电磁波的隔离与过滤

出处:中国科学院宁波材料技术与工程研究所 发布于:2019-09-19 14:37:09 | 179 次阅读

  在我们身边,电磁波无处不在。手机没信号的时候,为找不到电磁波苦恼;打开微波炉的时候,又害怕释放的电磁波把我们给“烧坏”了。电磁波应用领域中,电磁波的增强和削弱   是两个难舍难分的“冤家”。
   电磁波的传输势必伴随着电磁波与周围环境的相互串扰,信号越强,干扰往往越大。因此,如何消除电磁波的干扰成为电磁波应用领域的一个重要问题。
   如何隔离电磁波?不让出去、不让进来,以及有去无回
   电磁波干扰问题的场景大致可以分为以下三种:(a)无泄漏型;(b)无透射型;(c)有去无回型。三种场景示意如图1。
a场景要求电磁波源产生的电磁波不能泄露到盒子(即某一区域)外面;b场景要求盒子外部电磁波无法进入盒子内部;c场景要求盒子内或盒子外产生的电磁波到达盒子表面时,不仅   不能穿过盒子,还要求反射电磁波(图1c中蓝色箭头所示)为零(尽可能的小)。其中,以c类场景要求难度最大。
   实际应用场景可能为三种形式的结合,更为复杂。通俗的说,电磁波的去干扰过程就是电磁波的隔离过程。

吸波材料:电磁波隔离的“中坚力量”

   电磁波的隔离主要通过吸波材料来实现。场景a和场景b为电磁波隔离的常规模式,像常规手机屏幕、数码相机电路板等所产生的电磁干扰就属于该类型(如图2所示),主要通过导电材料(铜箔、铝箔、导电高分子、石墨烯等)和高导磁材料(FeSiAl、硅钢等)基本可以满足应用需求。
场景c为电磁波隔离的复杂模式,这类场景常用到的吸波材料多数为复合材料,如羰基铁、碳材料、铁氧体、高分子等复合材料均可用作c场景吸波材料以满足各种具体场景的应用需求。
   实际应用中,吸波材料必须兼具材料(涂层)厚度小(薄)、密度小(轻)、吸收频带大(宽)、吸收强度高(强)四大特点,其中如何拓宽吸波材料的吸收频带是当前吸波材料关注的热点。常用电磁波频段从米波(~MHz)到毫米波(~GHz),再到太赫兹电磁波(~THz)都有着广泛的应用。
当前,以5G通讯技术为代表的先进通信技术,将通信频段从700 MHz拓展到6GHz甚至到毫米波。一方面,工作频率的提升,将通信基站压缩到了一个手提箱大小,电磁信号之间的干扰增强;另一方面,手机等信号接收端需要增加新的天线,进一步缩减了接收端的设计空间,电磁信号之间的干扰作用进一步增强。这些实际应用情况的出现,不仅要求吸波材料更薄,还要求吸波材料吸收频带更宽。
为了让一种吸波材料尽可能多的满足多频段电磁波吸收的需求,宽频吸波材料成为一种首选。然而,这并不是一件很容易的事情。

图2 吸波材料常用领域

新材料,多层结构吸收宽频带电磁波
    为了解决吸波材料的宽频吸收问题,中科院宁波材料所的科研人员通过数字仿真技术设计并制备出了一种可以吸收宽频带电磁波的多层结构,如图3所示。该多层结构利用碳纳米管的高导电性以及其在复合薄膜中形成的导电网格,实现了电磁波的频段分离,通过电磁波的分频段吸收实现电磁波的宽频吸收。
   其电磁波吸收原理为:吸收层1设计为能够吸收高频段电磁波的材料,吸收层3设计为能够吸收低频段电磁波的材料,吸收层2经过仿真计算设计成具有隔离高频段电磁波和低频段电磁波功能的隔离层,从而实现电磁波的分频段吸收。因此,该结构的关键在于电磁波隔离层的设计。

本工作基于碳纳米管的高导电性和导电网络的特殊微观结构,可实现电磁波频段隔离,从而实现长波段和短波段电磁波的同步吸收。最终,以2.4mm的厚度实现了将近13GHz频宽(涵盖了C、X、Ku三个主流频段)的吸收,电磁波能量吸收强度达到90%以上。

  图3 电磁波过滤的层状结构
     这种多层结构大大拓宽了电磁波吸收频带,同时厚度也比同等性能的材料更薄。可以预期,如果能进一步降低吸收层1和吸收层3的厚度,这种多层结构的整体厚度也能进一步降低,能更好的满足电子设备及器件的小型化应用需求。如果能够实现电磁波过滤层的可控调制,实现更多频段的隔离,就能实现更宽频段的电磁波吸收,进而满足宽频化的应用需求。
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关键词:电磁波

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