束文生

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 電磁兼容研究所，北京 100044)

0 引言

隨著無(wú)線技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，微波能量傳輸越來越受到人們的關(guān)注。在新能源的探索和利用上，微波能量傳輸擔(dān)任著重要的角色。例如太空發(fā)電站的建設(shè)，在外太空建立太陽(yáng)能發(fā)電站，能更有效的接收太陽(yáng)的能量，再通過微波能量傳輸?shù)姆绞絺鬟f到地球表面。傳輸?shù)念l率一般選擇5GHz左右，因?yàn)榇髿鈱訉?duì)這個(gè)頻段的衰減值較小。這個(gè)頻段處在ISM標(biāo)準(zhǔn)下的公開免費(fèi)頻段，帶來的問題是能與人們使用的Wi-Fi信號(hào)產(chǎn)生混疊。為了使從太空發(fā)電站傳輸下來的微波信號(hào)與室內(nèi)Wi-Fi信號(hào)互相不產(chǎn)生干擾，有必要在建筑物的玻璃表面設(shè)計(jì)這種薄膜來屏蔽微波信號(hào)。電磁波泄露的主要途徑要經(jīng)過一面安全玻璃。這種安全玻璃一般具有統(tǒng)一的規(guī)格，為三層夾心結(jié)構(gòu)。以這種安全玻璃為載體設(shè)計(jì)一種頻率選擇性的玻璃膜具有十分重要的實(shí)際意義。

Dongho Kim[1]使用空間壓縮技術(shù)設(shè)計(jì)一種具有三帶阻的空間濾波器，實(shí)現(xiàn)了在850MHz，1.8GHz和2GHz附近對(duì)電磁波的吸收，但結(jié)構(gòu)占空比大，對(duì)透光性并不是很友好。Umer Farooq[2]設(shè)計(jì)了一種雙頻帶的頻率選擇表面玻璃，能吸收特定頻段的電磁波信號(hào)，但是所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是一體成型的，不利于重復(fù)使用，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于等效電路的參數(shù)提取。Aliya A. Dewani[3]采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)設(shè)計(jì)一種單頻段的頻率選擇膜，金屬單元材質(zhì)使用的是銀墨，制造的成本高不利于大面積的使用。Maryam Bashiri[4]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)存在厚度為1.6mm的FR4介質(zhì)基底，厚重的基底使結(jié)構(gòu)無(wú)法在非平面的環(huán)境中使用。

以往的頻率選擇表面[5,6]都是和其應(yīng)用的載體如玻璃或者透明塑料進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后不能改變應(yīng)用的載體。且因?yàn)榻橘|(zhì)層太厚的原因，無(wú)法應(yīng)用到非平面的環(huán)境。另一方面，大多的頻率選擇表面的金屬單元晶胞結(jié)構(gòu)使用昂貴的光刻或絲網(wǎng)印刷技術(shù)，生成的成本比較高。本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將解決前面存在的這些問題，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有極化無(wú)關(guān)，具有柔性可以應(yīng)用至非平面的環(huán)境，采用薄膜結(jié)構(gòu)和載體玻璃分開的模塊化設(shè)計(jì)，利于實(shí)際的安裝和二次應(yīng)用。

本文先用商用全波電磁仿真軟件HFSS(High Frequency Structure Simulator)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有雙頻段的諧振特性。因?yàn)楸∧?yīng)用在玻璃表面，設(shè)計(jì)的過程需考慮透光性和美觀的因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好后分析了結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)其電磁特性的影響。為了更好的理解結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理，之后用等效電路對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了電路集總元件的具體計(jì)算公式，電路仿真的結(jié)果和全波電磁仿真軟件的結(jié)果一致。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真工具使用ANSYS公司的三維全波仿真軟件HFSS，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，圖1.a是單元晶胞(unit cell)的俯視圖，具體的結(jié)構(gòu)幾何尺寸為：P=18.5mm；L=17.5mm；r0=2.7mm；d=11.6mm；w=0.3mm。圖1.b是整體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。在圖1.b中從上往下分別是超薄介質(zhì)膜、結(jié)構(gòu)單元、超薄介質(zhì)膜和安全玻璃。超薄介質(zhì)膜材質(zhì)為高分子聚乙烯(PE)，厚度t1為0.1mm；結(jié)構(gòu)單元材質(zhì)為銅，厚度t為0.035mm。剛好是商業(yè)可獲取的銅箔的厚度，在后期的實(shí)際加工制作中，可以不使用價(jià)格昂貴的光刻技術(shù)和絲網(wǎng)印刷技術(shù)而采用薄膜層壓技術(shù)，減少制作的成本。安全玻璃是三層夾心構(gòu)造，兩邊是厚度t2為5mm的玻璃，中間為PVB夾層，厚度t3為0.38mm。

(a)俯視圖 (b)側(cè)視圖圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖。(a)單元晶胞俯視圖；(b)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)視圖Fig.1 Schematic view of the proposed structure.(a) front view of unit cell;(b) side view of the structure

仿真結(jié)果如圖2所示，在圖中可以發(fā)現(xiàn)在頻率為2.45GHz和5.5GHz處存在明顯的諧振頻點(diǎn)。在頻點(diǎn)為2.45GHz處，透射系數(shù)為-44dB。在頻點(diǎn)為5.5GHz處，透射系數(shù)為-41dB。兩個(gè)頻點(diǎn)處對(duì)入射電磁波都達(dá)到良好的吸收作用，有效的阻止了電磁波的進(jìn)一步傳播。

圖2 全波仿真結(jié)果Fig.2 results of full wave simulation

2 參數(shù)分析

2.1 銅箔寬度w的影響

圖3顯示了銅箔寬度w對(duì)結(jié)構(gòu)吸波特性的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著銅箔寬度的增加，低頻諧振頻率逐漸的向頻率更低處移動(dòng)，而高頻的諧振頻率幾乎不受影響。隨著銅箔寬度的增加，結(jié)構(gòu)的等效電感值不斷的變大，使諧振頻率下降。

圖3 諧振頻率隨銅箔寬度的變化Fig.3 Variation in frequency w.r.t variation in copper film width

圖4 諧振頻率隨周期的變化Fig.4 Variation in frequency w.r.t variation in period

2.2 結(jié)構(gòu)周期p的影響

圖4顯示了結(jié)構(gòu)周期p對(duì)結(jié)構(gòu)吸波特性的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著結(jié)構(gòu)周期p的不斷增加，無(wú)論是低頻諧振頻點(diǎn)還是高頻的諧振頻點(diǎn)，都有上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著結(jié)構(gòu)周期的不斷增加，結(jié)構(gòu)間的縫隙不斷的加大，使相互間形成的等效電容值不斷減小，諧振頻點(diǎn)不斷的加大。

2.3 入射角度θ的影響

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，隨著入射角的增加，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)仍然具有很好的穩(wěn)定性。在入射角達(dá)到45°時(shí)，仍具有令人滿意的帶阻特性。

圖5 諧振頻率隨入射角度的變化Fig.5 Variation in frequency w.r.t variation in incident angle

3 工作原理分析

3.1 等效電路分析

Langley[7]和Ramezani[9]分別給出了關(guān)于雙方環(huán)和雙圓環(huán)的等效集中參數(shù)的計(jì)算方法，但不適合文中所提出結(jié)構(gòu)的計(jì)算，需要對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。本文結(jié)構(gòu)的等效電路模型如圖6(a)所示，在計(jì)算過程中把中間的花瓣形結(jié)構(gòu)等效為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)的直徑為d。這樣就變成了計(jì)算方環(huán)和圓環(huán)組合結(jié)構(gòu)的等效電路參數(shù)計(jì)算問題。等效電容和等效電感的感抗X和容抗B計(jì)算過程如下面的公式所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中F(p,w,λ)的詳細(xì)公式見參考文獻(xiàn)[9]，Z0為自由空間波阻抗，g0為圓環(huán)到方環(huán)的等效間隙距離。經(jīng)過上述公式的計(jì)算，得到L1=15.8nH，C1=0.18pF，L2=10.9nH，C2=0.07pF。在計(jì)算出電路參數(shù)后借助電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件進(jìn)行電路仿真，仿真的結(jié)果如圖6(b)所示。從圖中可以看出等效電路仿真結(jié)果和HFSS的仿真結(jié)果基本一致。

(a)等效電路模型

(b)電路仿真和全波仿真的結(jié)果對(duì)比圖6 等效電路模型及結(jié)果對(duì)比Fig.6 Equivalent circuit model and the comparison of results

3.2 諧振單元分析

為了更加直觀的觀察所提出結(jié)構(gòu)的工作原理，文中給出了在各自諧振時(shí)單元的電場(chǎng)分布圖。單元晶胞主要由外圍的方環(huán)和中間的花瓣形結(jié)構(gòu)組成。諧振頻率為2.45GHz時(shí)，結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布如圖7(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)外圍的方環(huán)集中了更強(qiáng)的電場(chǎng)量，是此時(shí)的諧振單元。諧振頻率為5.5GHz時(shí)，電場(chǎng)分布如圖7(b)所示，此時(shí)中間的花瓣形結(jié)構(gòu)上電場(chǎng)量更強(qiáng)，是5.5GHz的諧振單元。外圍的方環(huán)和中間的花瓣形結(jié)構(gòu)組合共同完成低頻和高頻段的諧振，實(shí)現(xiàn)雙帶阻空間濾波器的特性。

3.3 透光率分析

所設(shè)計(jì)的頻率選擇性薄膜主要利用在安全玻璃表面，而大多數(shù)情況下對(duì)玻璃的透光性是有一定要求的。利用表面金屬單元的占空比可以計(jì)算得到所提出的結(jié)構(gòu)具有91%的透光率，滿足一定的使用要求。

(a) 2.45GHz電場(chǎng)分布 (b)5.5GHz電場(chǎng)分布圖7 諧振時(shí)單元晶胞的電場(chǎng)分布Fig.7 Electrical field distribution in their resonant frequency

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種柔性雙頻段極化無(wú)關(guān)的頻率選擇表面膜，在頻率為2.45GHz和5.5GHz時(shí)發(fā)生諧振，能有效的屏蔽藍(lán)牙和Wi-Fi的信號(hào)，衰減的系數(shù)能達(dá)到40dB。同時(shí)應(yīng)用電路仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。給出了結(jié)構(gòu)的等效電路模型和集總元件參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算過程。電路仿真的結(jié)果和全波電磁仿真的結(jié)果一致。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有占空比低和生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。薄膜的模塊化設(shè)計(jì)有利于頻率選擇表面的實(shí)際安裝和二次利用，具有可靠的經(jīng)濟(jì)效益。但是表面單元的設(shè)計(jì)使用的仍然是金屬，限制了其在透光性要求較高的場(chǎng)合下的應(yīng)用。尋找透明的非金屬材質(zhì)如石墨烯表面單元設(shè)計(jì)將是以后的重點(diǎn)工作。