新型三频段FSS夹层玻璃的设计与电磁屏蔽性能研究

谭 天,陈睿哲,张 泽,侯新宇

(上海大学材料科学与工程学院,上海 200444)

0 引 言

随着无线通信系统的发展,智能手机、笔记本电脑和平板电脑等便携式设备已经成为人类生活的重要组成部分,特别是在未知频段内的无线应用,这对人类健康以及对各种电气/电子设备存在潜在威胁[1]。最近的研究表明,Wi-Fi/WLAN信号是污染电磁环境的因素之一,而每个国家都有特定的全球移动通信系统(global system for mobile communication, GSM)频段(例如GSM1900:1900 MHz)和无线电功率额定值(2.4 GHz/5 GHz)的标准,因此解决建筑房间、重症监护病房(ICU)、研究中心等电磁干扰是当务之急[2-3]。频率选择表面(frequency selective surface, FSS)可实现选择性屏蔽,允许有用频带通过,反射无用频带,因此受到了广泛的关注。随着柔性电子制造技术的发展,如导电油墨的丝网印刷,FSS在其他方面的应用具备了灵活性[4-6],也为特殊电磁屏蔽和防护应用提供了新的思路。

Bagci 等[7]提出了一种用于WLAN屏蔽应用的双阻带FSS,通过在玻璃基板上集成两层FSS的方式实现,对WLAN信号提供25～30 dB的测量抑制。但是一个单元的尺寸达到30 mm,视觉透明度非常低。Dewani等[8]提出了一种基于PET薄膜的单频带方形环路带阻FSS,可用于屏蔽通用移动通信系统(universal mobile telecommunications system, UMTS) 2.5～3.5 GHz频段。该设计是用银油墨在PET基板上丝网印刷,然后粘在玻璃窗上。虽然该设计在期望的频带内显示出22 dB的屏蔽特性,但是PET和玻璃窗之间的气泡或变形可能会降低FSS的性能。Farooq 等[9]提出了一种新型的具有双阻滞特性的偏振无关FSS,用于抑制Wi-Fi和WLAN。在2.45和5.5 GHz频段分别提供43和40 dB的带阻响应两个波段的屏蔽,但其导电图案是覆铜刻蚀的,制作过程复杂,花费成本高。

近年来要求电磁屏蔽的场所不断增加,除公共场所外,私人场所和军事设施等也同样需要[10-11],FSS玻璃材料也越来越朝着“低成本、制作简单、高性能”的方向发展。本文提出了一种用于GSM屏蔽和WLAN隔离的双层玻璃,其中间夹了一层频率选择表面,利用三维电磁仿真软件CST仿真分析了几何参数和入射角度对其传输响应的影响。本文所设计的夹层玻璃能够抑制1.94、3.55和4.98 GHz频段的传输,在电磁辐射防护、GSM屏蔽和WLAN隔离等方面具有良好的应用潜力。

1 FSS设计

图1展示了提出的单元几何结构的示意图。该单元由一个半径R为9.5 mm、线宽W为0.6 mm的圆环和长度A1为6.9 mm、宽度D1为1.8 mm、线度为0.6 mm的三极子缝隙组成。该单元是在透明玻璃上实现的,其透明玻璃的相对介电常数εr为6.7、厚度H为2 mm。采用三维电磁场仿真软件CST对单元进行了仿真,该仿真器基于时域有限差分法求解了几何形状为的四面体网格单元的麦克斯韦方程组。

图1 FSS几何结构示意图

FSS的设计主要考虑两个因素:第一,在工作频段上的屏蔽性能及稳定性,第二,设计的美观与透明性能。虽然性能和外观的设计之间存在一些约束,但是可以通过采用简单而稳定的谐振单元来解决这些设计约束。图案演化步骤仿真如图2所示,通过CST仿真可以看出,普通的单圆环结构可以在低阻带(2 GHz左右)产生一个阻带,这个频点对电磁波的吸收最高能达到50 dB,单个三极子图案可以在5 GHz产生一个阻带,这个频点对电磁波的吸收最高能达到30 dB,将三极子图案镂空形成三极子缝隙后,由于图案内部电流发生变化,有相反的内部和外部边缘磁电流方向,导致磁场抵消,从而在低频产发生谐振,在3.3 GHz额外产生一个阻带,这个频点对电磁波的吸收最高能达到40 dB,并且导致5 GHz频点向后漂移。将两个单元组合在一起后,就可以谐振产生两个阻带,且频点发生些许漂移,若将三极子图案镂空形成三极子缝隙,镂空使得阻带能够移到所需要的频率,且单元占据的空间很小,还会谐振产生额外一个阻带。该谐振单元由传统的单圆环和三极子演化而来,因此,本设计在保证屏蔽性能的前提下提供了足够的透明区域以保证足够的光线传输。这种结构不仅能美化玻璃表面,而且对入射角度不敏感。

图2 图案演化步骤仿真

为了进一步了解该结构潜在的共振机制,并研究每个电流对FSS性能的贡献,图3给出了三个频点1.94、3.55、4.98 GHz下两个单元上的感应表面电流分布(S21表示从端口2到端口1的散射系数)。箭头表示电流的方向,颜色表示强度。

图3 表面电流分布

从图3(a)可以清楚地看出,1.94 GHz时,电流主要分布在外部环形回路上,而内部三极子缝隙回路上的电流较弱。结果表明,此时的外部圆环为谐振单元。从图3(b)可以看出,感应电流分布在中间三极子缝隙回路上,其外部环形上的电流可以忽略不计。因此,3.55 GHz是由三极子缝隙共振决定的。同样,对于更高的频带,大量的感应表面电流集中在FSS的外部圆环和三极子缝隙中。这种高电流密度验证了4.98 GHz的阻带由FSS两个单元共同共振引起。

2 性能分析

2.1 等效电路模型分析

本文提出的带阻FSS的ECM(equivalent circuit model, ECM)是在全波单元仿真的基础上,利用电路理论与建立FSS的集总电路模型之间的关系建立的。一个周期单元由两个独立的单元(即外环状单元和内环三极子缝隙单元)组成。外环采用串联LC谐振器(L1,C1)建模,内环采用串联和并联LC谐振器建模。其中并联LC中的电感LB用于与三极子缝隙相关的电感, 而CB代表与三极子缝隙宽度有关的电容。此外,LA和CA分别表示内外单元之间有关的电感和电容。衬底用传输线建模,而自由空间阻抗(377 Ω)用Z0建模。由两个串联LC谐振器和一个并联LC谐振器所代表的最终等效电路模型及ADS仿真如图4所示。

图4 等效电路模型(a)及ADS仿真(b)

外环的表面阻抗可以表示为

(1)

式中:Z表示阻抗,下标FSS1表示外环状单元,L1表示外环单元电容,C1表示外环单元电感,ω表示入射电磁波周期,j表示虚部。

令其分子等于零,即可得到共振频率f1处的传输零点。同样,内部单元的表面阻抗也可以表示为

(2)

式中:下标FSS2表示内环三极子缝隙单元,电感LB表示与三极子缝隙相关的电感,CB表示与三极子缝隙宽度有关的电容,LA表示内外单元之间电感,CA表示内外单元之间电容。

介质的等效特性阻抗为

(3)

式中:Zm表示介质的等效特性阻抗,μ0表示真空磁导率,μr表示相对磁导率,ε0表示真空介电常数,εr表示相对介电常数,Z0表示自由空间阻抗。

介质的传播常数为

(4)

式中:βm表示介质的传播常数,λ表示波长。

等效电路的负载阻抗为

(5)

式中:Zl表示等效电路的负载阻抗。

等效电路的输入阻抗为

(6)

式中:Zin表示等效电路的输入阻抗,W表示线宽。

从上述公式可以得出,等效电路的传输因子为:

(7)

式中:Ttrans表示等效电路的传输因子。

由上述公式可知,对于带阻频率,电感和电容可能存在多个值,经过计算提取出L1=34.37 nH,C1=0.19 pF,LA=7.93 nH,CA=0.21 pF,LB=0.64 nH,CB=1.91 pF,这些集总元件的值可以调谐到所需的谐振频率。图4(a)所示的最终电路的提取值在Advanced Design System (ADS)工具中进行了仿真。由图4(b)可知,电路仿真与全波电磁在1.94、3.55、4.98 GHz三个频点产生谐振,与CST相比电路仿真在谐振处有轻微的偏移,吸收性能曲线基本重合,总体来说仿真吻合较好。

2.2 几何参数分析

探讨不同几何参数如圆环半径R、三极子缝隙长度A、三极子缝隙宽度D和线宽W的变化对所设计FSS的频率响应的影响,以及不同入射波偏振时的入射角。其中R=9.5 mm、W=0.6 mm、A=6.9 mm,D=1.8 mm,分别改变其中一个参数,其他参数保持不变,观察结果变化。首先,对圆环半径R对带阻频率响应的影响进行了参数分析。图5(a)显示了谐振频率f1随参数R的变化。随着R从9.3 mm增加到9.7 mm, f1从2.05 GHz减小到1.82 GHz,反射率几乎不变,谐振频率f2和 f3也略有下降,约小于1%。

同样,谐振频率随三极子缝隙长度A的变化如图5(b)所示。结果表明,A从6.7 mm增加到7.1 mm, f2从3.68 GHz减少到3.45 GHz,f3从5.11 GHz减少到4.98 GHz,且A=6.9 mm时,-10 dB以下的带宽最宽,f1基本不变,A对谐振频率f2和f3的影响较大,这种变化是由于A的增加使内部单元的电流增大。三极子缝隙宽度D在1.6～2.0 mm变化时,频率变化情况如图5(c)所示,结果显示,三个频点随着D的增加均变化不大,由此可分析出D对频点影响不大。对线宽W进行了研究,相应的频率响应如图5(d)所示。结果表明,当W从0.4 mm增加到0.8 mm时,f3从5.05 GHz减少到4.98 GHz,且反射率逐渐增大,f2处的带宽也随着W的增大而增大,而f1频点没有受到影响,其谐振频率的减少归因于环形电感的减小,在高于自身谐振频率时(大于2 GHz)电感与谐振频率成正比,W对于性能的影响不大,但W的增大也会带来FSS图案面积的增大,从而影响透光率。

2.3 角度敏感性分析

在不同的入射角度下,对该设计进行了仿真,此时的结构参数为圆环半径R=9.5 mm,线宽W=0.6 mm、三极子缝隙长度A=6.9 mm、三极子缝隙宽度D=1.8 mm。不同入射角(0°～ 60°)下仿真结果如图6所示,本文提出的FSS在1.94、3.55和4.98 GHz频段分别达到了-50、-44和-35 dB的屏蔽。由于磁场和电场分量随入射角的变化而变化,入射的无线电波在表面处具有不同的阻抗。因此,这种阻抗失配会导致倾斜角度下FSS性能的轻微下降。对于TM极化,由于三极子缝隙不完全对称,导致随着角度的增加,高频时出现谐振频率的分化与漂移。

图6 频率随不同入射角的变化

3 实验验证

所设计的FSS夹嵌在玻璃中间,实际中对玻璃的透光性是有一定要求的。利用简单面积计算公式可以得到,圆环和三极子缝隙的总面积(Scell)为62.75 mm2,单元总面积L2为400 mm2,且利用表面单元占空比可以计算得到所提出的结构具有84.3%的透光率T。从而在保证所需频段有足够的屏蔽效果时,透光率满足一定的要求。

(8)

式中:T表示透光率,L2表示单元总面积,Scell表示圆环和三极子缝隙的总面积。

为了对仿真结果进行验证,制作了一个尺寸为200 mm×200 mm的样件,对其进行了透波率和透光率测试。样件制作过程如下:

首先选取2块厚度为2 mm的透明玻璃,清洗、制备之前,使用丙酮、无水乙醇和去离子水依次对玻璃进行清洗,去除玻璃表面的污染物,保持洁净度。然后在干燥箱中升温至 120 ℃烘烤15 min,使其表面水分完全蒸发。

取其中一块玻璃,将丝网印刷网版置于其上,将导电银浆以线滴法滴至丝网印刷网版上,用刮刀以45°恒速刮过丝印网版,在剪切力的作用下将导电银浆印刷到玻璃上,然后将带有印刷图案的玻璃放至真空干燥箱中退火以蒸发溶剂,最终获得与网版图案一致的透明导电玻璃。

在将另外一块没有印刷图案的玻璃和印刷图案的玻璃(印有图案的玻璃面在中间)贴合前,首先要选择适合玻璃宽度的PVB胶片,将PVB胶片自然展平,对齐玻璃的内外片。在玻璃边角贴敷复合胶条,然后放入热压机,经过高温预热处理后,热压机施加压力使玻璃通过PVB胶片黏合为一体,最后冷却得到样件。

由一对宽带喇叭天线、一对聚焦透镜和一台矢量网络分析仪(安捷伦技术37369C)来搭建如图7(a)所示简易自由空间传输率测试系统。样件实物图如图7(b)所示。将样件置于聚焦透镜之间,可测得样件的随频率变化的传输系数曲线,测试结果如图7(c)所示。

用玻璃刀将FSS夹层玻璃切出一个周期图案(尺寸大小为10 mm×10 mm),使用图8(a)所示的UV2600紫外分光光度计对样件的透光率进行测量,测量结果如图8(b)所示。

图8 透光率测试装置和测量结果曲线

测量结果表明,夹层玻璃样件在三个频点下都表现出低于-10 dB的抑制效果,在可见光范围内透光率维持在70%以上,模拟结果与实测值吻合较好。但由于加工公差和测量缺陷等原因,中心频点出现了小偏差,透光率低于理论设计值。最后,将本文的结果与现有文献中进行了比较,结果如表1所示。

表1 样件主要性能对比

4 结 论

1)本文研究了一种具有三带阻特性、角度敏感性低的新型频率选择玻璃,用于抑制GSM和WLAN。

2)制作了实验样件,通过自由空间透波率实验和UV2600紫外分光光度计透光率实验,在三个工作频点均实现了-10 dB以下的带阻传输响应,且保持70%以上的光学透光率。

3)仿真和实验结果进一步证实本文所给出的结构具有良好的角度稳定性,在GSM抑制、屏蔽无线接入点,以及在室内环境的安全方面具有潜在的应用价值。