者為解決這一問題進(jìn)行了很多研究.2003 年思克萊德大學(xué)的Keenan[3]提出用鐵氧體材料來解決PCB 板級電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)問題，即利用鐵氧體材料能夠有效吸收電磁波的特性來降低PCB 中傳輸線等產(chǎn)生的MHz 頻率等級的電磁輻射.2011 年愛爾蘭國立大學(xué)的Duffy 等[4]提出用磁性電鍍合金來代替鐵氧體材料用于抑制PCB 中電磁輻射，并在500 kHz 和3 MHz頻率下與4F1 鐵氧體材料進(jìn)行了屏蔽效能的對比，在厚度更薄的情況下取得了近似的屏蔽效能.2011年，臺灣大學(xué)的Wu 等[5]研究了PCB 邊緣過孔的間距、位置等對電磁輻射屏蔽效能的影響，并在0～3 GHz 范圍內(nèi)進(jìn)行了驗證.在硬質(zhì)PCB 中，過孔仍作為主要的空間輻射抑制技術(shù)而廣泛應(yīng)用，但隨著頻率的提高，由于寄生參數(shù)和阻抗不連續(xù)性的影響，過孔不可避免地會給PCB 中的信號傳輸帶來信號完整性問題.并且，在柔性PCB 中這一問題同樣不可避免.2020 年，TechDream 公司的Fukawa 等[6]提出了一種利用高介電常數(shù)材料代替過孔來屏蔽PCB 中傳輸線等輻射的方法，并在0～10 GHz 范圍內(nèi)進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)隨著頻率的提升，高介電常數(shù)材料的屏蔽效能優(yōu)于過孔方式，但這類材料厚度較大且靈活性較差，不適用于柔性PCB.因此，在具有超薄特性的柔性高頻傳輸線中使用以上技術(shù)進(jìn)行電磁輻射抑制均具有一定的限制，并且大部分屬于反射型屏蔽方案，在高頻應(yīng)用場景下反射波會影響傳輸線的傳輸性能，而采用低反射型屏蔽技術(shù)可解決這一問題.

低反射型屏蔽材料可有效吸收電磁輻射，改善受擾設(shè)備附近的電磁兼容性能.早期的低反射材料研究主要集中在鐵氧體和磁性金屬材料.鐵氧體材料具備吸收損耗強(qiáng)、 成本低的特點，但吸收頻率較低，且密度較大.2015 年博拉理工學(xué)院的Moitra 等[7]提出了一種由CoFe2O4組成的鐵氧體材料，吸收頻段為8.2～10.2 GHz，厚度為2 mm，并在9.25 GHz 表現(xiàn)出-55 dB 的最大反射損耗.磁性金屬材料相較于鐵氧體材料磁性更強(qiáng)、吸收損耗更大，但存在密度大、吸收帶寬窄的缺點.2020 年，桂林電子科技大學(xué)的He 等[8]提出了一種由Ho-Ce-Co 合金構(gòu)成的磁性金屬材料，有效吸收帶寬為1.6 GHz，厚度為2 mm，在6.48 GHz 可達(dá)到-42.99 dB 的最大反射損耗.新型的低反射屏蔽材料有碳基、導(dǎo)電聚合物基和金屬硫化物基材料.碳基材料具有密度小、介電損耗大和導(dǎo)電性可調(diào)的優(yōu)點，但存在吸收帶寬窄的缺陷.2018 年，浙江大學(xué)的Chen等[9]提出了一種由石墨烯微花構(gòu)成的碳基材料，可在6.0～8.9 GHz 吸收電磁波，厚度為4 mm，在6.9 GHz 可達(dá)到-42.9 dB 的最佳反射損耗.導(dǎo)電聚合物基材料具有介電損耗較大和導(dǎo)電性強(qiáng)的優(yōu)點，但也存在吸收帶寬窄的缺點.2018 年，合肥工業(yè)大學(xué)的Wang 等[10]提出了一種由Ni/SiO2/聚苯胺組成的導(dǎo)電聚合物基屏蔽材料，工作頻段為16.0～17.9 GHz，厚度為8.7 mm，在17.1 GHz 可達(dá)到-41.5 dB 的最佳反射損耗.金屬硫化物基材料的介電損耗較大，并具有良好的導(dǎo)電性，但同樣存在厚度較大的問題.2020年，西北工業(yè)大學(xué)的Wu 等[11]提出了一種由Fe3O4/Fe3S4組成的金屬硫化物基材料，吸收頻段為5.8～8.4 GHz，厚度為3.3 mm，在7.1 GHz 表現(xiàn)出-45.3 dB的最大反射損耗.以上低反射型屏蔽材料應(yīng)用在高頻傳輸線上存在厚度大、吸收帶寬窄等缺點，難以與柔性傳輸線相適應(yīng)，超材料的出現(xiàn)為解決這一問題給出了新的思路.

超材料是一種人工設(shè)計的周期性亞波長結(jié)構(gòu)，具有自然材料所不具備的超常物理特性，如負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)折射率等，對電磁波具有良好的調(diào)控和吸收能力，在電磁隱身[12]和抗干擾通信[13]等方面具有很高的應(yīng)用潛力.超材料具有超薄的特點，厚度可以降低到工作波長的幾十分之一，并且由于是周期陣列結(jié)構(gòu)，可以靈活調(diào)整規(guī)模以便在各類場景中應(yīng)用，并適應(yīng)電子系統(tǒng)小型化的趨勢[14-15].2008年波士頓大學(xué)的Landy 等[16]首次提出了完美超材料吸波體的概念，采用硬質(zhì)FR4 材料作為介質(zhì)基板，在兩側(cè)設(shè)計了金屬條型諧振結(jié)構(gòu)，在11.5 GHz 實現(xiàn)了對電磁波幅度的有效調(diào)控.2020 年，電子科技大學(xué)的Jiang 等[17]提出了一種柔性超材料結(jié)構(gòu)，使用PET 材料作為介質(zhì)基板實現(xiàn)了良好的靈活性，在其一側(cè)涂敷了一層方阻為74 Ω 的導(dǎo)電薄膜并印刷了圖案，在4.1～19.3 GHz 的寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)了對電磁波的有效吸收，即對幅度的調(diào)節(jié).同年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Yuan 等[18]以Pancharatnam-Berry 相位理論為基礎(chǔ)，通過引入傳播相位設(shè)計了一種在圓極化入射時可實現(xiàn)完全相位調(diào)控的超表面，并在9～11 GHz范圍內(nèi)進(jìn)行了驗證.2022 年，天津大學(xué)的Wu 等[19]提出了一種幅度、相位和極化全控制超材料設(shè)計方法，通過引入“超材料原子”構(gòu)成“超材料分子”的概念，實現(xiàn)了對電磁波振幅、相位等參數(shù)的全面調(diào)控.由于超材料在調(diào)控電磁波的幅度、相位和極化方面相較于傳統(tǒng)的材料在體積、形態(tài)和功能上的顯著優(yōu)勢，不僅在完美透鏡、電磁隱身等場景有廣泛應(yīng)用，小型化的特性使其在改善移動終端等微型設(shè)備的電磁兼容方面也具有很高的研究價值.

針對前述問題，本文提出了一種利用小型化超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高頻柔性傳輸線電磁輻射屏蔽的低反射型方案.通過將傳輸線與超材料結(jié)構(gòu)耦合，利用超材料對電磁波的調(diào)控和吸收特性來抑制電磁輻射，并利用等效參數(shù)理論、等效電路理論對設(shè)計的小型化超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析驗證.同時設(shè)計了工作在5G FR2 頻段的分段共面波導(dǎo)(segmented coplanar waveguide, SCPW)傳輸線用于仿真和測試.通過對比增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后SCPW 傳輸線的S 參數(shù)和電磁輻射強(qiáng)度，驗證了超材料在保持傳輸質(zhì)量和抑制傳輸線電磁輻射方面的性能，并加工實物進(jìn)行了測試.

1 超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與等效參數(shù)分析

1.1 電磁屏蔽機(jī)理

超材料由人工設(shè)計的周期性亞波長結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，單個結(jié)構(gòu)上具有精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖案.當(dāng)輻射電磁波入射到表面圖案時，如果與超材料結(jié)構(gòu)的工作頻段匹配，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁諧振，超材料因此對電磁波具有良好的調(diào)控與吸收能力，將其與高頻柔性傳輸線耦合，可在寬頻帶內(nèi)對輻射電磁波進(jìn)行調(diào)控與吸收，實現(xiàn)電磁屏蔽.

超材料結(jié)構(gòu)對傳輸線電磁輻射的抑制，即對電磁波的調(diào)控可從多個角度進(jìn)行分析.具體來說，主要包括振幅、相位和極化三個方面的調(diào)控.

第一，超材料結(jié)構(gòu)對電磁波振幅的調(diào)控主要是通過電磁損耗進(jìn)行的，主要分為介電損耗和歐姆損耗兩部分.超材料結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板通常是有損材料，在電磁波入射到介質(zhì)內(nèi)部時，如果發(fā)生磁諧振，表面圖案與金屬背板產(chǎn)生反向平行的電流，在介質(zhì)中會產(chǎn)生一定的位移電流，這部分稱為介電損耗.歐姆損耗則主要由入射電磁波激發(fā)超材料表面金屬結(jié)構(gòu)諧振產(chǎn)生，由于超材料可在某一個頻點或某一個頻段內(nèi)與電磁波發(fā)生電諧振，因此這部分電磁波會轉(zhuǎn)化為電流而被損耗.在傳輸線輻射的高頻電磁波入射到超材料結(jié)構(gòu)表面時，如果與超材料的工作頻段匹配，便會進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，部分產(chǎn)生透射，定義透射率為T(ω)， 部分被反射，定義反射率為R(ω)，剩下的則在超材料內(nèi)部被損耗，定義損耗率為L(ω)，即超材料作為一種吸收型結(jié)構(gòu)對電磁輻射進(jìn)行了抑制，對應(yīng)的損耗率計算公式為

第二，超材料在微波波段可對電磁波相位進(jìn)行有效的調(diào)控.對于介質(zhì)一側(cè)有完整金屬背板的反射型超材料結(jié)構(gòu)，假設(shè)電磁波入射前和入射后(超材料介質(zhì)層)的 介 電 常數(shù)分別為 ε1和 ε2，磁導(dǎo)率分 別 為μ1和 μ2，此時的邊界條件為[20]

式中：Ai和Bi分別表示各層介質(zhì)中沿正方向和反方向的電場分量；Y1、Y2和Ys分別表示入射前后電磁波所處介質(zhì)以及超材料表面結(jié)構(gòu)的等效導(dǎo)納.當(dāng)電磁波從自由空間入射到超材料時，Y1=Y0，Y0是自由空間的導(dǎo)納，其值為其中ε0和 μ0分別是自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；超材料介質(zhì)層導(dǎo)納Y2=Y0.

在此基礎(chǔ)上，超材料結(jié)構(gòu)的反射相位可以表示為

式中：k是電磁波在超材料介質(zhì)中的波數(shù)；d是介質(zhì)的厚度.當(dāng)輻射電磁波進(jìn)入到超材料結(jié)構(gòu)中時，被反射的部分會產(chǎn)生相位的變化，與入射前的電磁波即傳輸線所傳輸?shù)碾姶挪ㄐ盘柈a(chǎn)生了差異.因此，與傳統(tǒng)的過孔與金屬屏蔽膜相比，超材料對傳輸線的信號完整性影響較小.

第三，對入射電磁波極化的調(diào)控也是超材料結(jié)構(gòu)特性中重要的一個部分.一般來說，電磁波的極化可以分為線極化、圓極化和橢圓極化三類，而超材料經(jīng)過特定的設(shè)計可以通過改變幅值和相位等特性有效地進(jìn)行電磁波的極化轉(zhuǎn)換.

因此，相較于傳統(tǒng)的反射型屏蔽結(jié)構(gòu)，超材料結(jié)構(gòu)在對傳輸線高頻輻射進(jìn)行抑制時，降低了反射分量，改變了反射波的特性，可有效保持傳輸線的傳輸性能.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了順應(yīng)電子系統(tǒng)高集成度的趨勢，設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)具有小型化的特點，并采用柔性材料保證與柔性傳輸線匹配.設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)單元的正視圖和立體圖分別如圖1(a)和圖1(b)所示，主體結(jié)構(gòu)由超材料圖案、介質(zhì)基板和金屬背板構(gòu)成，單元尺寸為0.079λ0×0.079λ0(λ0是工作帶寬中最低截止頻率對應(yīng)的波長)，且厚度僅為0.04λ0.

圖1 超材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of metamaterial structure

從圖1(a)正視圖可以看出，超材料圖案由三個大小不一的方形開口分裂環(huán)構(gòu)成，利用三個諧振環(huán)之間的耦合增加諧振點，最終在寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)了對電磁波的調(diào)控與吸收.

超材料圖案與金屬背板均由金屬銅構(gòu)成，電導(dǎo)率為5.8×107S/m，厚度t1為0.018 mm.介質(zhì)基板采用聚酰亞胺材料，介電常數(shù)為3.5，損耗角正切tan δ 為0.002 7，厚度t2為0.48 mm，介質(zhì)基板一側(cè)完全被金屬背板覆蓋，因此電磁波的透射率為零.完整的幾何參數(shù)如表1 所示.

表1 超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of metamaterial mm

1.3 電磁特性分析

在進(jìn)行超材料結(jié)構(gòu)的電磁特性研究時，使用商業(yè)仿真軟件CST 進(jìn)行建模，x和y方向的邊界條件均設(shè)置為“unit cell”周期邊界，z方向設(shè)置為開放邊界，使用頻域求解器進(jìn)行模型電磁參數(shù)的計算.

超材料結(jié)構(gòu)在 TE 和 TM 兩種不同的極化電磁波垂直入射時的 S 參數(shù)對比如圖2(a)所示，在23.10～28.30 GHz 頻率范圍內(nèi)S11均低于-10 dB，表現(xiàn)出對電磁波良好的調(diào)控與吸收性能，在27.56 GHz 可達(dá)-44 dB 的最佳反射損耗.兩種極化波垂直入射時的反射相位如圖2(b)所示，在超材料工作頻帶內(nèi)，相位發(fā)生了多次突變，并且不同頻率的入射波表現(xiàn)出不同的反射相位.另一方面，對于TE 和TM 極化波，設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一致的電磁調(diào)控性能，因此具有極化不敏感的特性.

圖2 TE 和TM 極化波入射時超材料結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)和反射相位Fig.2 S-parameter and reflection phase of metamaterial structure incident by TE and TM polarized waves

1.4 等效參數(shù)分析

在進(jìn)行超材料結(jié)構(gòu)電磁波的調(diào)控與吸收的研究時，阻抗匹配是重要的一個方面.阻抗匹配是指電磁波入射到超材料結(jié)構(gòu)表面時超材料對電磁波的反射和吸收程度，因此其與超材料的性能密切相關(guān).入射電磁波與超材料發(fā)生作用后被分為三個部分，分別為反射、透射與被吸收的電磁波.在設(shè)計超材料結(jié)構(gòu)時，通常使用金屬導(dǎo)體作為背板，保證透射系數(shù)為0，在這種情況下，減小反射系數(shù)S11可以增加吸收率.反射系數(shù)的計算公式如下：

式中：Z0表 示自由空間的阻抗，其值為120π Ω；Zin表示超材料結(jié)構(gòu)的表面阻抗，其等效值的計算公式為[21]

將Z0進(jìn)行歸一化，并與超材料等效阻抗進(jìn)行比較，當(dāng)Zin=Z0時可以實現(xiàn)阻抗匹配，此時超材料結(jié)構(gòu)對電磁波的調(diào)控與吸收效果較好.

設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基板一側(cè)被金屬背板完全覆蓋，透射系數(shù)S21為0，從CST 仿真軟件中提取S 參數(shù)，并使用編程軟件進(jìn)行等效阻抗的計算，結(jié)果如圖3 所示.該結(jié)構(gòu)在工作頻段內(nèi)等效阻抗的實部接近1，虛部接近0，因此與自由空間阻抗匹配良好.

圖3 超材料結(jié)構(gòu)等效阻抗Fig.3 Equivalent impedance of metamaterial structure

超材料是一種復(fù)合型人工材料，在微觀上是非均勻的，但從亞波長尺度上可以看作是均勻介質(zhì)材料.因此，可用等效媒質(zhì)理論進(jìn)行分析，等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率的計算公式如下[22]：

式中：k0表 示自由空間的波數(shù)；h表示超材料結(jié)構(gòu)介質(zhì)基板的厚度.對設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率進(jìn)行分析，以S 參數(shù)仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，利用公式進(jìn)行反演計算，結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)所示，其中，等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率的實部表示超材料與自由空間的匹配程度，虛部表示能量的損耗.可以看出，兩個等效參數(shù)的實部在工作頻率內(nèi)均接近于0，因此該結(jié)構(gòu)與自由空間的匹配程度較好；而兩者的虛部在工作頻段內(nèi)均大于0，說明對電磁波具有一定的損耗能力.

圖4 超材料結(jié)構(gòu)等效參數(shù)Fig.4 Equivalent parameters of metamaterial structure

1.5 等效電路模型

在電磁波入射到超材料表面結(jié)構(gòu)時，會激發(fā)出感應(yīng)電流，超材料結(jié)構(gòu)會形成電流通路，即構(gòu)成等效電路模型.其中，每一個開口分裂環(huán)結(jié)構(gòu)都可以等效為一個RLC 支路，并可由下列公式進(jìn)行等效參數(shù)的計算[23]：

式中：k、m、s和p分別是超材料表面結(jié)構(gòu)中諧振環(huán)的周期長度、金屬條的寬度、兩個諧振環(huán)之間的距離以及諧振環(huán)在橫向尺度上的長度； λ表示波長； θ表示電磁波的入射角；L、C和R分別表示每個開口分裂環(huán)的等效電感、電容和電阻；Z0表示自由空間的阻抗； ρ表示材料的電導(dǎo)率；Lc和S分別表示導(dǎo)體的長度和橫截面積.

設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)表面圖案的三個方形諧振環(huán)可等效為三組RLC 串聯(lián)支路，其中電容分別由三個諧振環(huán)開口處等效電容以及內(nèi)外環(huán)之間耦合的電容構(gòu)成，C1、C2和C3分別由超材料表面圖案中由外向內(nèi)的三個環(huán)互相耦合及每個環(huán)自身的開口產(chǎn)生；電感由電磁波入射到結(jié)構(gòu)內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電流激發(fā)，L1、L2和L3分別由超材料表面圖案中由外向內(nèi)的三個環(huán)在電磁波入射時感應(yīng)產(chǎn)生；電阻R1、R2和R3分別由表面圖案中由外向內(nèi)的三個環(huán)的金屬條開口結(jié)構(gòu)等效產(chǎn)生.因此，等效電路模型如圖5 所示.其中，Z0表 示自由空間阻抗，Zh表示超材料介質(zhì)基板的等效阻抗，三組并聯(lián)的RLC 支路分別對應(yīng)超材料表面結(jié)構(gòu)中三個諧振環(huán)的等效阻抗參數(shù).

圖5 超材料結(jié)構(gòu)等效電路模型Fig.5 Equivalent circuit model of metamaterial structure

根據(jù)等效電路理論對超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為了簡化計算，所有的參數(shù)都是基于入射角為0°的情況得到的.通過公式計算得到的電阻R1、R2、R3分別為0.053 Ω、0.033 Ω、0.013 Ω；電感L1、L2、L3分別為20.20 nH、25.85 nH、19.00 nH；電容C1、C2、C3分別為2.30 fF、1.26 fF、0.95 fF.利用計算得到的參數(shù)值結(jié)合ADS 軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到的仿真S 參數(shù)曲線如圖6 所示，與CST 仿真軟件得到的結(jié)果基本一致.

圖6 ADS 等效電路模型和CST 仿真結(jié)果對比Fig.6 Comparing of ADS equivalent circuit model and CST simulation

此外，如表2 所示，對比現(xiàn)有的超材料結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)的尺寸更小，并在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)了對電磁波良好的調(diào)控能力，因此具有小型化和寬頻帶的特點.

表2 本文與現(xiàn)有超材料結(jié)構(gòu)的對比Tab.2 Comparison of this paper and existing metamaterial structures

2 電磁屏蔽性能測試與分析

2.1 SCPW 傳輸線結(jié)構(gòu)模型

為了驗證高頻柔性傳輸線加載超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁屏蔽的有效性，設(shè)計了工作在5G FR2 頻段的SCPW 傳輸線進(jìn)行測試.

SCPW 傳輸線在傳統(tǒng)CPW 傳輸線基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新設(shè)計，加入了半波長諧振器來調(diào)節(jié)傳輸線工作頻率，使CPW 結(jié)構(gòu)更適用于高頻下的應(yīng)用場景.

SCPW 傳輸線主要由共面波導(dǎo)部分和介質(zhì)基板構(gòu)成，如圖7(a)所示.其中共面波導(dǎo)部分由信號線(I)、接地平面(II)、半波長諧振器(III)構(gòu)成.如圖7(b)所示，增加SCPW 單元數(shù)量可自由調(diào)節(jié)傳輸線整體長度.在SCPW 傳輸線結(jié)構(gòu)中，共面波導(dǎo)部分由金屬銅構(gòu)成，電導(dǎo)率為5.8×107S/m，厚度為0.018 mm，介質(zhì)基板(IV)使用介電常數(shù)為3.5、損耗角正切tan δ為0.002 7 的聚酰亞胺材料，厚度為0.05 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示.由于SCPW 傳輸線采用超薄銅膜和柔性聚酰亞胺材料，靈活性較好，能夠滿足柔性電子設(shè)備的需求.

表3 SCPW 傳輸線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Structural parameters of SCPW transmission line mm

圖7 SCPW 傳輸線示意圖Fig.7 Structure diagram of SCPW transmission line

2.2 加載超材料結(jié)構(gòu)的傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計與電磁性能分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

超材料結(jié)構(gòu)因其超常的物理性質(zhì)對電磁波具有良好的調(diào)控與吸收能力，通過改變構(gòu)成材料也可使其滿足柔性電子設(shè)備靈活性的需求，由于高頻超材料容易實現(xiàn)超薄的厚度，因此與高頻柔性傳輸線有良好的適應(yīng)性.與大部分傳統(tǒng)電磁屏蔽方式通過反射來抑制輻射的方法不同，超材料結(jié)構(gòu)具有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)等特性，可以通過調(diào)控和吸收電磁波來實現(xiàn)對傳輸線的電磁屏蔽，因此在高頻率下實現(xiàn)良好屏蔽效能的同時可以減低傳輸損耗，保證信號的傳輸質(zhì)量.

加載超材料結(jié)構(gòu)的柔性傳輸線屏蔽結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成，如圖8 所示，分別是傳輸線、介質(zhì)間隔層和超材料屏蔽層.其中，傳輸線置于整體結(jié)構(gòu)的底層；超材料屏蔽層位于頂層，由超材料結(jié)構(gòu)單元陣列組成；兩者之間是介質(zhì)間隔層，用于對上下部分進(jìn)行隔離，并且在傳輸線和超材料陣列間形成一定距離，保證超材料屏蔽結(jié)構(gòu)能夠正常工作.

圖8 加載超材料屏蔽結(jié)構(gòu)的傳輸線示意圖Fig.8 Schematic diagram of transmission line loaded with metamaterial shielding structure

SCPW 傳輸線加載超材料屏蔽結(jié)構(gòu)整體如圖9(a)所示，從下至上分別是SCPW 傳輸線、介質(zhì)間隔層以及超材料屏蔽層.其中，SCPW 傳輸線與前文所介紹的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致；介質(zhì)間隔層采用與上下層結(jié)構(gòu)一致的聚酰亞胺材料，厚度為0.15 mm，保證整體結(jié)構(gòu)的靈活性；超材料屏蔽層則由12 個超材料單元沿傳輸線信號傳輸方向排列構(gòu)成，如圖9(b)所示.

圖9 SCPW 傳輸線加載超材料屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of SCPW transmission line loading metamaterial shielding structure

2.2.2 電磁參數(shù)分析

超材料結(jié)構(gòu)可對高頻柔性傳輸線的輻射進(jìn)行吸收，并改變反射分量的幅度、相位和極化等電磁特性，因此對傳輸性能的影響較小.SCPW 傳輸線在增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后的S 參數(shù)對比如圖10 所示，由于超材料結(jié)構(gòu)對傳輸線的輻射電磁波進(jìn)行了調(diào)控和吸收，有效降低了輻射波的反射分量，與未加載屏蔽結(jié)構(gòu)的SCPW 傳輸線相比，由于傳輸線與超材料結(jié)構(gòu)耦合后產(chǎn)生了寄生電容與寄生電感等，超材料結(jié)構(gòu)的工作頻帶會有一定的偏移，進(jìn)而影響了傳輸線在32～34 GHz 的傳輸特性.且SCPW 傳輸線在部分頻帶內(nèi)損耗有明顯增大，諧振點也向低頻段有一定的偏移，但在23.49～30.96 GHz 和32.98～38.00 GHz的寬頻帶內(nèi)仍保持良好的傳輸性能.

圖10 增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后S 參數(shù)對比Fig.10 Comparing of S-parameters before and after adding metamaterial shielding structure

2.2.3 屏蔽效能分析

設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)對電磁波具有一定的損耗能力，因此在工作頻段內(nèi)可有效抑制高頻柔性傳輸線的電磁輻射.在CST 仿真軟件中設(shè)置電場探針來模擬3 m 遠(yuǎn)場輻射測試，并計算各個輻射方向峰值的平均值來分析屏蔽效能.SCPW 傳輸線在增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后的3 m 遠(yuǎn)場電場輻射強(qiáng)度對比如圖11 所示，為了與超材料結(jié)構(gòu)的工作頻率匹配，仿真測試時將頻率范圍限制在22～29 GHz，可以看出在這一頻帶內(nèi)無屏蔽結(jié)構(gòu)的SCPW 傳輸線輻射強(qiáng)度均高于-15 dB V/m，最高值則分布在22 GHz 附近，可達(dá)到-13.5 dB V/m.因此，在沒有加載屏蔽結(jié)構(gòu)時，柔性SCPW 傳輸線在工作頻段內(nèi)具有較高的輻射水平，高頻輻射對柔性PCB 中其他元件會造成不可逆的影響，影響整個電子系統(tǒng)電磁特性，須要設(shè)計屏蔽結(jié)構(gòu)來對SCPW 傳輸線的輻射進(jìn)行有效的抑制.

圖11 增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后電場輻射強(qiáng)度對比Fig.11 Comparison of electric field radiation intensity before and after adding metamaterial shielding structure

使用以下公式計算屏蔽效能：

式中，E0和ES分別是屏蔽前后同一位置的電場輻射值.SCPW 傳輸線在超材料工作頻率范圍內(nèi)屏蔽效能平均可以達(dá)到10.10 dB，最高可以達(dá)到12.63 dB，因此超材料結(jié)構(gòu)對高頻柔性SCPW 傳輸線的電磁輻射可進(jìn)行有效降低.

超材料結(jié)構(gòu)對傳輸線電磁輻射具有良好的抑制作用，一方面，超材料可有效調(diào)控電磁波，改變傳輸線的表面電場分布.SCPW 傳輸線在增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后的表面電場分布對比如圖12 所示，無屏蔽時在傳輸線地線邊緣區(qū)域表面電場值仍較高，向外的輻射量較大，增加屏蔽結(jié)構(gòu)后表面電場分布范圍均有所縮減，被限制在SCPW 傳輸線的地線區(qū)域內(nèi).并且，在23 GHz、25 GHz 和27 GHz 三個頻率下SCPW傳輸線的表面電場峰值分別降低了3.0 dB mV/m、2.6 dB mV/m 和0.8 dB mV/m.另一方面，可以形成腔體將電磁波限制在屏蔽結(jié)構(gòu)中.對加載屏蔽結(jié)構(gòu)后傳輸線整體結(jié)構(gòu)的電場分布進(jìn)行了計算，結(jié)果如圖13 所示(頻率設(shè)置為27 GHz)，可以看出電磁波被束縛在由傳輸線和屏蔽陣列構(gòu)成的整體中，超材料結(jié)構(gòu)利用電磁諧振效應(yīng)對電磁輻射進(jìn)行了調(diào)控和吸收.

圖12 增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后表面電場分布對比Fig.12 Comparison of surface electric-field distribution before and after adding metamaterial shielding structure

圖13 27 GHz 電場分布Fig.13 Electric-field distribution at 27 GHz

3 實測與分析

在進(jìn)行理論分析與仿真后，為了進(jìn)一步驗證超材料結(jié)構(gòu)對SCPW 傳輸線靈活性與傳輸性影響較小的特性，對加載超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后的SCPW 傳輸線進(jìn)行了加工，并將導(dǎo)體銅印刷在介電常數(shù)為3.5 的聚酰亞胺材料上，實物如圖14 所示.對實物進(jìn)行了靈活性分析，彎曲測試的圖片證明了采用柔性介質(zhì)基板的超材料結(jié)構(gòu)后，仍可保持柔性傳輸線的靈活性.為了焊接高頻SMA 轉(zhuǎn)接器來連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行S 參數(shù)的測量，在加工各類高頻柔性傳輸線時均設(shè)計了測試過渡結(jié)構(gòu).對加工的SCPW 傳輸線進(jìn)行測試，實測環(huán)境如圖15 所示.增加超材料屏蔽結(jié)構(gòu)前后的實測與仿真的S 參數(shù)對比如圖16 所示，可以看到兩者的傳輸帶寬基本一致，但實測的傳輸損耗有明顯增加.仿真與實測結(jié)果產(chǎn)生了一定差異，一方面是由于工藝精度不足產(chǎn)生了一定的加工誤差，在傳輸線結(jié)構(gòu)中會引起寄生參數(shù)與阻抗不連續(xù)性，造成傳輸損耗增大，在高頻下這種效應(yīng)更加明顯；另一方面，焊接SMA轉(zhuǎn)接器設(shè)計的過渡結(jié)構(gòu)，以及高頻SMA 轉(zhuǎn)接器，都會帶來一定的傳輸損耗.

圖14 SCPW 傳輸線加工實物與彎曲測試Fig.14 Fabrication and bending test of SCPW transmission line

圖16 SCPW 傳輸線仿真與實測S 參數(shù)對比Fig.16 Comparing of simulated and measured S-parameters within SCPW transmission line

4 結(jié) 論

本文針對高頻柔性傳輸線的電磁干擾問題，提出了一種低反射型輻射屏蔽方案，即采用超材料結(jié)構(gòu)對輻射波進(jìn)行調(diào)控與吸收.整體結(jié)構(gòu)由傳輸線、介質(zhì)間隔層與超材料屏蔽層構(gòu)成，介質(zhì)均采用柔性材料來保證靈活性.為驗證方案的有效性，設(shè)計了一種工作在23.10～28.30 GHz 的小型化寬帶超材料結(jié)構(gòu)以及工作在5G FR2 頻段的高頻柔性SCPW 傳輸線并進(jìn)行了測試，結(jié)果表明超材料屏蔽陣列對于SCPW傳輸線3 m 遠(yuǎn)場的電場輻射實現(xiàn)了平均10.10 dB，以及最高12.63 dB 的屏蔽效能，且對傳輸質(zhì)量影響較小，可在23.49～30.96 GHz、32.98～38.00 GHz 的寬頻帶內(nèi)保持傳輸性能.在高頻下超材料結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)小型化，厚度僅為0.04λ0，使用柔性介質(zhì)基板可保證柔性傳輸線的靈活性.因此，在高頻柔性電子設(shè)備中，使用超材料結(jié)構(gòu)來抑制電磁輻射具有很大的應(yīng)用潛力.后續(xù)工作可以從構(gòu)建理論模型角度對加載超材料屏蔽結(jié)構(gòu)的高頻傳輸線開展進(jìn)一步研究.