摘要：隨著科技不斷發(fā)展，對于電磁屏蔽材料的要求不斷增加，其在生活、國防等方面的應(yīng)用也越來越廣泛。該文基于對各類透明導(dǎo)電材料的研究成果，研究設(shè)計具有基于液晶材料可調(diào)諧特性的透明型無線通信屏蔽窗，同時滿足可調(diào)諧的電磁屏蔽與光學(xué)透過率。設(shè)計的無線通信屏蔽窗可以在通斷電狀態(tài)下分別對不同波段的電磁波進(jìn)行屏蔽，并基于屏蔽波段實現(xiàn)不同的功能。

關(guān)鍵詞：頻率選擇表面；液晶

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.020

中圖分類號：TN 631.2" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-00-03

Design and Research on Transparent Tunable Microwave Communication Window

FU Heng， JI Jiadong， TANG Shiyu， HAN Yulu， DU Xiao

（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China）

Abstract： With the continuous development of technology， the demand for electromagnetic shielding materials is increasing， and their applications in daily life， national defense， and other fields are also becoming more and more widespread. This article is based on the research results of various transparent conductive materials， researching and designing transparent wireless communication shielding windows with tunable properties based on liquid crystal materials， while meeting the requirements of tunable electromagnetic shielding and optical transmittance. The designed wireless communication shielding window can shield electromagnetic waves in different bands under power on and off conditions， and achieve different functions based on the shielded bands.

Keywords： frequency selective surface; liquid crystal

0" "引言

電磁屏蔽材料是一種可以阻止電磁波傳播與擴(kuò)散、將電磁輻射能量限定在安全范圍內(nèi)從而減小其危害的防護(hù)材料。電磁屏蔽可以抑制電磁波的干擾，保護(hù)電子設(shè)備和周圍的電磁環(huán)境。

隨著各種電子設(shè)備和精密儀器電磁兼容性的不斷提高，航空航天光電探測和人機(jī)交互系統(tǒng)中電磁防護(hù)需求越來越迫切，對透明電磁屏蔽材料的性能也越來越高。透明電磁屏蔽材料對光電顯示等器件光學(xué)窗口進(jìn)行電磁防護(hù)具有重要意義。光和微波同屬電磁波，透明電磁屏蔽實質(zhì)就是在光波段實現(xiàn)通帶，在微波頻段實現(xiàn)阻帶[1]。

本項目針對這一實際應(yīng)用背景，在對各類透明導(dǎo)電材料的研究之上，研究設(shè)計具有可調(diào)諧特性的透明型無線通信屏蔽窗，同時滿足可調(diào)諧的電磁屏蔽與光學(xué)透過率要求。

1" "國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，透明電磁屏蔽材料的研究面臨的挑戰(zhàn)主要集中在材料導(dǎo)電性與透光性之間的矛盾、高性能的透明電磁屏蔽材料的屏蔽機(jī)制容易引發(fā)新的電磁干擾問題、部分種類的透明電磁屏蔽材料有效工作頻段相對較窄三個方面[2]。

制作電磁屏蔽元件首選對電磁波損耗較強(qiáng)的材料，通常損耗角正切表示材料對電磁波的損耗程度，損耗角正切越大，吸波材料對電磁波的損耗越厲害[3]。

由資料可知，介電損耗在很大程度上是由分子中取代基與橋鍵之間的穩(wěn)定與極性所決定。分子內(nèi)極性端基極性越大，在低頻時介電常數(shù)越大，介電損耗也越大，且介電損耗受酯基和氰基最多。分子內(nèi)橋鍵基團(tuán)也會影響介電損耗：對高雙折射率液晶分子來說，最為穩(wěn)定的是二芳環(huán)之間通過單鍵連接。芳環(huán)體系與含氮雜環(huán)相比苯環(huán)比較穩(wěn)定且介電損耗比較低。碳鏈的長度會影響光學(xué)各向異性。同一主體結(jié)構(gòu)的液晶化合物碳鏈越長介電損耗越高。液晶材料內(nèi)部微量離子或者雜質(zhì)，潮氣等都會對液晶介電損耗產(chǎn)生很大影響[4]。特別地，當(dāng)制備成向列相液晶態(tài)流動性混合材料后介電損耗顯著提高。分子處于固態(tài)狀態(tài)下測試介電損耗很小，液態(tài)下一般偏高。

根據(jù)液晶的特性，可以選擇液晶作為材料和頻率選擇表面結(jié)合起來制備可調(diào)諧的微波通信窗設(shè)計，用通斷電控制不同頻率電磁波的通斷。

2" "頻率選擇表面（FSS）的相關(guān)知識

FSS是由大量無源諧振單元組成的單頻或多頻周期性陣列結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成[5]。其功能是對自由空間中的電磁波進(jìn)行濾波。能在不吸收能量的基礎(chǔ)上起到濾波作用。在諧振頻率處可以對入射波呈現(xiàn)出全反射（帶阻型FSS）或全透射（帶通型FSS）。

可調(diào)的頻率選擇表面有兩種調(diào)控方式，頻率可調(diào)、極化可調(diào)型和開關(guān)型，前者可以適應(yīng)變頻天線，后者只有打開和關(guān)閉兩種情況。本文選用的是后者，即通過通斷電進(jìn)行頻選的開關(guān)。

頻率選擇表面常被用于天線的設(shè)計與研究中，還被引入構(gòu)建“隱身”建筑，是可用于電磁防護(hù)的優(yōu)良技術(shù)。

CST是現(xiàn)在最全面的電磁兼容仿真軟件，常用于雷達(dá)、天線設(shè)計，電子設(shè)計，后文的兩種設(shè)計結(jié)構(gòu)都是應(yīng)用該軟件將液晶添加到頻率選擇表面中。

3" "設(shè)計結(jié)構(gòu)一

用CST軟件設(shè)計了一款功能為可以根據(jù)不同的高頻的屏蔽信號來改變外徑大小從而達(dá)到屏蔽效果的FSS，不同外徑對于不同高頻信號的屏蔽程度不同。

如圖1所示，上層采用兩個金屬圓環(huán)貼片，材質(zhì)為銅，改變圓環(huán)外徑可以得到反射曲線中的阻帶整體向右偏移且在5～10 GHz曲線中最低點上移。

在已經(jīng)運行的電磁仿真結(jié)果中能發(fā)現(xiàn)改變內(nèi)徑圓的大小幾乎不影響低頻的反射特性，但對于高頻的反射特性影響較大。

為了能使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且便于調(diào)試，實驗中選擇了內(nèi)徑1.8 mm，中徑3.2 mm，外徑3.6 mm作為實驗參數(shù)，且內(nèi)部填充介電常數(shù)為3.8的液晶得到的反射效果在通斷電時有明顯差異，這說明在高頻段可以通過開關(guān)來控制該表面在不同頻率實現(xiàn)電磁屏蔽效果，液晶的加入使得一方面頻選表面的透明度提升，實用性增加。另一方面，液晶能夠改變頻選表面的特性，使得選擇的頻率向高頻移動[6]。

4" "設(shè)計結(jié)構(gòu)二

其結(jié)構(gòu)為上下兩層ITO玻璃基底和刻蝕在上層玻璃表面的電阻膜以及兩層玻璃內(nèi)層表面蝕刻的一層聚酰亞胺膜和中間的透明液晶層。周期單元結(jié)構(gòu)是一個由方環(huán)貼片環(huán)繞與方形貼片的組合結(jié)構(gòu)。中間液晶層選用HAG615319液晶，達(dá)到對電磁波的頻率選擇要求，同時達(dá)到透明的目的。所述方環(huán)貼片和方形貼片為5 Ω/sq的電阻膜蝕刻而成，所述液晶是饋電時介電常數(shù)為3.2和未饋電時介電常數(shù)為12的HAG615319液晶。

所述上層以及下層玻璃為相對介電常數(shù)為4.7的ITO玻璃，厚度為0.5 mm，中層液晶層厚度為2 mm。發(fā)明由于使用上下兩層ITO玻璃和中間的液晶材料，與現(xiàn)有電磁屏蔽技術(shù)相比，在保證濾波特性和頻率選擇的同時，實現(xiàn)了通信窗透明特性，具有良好的光學(xué)透過性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

所有結(jié)構(gòu)俯視均為正方形，固采用側(cè)視圖和三維結(jié)構(gòu)參數(shù)圖來示意。黃色為5Ω/sq電阻膜，橙色為ITO玻璃，藍(lán)色為液晶，r=0.3 mm，t1=0.5 mm，h=2 mm，t2=0.5 mm，L=3 mm，a=11 mm，b=9 mm，c=10 mm，d=4 mm，m=1 mm。結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

本結(jié)構(gòu)由于利用了液晶介電的各向異性實現(xiàn)頻率選擇，通過上下兩層玻璃的組合得到具有計劃穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，在通電階段和斷電階段可以分別讓S波段和C波段的波通過，達(dá)到了電磁屏蔽和選擇通信的效果。在通信方面，可以在抵擋電磁攻擊的同時不影響設(shè)備的信號收發(fā)，且在工作頻帶十分緊湊的兩者之間有良好的甄別性。研究結(jié)果證明其具有實用性。

5" "結(jié)束語

本文在研究分析頻率選擇表面和液晶的基礎(chǔ)上，運用CST軟件設(shè)計了兩種頻率選擇表面，可以應(yīng)用在減少5G基站對衛(wèi)星地球站C波段信號的干擾、制造天氣雷達(dá)、電磁防護(hù)等領(lǐng)域，在以前的基礎(chǔ)上同時考慮了頻率選擇表面的透明特性。可以更換液晶材料和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更多波段的選擇性通斷。

通過注入液晶基本可以解決導(dǎo)電性和透光性之間的矛盾，且工作頻段的限制較小。但目前在加工實物上遇到了瓶頸，將液晶注入ITO玻璃的技術(shù)尚不成熟，市面上可見的在pcb板中注入液晶技術(shù)尚不普遍且pcb板無法透光，能在ITO玻璃中注入液晶的廠家在市面上難以找到。如需加工實物基本都需要自己手工灌入液晶，效率低且易出錯。用液晶盒拼接完成一整塊頻選的方法也不可行，在拼接處會改變結(jié)構(gòu)，影響較大，且液晶的價格偏高。盡管可以用CST軟件，換不同的液晶材料改變不同的結(jié)構(gòu)仿真出各種各樣的透明頻選，但制備出大面積的實物依靠現(xiàn)在的技術(shù)比較困難，須更高更精密的技術(shù)尚可完成。

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[6] Wang Y， Hu X， Li Y， et al. Design of an optically transparent EMW structure with broadband-absorbing property[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2023（5）：1-8.

作者簡介：符" "恒（2001—），男，漢族，山西朔州人，本科，研究方向為直升機(jī)雷達(dá)探測與目標(biāo)識別。

吉家棟（2002—），男，漢族，陜西渭南人，本科，研究方向為電子科學(xué)與技術(shù)。

唐詩雨（2001—），女，漢族，江蘇泰州人，本科，研究方向為信息工程。

韓宇璐（2001—），女，回族，江蘇淮安人，本科，研究方向為電子科學(xué)與技術(shù)。

杜" " 霄（2002—），女，漢族，江蘇淮安人，本科，研究方向為信息工程。