基于人工表面等离激元超表面的电磁吸波结构

技术领域

本发明涉及芯片以及印刷电路板的电磁干扰抑制技术领域的一种电磁吸波结构，具体涉及了一种基于人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton,SSPP)超表面和磁硅复合吸波材料、频率选择表面吸收体(Frequency Selective Surface,FSS)的电磁吸波结构，可以应用于芯片以及印刷电路板的EMI(Electromagnetic Interference,EMI)辐射抑制。

背景技术

随着现代电子系统向着高集成、高速率、小型化和智能化的方向发展，电磁辐射抑制越显重要，研究新型电磁能量吸收技术来抑制电磁辐射越显迫切。传统的吸波材料比如铁磁体、Salisbury屏等一直存在带宽窄、体积大或造价昂贵的问题，难以满足“薄、轻、宽、强”的要求，因而应用有限，难以推广。超表面(Metasurface)技术的出现一定程度上为上述问题提供了部分解决方案。超表面相当于是二维超薄的超材料，由界面上超薄薄膜中的离散亚波长结构形成，在亚波长尺度内允许波前和极化控制，展现出各种特别的电磁响应能力，包括电磁波吸收。

常见的超表面吸收体结构是由金属-介质-金属三层构造的三明治型结构，但该种基于强谐振理论的吸收体结构只能实现窄带吸收，并且超薄平面结构对于极化模式和入射角度十分敏感，难以保持良好的稳定性。实现宽频电磁波吸收的手段中，平面排布单元增大了吸收单元周期，多层结构增加了加工难度；而关于实现超表面吸收体的极化不敏感和高角度稳定，研究者们至今仍未能完美解决这个问题，亟待新的结构和方法。

因此，现有的超表面电磁波吸收技术存在高吸收率、宽吸收频带、极化不敏感和高角度稳定性等复杂需求难以同时满足的挑战。

发明内容

针对背景技术中现有方法的不足，本发明提出了一种基于人工表面等离激元超表面的电磁吸波结构。

本发明适用于封装芯片的EMI辐射抑制，能在超宽的频带内对电磁辐射实现有效吸收，且具有极化不敏感，角度稳定性高，结构简单，易于设计，使用范围广，不受噪声源限制等优点。

本发明达成上述目的采用的技术方案是：

一、基于人工表面等离激元超表面和磁硅复合吸波材料的电磁吸波结构

所述电磁吸波结构本质上主要由多个电磁吸波单元周期性紧密阵列排布构成，每个电磁吸波单元包含平面部分和垂直部分；

平面部分是主要由金属背板和底部介质板构成；

垂直部分位于平面部分的正上面，垂直部分由呈十字状垂直放置的有耗介质板和设置在有耗介质板表面的金属片构成。

空间电磁波入射至本发明的所述电磁吸波结构，可被有效吸收。

所述的有耗介质板十字状每个分支的侧面均设置有一个梳齿状的金属片。

所述的金属片包括多条金属横条和一条金属竖条：

金属竖条布置在有耗介质板十字状分支侧面的外侧边缘；

金属竖条在靠近有耗介质板中心的内侧边沿从上到下连接各条金属横条的外端，各条金属横条平行间隔布置，各条金属横条的内端向有耗介质板中心轴线延伸且延伸长度不同。

每相邻两条金属横条之间的间隔相同，从上到下的各条金属横条的长度以等差数列依次递增。

所述的底部介质板为有耗介质板。所述的有耗介质板采用FR4板材，介电常数为4.3，介质损耗正切值为0.025。

第一种平面部分的方案中：所述的平面部分主要由一层金属背板、一层底部介质板构成，金属背板布置在底部介质板的下表面；且所述的底部介质板采用磁硅复合吸波材料，具体为一种磁性填充的硅橡胶弹性体片材。

在上述结构下能够将特定频带内的入射电磁场限制在人工表面等离激元超表面结构附近，因为人工表面等离激元的场束缚和局域增强效应，电磁能量在介质中被有效耗散，从而达成电磁吸波效果。此外，人工表面等离激元超表面结构也提高了底部介质板与空气的阻抗匹配，结合两种不同的电磁吸波机制，使得吸波频带得到高效拓展。

具体实施中经测试，电磁吸波结构的工作频段为5-56GHz。

本发明的电磁吸波结构角度稳定性较高，对于TE模式入射，入射角倾斜至50°时吸收效率仍能保持在80％左右，工作频带略微缩减至10-50GHz；对于TM模式入射，入射角倾斜至70°时吸收效率仍能保持在80％左右，工作频带略微偏移至15-60GHz。

本发明所述的高频是指5GHz频率以上，所述的超宽带是指相对带宽160％以上。

二、基于人工表面等离激元超表面和频率选择表面吸收体的电磁吸波结构

所述电磁吸波结构本质上主要由多个电磁吸波单元周期性紧密阵列排布构成，每个电磁吸波单元包含平面部分和垂直部分；

平面部分是主要由金属背板和底部介质板构成；

垂直部分位于平面部分的正上面，垂直部分由呈十字状垂直放置的有耗介质板和设置在有耗介质板表面的金属片构成。

空间电磁波入射至本发明的所述电磁吸波结构，可被有效吸收。

所述的有耗介质板十字状每个分支的侧面均设置有一个梳齿状的金属片。

所述的金属片包括多条金属横条和一条金属竖条：

金属竖条布置在有耗介质板十字状分支侧面的外侧边缘；

金属竖条在靠近有耗介质板中心的内侧边沿从上到下连接各条金属横条的外端，各条金属横条平行间隔布置，各条金属横条的内端向有耗介质板中心轴线延伸且延伸长度不同。

每相邻两条金属横条之间的间隔相同，从上到下的各条金属横条的长度以等差数列依次递增。

所述的底部介质板为有耗介质板。所述的有耗介质板采用FR4板材，介电常数为4.3，介质损耗正切值为0.025。

第二种平面部分的方案中：所述的平面部分主要由多个平面单元紧密阵列排布构成，每个平面单元主要由一层金属背板、一层底部介质板和金属电阻组件构成，金属背板布置在底部介质板的下表面；在底部介质板上表面布置有金属电阻组件，金属电阻组件包括金属贴片和贴片电阻R，金属贴片为环形金属片，环形金属片在四边中间开设有沿径向的缺口槽，使得环形金属片分为四个L形金属片，每个缺口槽处布置一个贴片电阻R，使得缺口槽两侧的L形金属片之间通过贴片电阻R电连接。

相邻两个平面单元的L形金属片之间形成电容，金属贴片等效为电感，L形金属片与贴片电阻等效组成RLC串联电路，L形金属片与底部介质板11等效形成并联的阻抗，L形金属片和金属背板12之间等效形成短路。

所述电磁吸波结构对入射波极化不敏感，对于TE和TM模式垂直入射的电磁波都有相同频段的高效吸收效果。

在上述结构下能够将特定频带内的入射电磁场限制在人工表面等离激元超表面结构附近，因为人工表面等离激元的场束缚和局域增强效应，电磁能量在介质中被有效耗散，从而达成电磁吸波效果。此外，特定频带内的电磁波入射至频率选择表面，会在该结构上引起谐振，电磁能会在贴片电阻和有耗介质板内得到有效耗散，从而达成电磁波的吸收。本发明结合两种不同的电磁吸波机制，使得吸波频带得到高效拓展。该电磁吸波结构工作频带较宽，且极化、角度稳定性良好。

具体实施中经测试，电磁吸波结构的工作频段为15-45GHz。

本发明的电磁吸波结构角度稳定性较高，对于TE模式入射，入射角倾斜至50°时吸收效率仍能保持在80％左右，工作频带略微缩减至15-35GHz；对于TM模式入射，入射角倾斜至70°时，在15-60GHz的频段内吸收效率仍能保持在80％左右。

本发明的两种电磁吸波结构工作频带超宽，且极化、角度稳定性较高。

本发明的创新是在于设计了人工表面等离激元超表面和一般平面电磁吸收体组合的结构，通过结合两种不同的电磁吸波机制的设置带来了吸波频带的高效拓展，，实现了宽带、极化和角度稳定的电磁吸波效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提出的电磁吸波结构与大多数将人工表面等离激元用于电磁波传输的研究相反，是利用其高束缚特性和局域增强特性进行电磁波吸收，应用在实际EMI抗干扰设计中，并且抑制效果良好，为电磁辐射抑制新方案的开发提供了新的方向，具有很大的实际意义。

本发明将人工表面等离激元超表面吸收体结构与磁硅复合吸波材料结合，利用人工表面等离激元超表面结构提高了底部介质板与空间的阻抗匹配，结合两种不同的吸波机制，实现了超宽工作频段的电磁波吸收，并且可以通过调整单元尺寸适当地调整吸收频带和带宽。

本发明还将人工表面等离激元超表面吸收体结构与频率选择表面吸收体组合，结合两种不同的吸波机制，实现了超宽工作频段的电磁波吸收，并且可以通过调整单元尺寸适当地调整吸收频带和带宽。

本发明具有较高的角度稳定性能，TE模式入射下角度稳定性可达50°，TM模式入射下角度稳定性可达70°。此外，本发明的电磁双极化性能稳定，同时支持TE、TM两种极化模式入射。

本发明适用于封装芯片的高频、超宽带的EMI电磁辐射抑制。角度、极化稳定性极佳，在芯片封装和EMI辐射抑制领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是实施例1的三维结构图；

图2是是实施例1的电磁吸波单元的结构示意图；

图3是是实施例1的相邻两个单元紧密连接的金属层的布置结构图；

图4是是实施例1的电磁吸波单元的色散曲线图；

图5是是实施例1的底部介质板的磁硅复合吸波材料在不同厚度下的吸收率曲线图；

图6是是实施例1的底部介质板的磁硅复合吸波材料的复介电常数结果图；

图7是是实施例1的底部介质板的磁硅复合吸波材料的复磁导率结果图；

图8是是实施例1在TE和TM模式电磁波垂直入射下吸收率曲线图；

图9是是实施例1在TE模式电磁波斜入射下的吸收率曲线图；

图10是是实施例1在TM模式电磁波斜入射下的吸收率曲线图；

图11是实施例2的三维结构图(隐去贴片电阻)；

图12是实施例2的电磁吸波单元的结构示意图(隐去贴片电阻)；

图13是实施例2的金属层的布置结构图；

图14是实施例2的垂直部分的色散曲线图；

图15是实施例2的平面部分的结构图；

图16是实施例2的平面部分的吸收率曲线图；

图17是实施例2在TE和TM模式电磁波垂直入射下吸收率曲线图；

图18是实施例2在TE模式电磁波斜入射下的吸收率曲线图；

图19是实施例2在TM模式电磁波斜入射下的吸收率曲线图。

图中：平面部分1、底部介质板11、金属背板12、金属贴片13；垂直部分2、有耗介质板21、金属片22。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

如图1所示，包括了从上到下依次布置的人工表面等离激元超表面吸收体结构、底部介质板和金属背板层。自由空间中当电磁波从上方沿竖直Z方向入射至该电磁吸波结构，处于工作频段内的电磁波会被有效吸收，从而达成辐射抑制。

如图2所示，数个电磁吸波单元沿水平面的X方向和Y方向重复排列组成图1中所示的立体网格形状。

每个电磁吸波单元包含平面部分和垂直部分；

平面部分1是主要由金属背板12和底部介质板11构成；

垂直部分2位于平面部分的正上面，垂直部分由呈十字状垂直放置的有耗介质板21和设置在有耗介质板21表面的金属片22构成。

有耗介质板21十字状每个分支的侧面均设置有一个梳齿状的金属片22，金属片22包括多条金属横条和一条金属竖条：

金属竖条布置在有耗介质板21十字状分支侧面的外侧边缘；且金属竖条的长度和外侧边缘的长度相同，即和有耗介质板21的高度相同，金属竖条的外侧边沿和有耗介质板21十字状分支侧面的外侧边沿平齐布置。

金属竖条在靠近有耗介质板21中心的内侧边沿从上到下连接各条金属横条的外端，各条金属横条平行间隔布置，最上方的金属横条的上边沿为有耗介质板21的上边沿平齐，最下方的金属横条的下边沿为有耗介质板21的下边沿平齐，各条金属横条的内端向有耗介质板21中心轴线径向直线延伸且延伸长度不同。

每相邻两条金属横条之间的间隔相同，从上到下的各条金属横条的长度以等差数列依次递增。这样，每条金属横条的水平长度由上至下逐渐均匀增加，使得金属横条的内端形成的边缘轮廓形成一个直角梯形。

相邻的两个电磁吸波结构紧密连接，有耗介质板21上的两个金属竖条接触连接，使得两个金属片22的直角梯形拼接成等腰梯形的形状。

所有金属片22的结构、形状和尺寸均相同，位于垂直部分的所有金属片22关于有耗介质板21的垂直中心轴线以两两对称布置。

本实施例的第一种平面部分1的方案中：

平面部分1主要由一层金属背板12、一层底部介质板11构成，金属背板12布置在底部介质板11的下表面；金属背板、一层底部介质板形状均为正方形且尺寸相同重叠布置。在底部介质板11上表面不设有金属板。

且底部介质板11采用磁硅复合吸波材料，具体为一种磁性填充的硅橡胶弹性体片材，其测量和拟合的复介电常数和复磁导率参数如图7所示。

这样，由所有电磁吸波单元的垂直部分构成了人工表面等离激元超表面吸收体结构，由所有电磁吸波单元的底部介质板构成底部介质板，由所有电磁吸波单元的金属背板构成了金属背板层。

人工表面等离激元超表面吸收体结构单元沿两个正交方向周期性排列，组成立体网格状结构。底部介质板层和金属背板层的面积相同，置于人工表面等离激元超表面吸收体结构下方。

具体实施在电磁吸波单元中，有耗介质板21的厚度为t，高度为H，底部介质板11的厚度为h，正方形边长为D。具体数值为：t＝0.8mm，H＝4.3mm，h＝1mm，D＝6mm。

如图3所示，具体实施中，相邻的两个电磁吸波结构紧密连接，有耗介质板21上的两个金属竖条接触连接，使得两个金属片22的直角梯形拼接成等腰梯形的形状。单个金属层22主要由22条金属横条和1条金属竖条组成。金属片22中，最上方的金属横条的长度为l

从图3中的等腰梯形中可以提取出简化过后的“十”字形的表面等离激元单元传输结构，该结构周期为s，金属横条宽度为w，长度L可变，长度L从1mm渐变至10mm对应的色散曲线和光线的对比如图4所示，从色散曲线中可以看出：

1)色散曲线均位于光线下方，说明相同频率下，人工表面等离激元能获得比光更大的传播常数，换言之，人工表面等离激元在亚波长区域内受到限制和增强。因此，如果衬底为有耗介质，则损耗将十分显著。

2)人工表面等离激元的色散曲线分为准线性和渐趋于水平的非线性两部分。在准线性部分对应的较低频段内，人工表面等离激元的相位常数稍大于空间波的相位常数，所以人工表面等离激元可以有效耦合和传输；在非线性部分对应的较高频段内，色散曲线斜率渐趋于0，人工表面等离激元的相位常数急剧增大，远大于空间波的相位常数，因此人工表面等离激元波的传输效率降低，损耗急剧增加。

3)人工表面等离激元的截止频率由金属横条的长度L决定，金属横条的长度L越长，则截止频率越低。在此基础上，通过逐渐增加金属横条的长度L，并将这些单元依次排列相连，激发的相邻吸收峰就可以重叠成一个连续的吸收峰。

另外，当频率一定时，金属横条的长度L越短的单元对应的传播常数越接近空间波的传播常数，因此由短至长渐变的金属横条的长度L也能提高人工表面等离激元波与空间波的波矢匹配。

本实施例中底部介质板采用磁硅复合吸波材料后在不同厚度h时的吸收率曲线如图5所示，从图5中可看出底部介质板的磁硅复合吸波材料能在相对较低的频率实现窄带的吸收，但对磁硅复合吸波材料本身来说，很难通过单纯优化其厚度来达成宽带吸收效果。本实施例提出的电磁吸波结构中设置为磁硅复合吸波材料的底部介质板的厚度h＝1mm，吸收频带约为10-19GHz。

本实施例的电磁吸波结构工作原理如下：

A)由图4可得，金属横条的长度L＝l

在f1～f2频段内及附近频率入射的电磁波，先接触到长度最短的金属横条，从而被渐变长度的金属横条有效耦合至金属结构上，人工表面等离激元会在对应长度的金属横条上被激发，且被牢牢束缚和增强，并在有耗介质层中被有效消耗。

B)在f1～f2频段外的一定频率入射的电磁波，会经过人工表面等离激元超表面结构被有效耦合至底部介质板，从而被其有效吸收。

结合以上两种吸波机制，本实施例便可以达成超宽带的电磁波吸收。

图6和图7是本实施例的磁硅复合吸波材料的实测和拟合的复介电常数和复磁导率。

如图8所示，当电磁波垂直入射时，本实施例提出的电磁吸波结构能在5-56GHz的频带内达到90％以上的吸收效率，且极化不敏感。

如图9所示，当TE模式的电磁波斜入射时，本实施例提出的电磁吸波结构在入射角倾斜至50°时，吸收率仍能保持在80％左右，频带略微缩减至10-50GHz。

如图9所示，当TM模式的电磁波斜入射时，本实施例提出的电磁吸波结构在入射角倾斜至70°时，吸收率仍能保持在80％左右，频带略微缩减至15-60GHz。

实施例2

实施例2和实施例1的垂直部分均相同，平面部分不同。

如图11所示，包括了从上到下依次布置的人工表面等离激元超表面吸收体结构、频率选择表面吸收体结构。自由空间中当电磁波从A上方沿竖直Z方向入射至该电磁吸波结构，处于工作频段内的电磁波会被有效吸收，从而达成辐射抑制。

如图12所示，数个电磁吸波单元沿水平面的X方向和Y方向重复排列组成图11中所示的立体网格形状。每个电磁吸波单元内的平面部分设置3×3个平面单元。

每个电磁吸波单元包含平面部分和垂直部分；

平面部分1是主要由金属背板12和底部介质板11构成；

垂直部分2位于平面部分的正上面，垂直部分由呈十字状垂直放置的有耗介质板21和设置在有耗介质板21表面的金属片22构成。

有耗介质板21十字状每个分支的侧面均设置有一个梳齿状的金属片22，金属片22包括多条金属横条和一条金属竖条：

金属竖条布置在有耗介质板21十字状分支侧面的外侧边缘；且金属竖条的长度和外侧边缘的长度相同，即和有耗介质板21的高度相同，金属竖条的外侧边沿和有耗介质板21十字状分支侧面的外侧边沿平齐布置。

金属竖条在靠近有耗介质板21中心的内侧边沿从上到下连接各条金属横条的外端，各条金属横条平行间隔布置，最上方的金属横条的上边沿为有耗介质板21的上边沿平齐，最下方的金属横条的下边沿为有耗介质板21的下边沿平齐，各条金属横条的内端向有耗介质板21中心轴线径向直线延伸且延伸长度不同。

每相邻两条金属横条之间的间隔相同，从上到下的各条金属横条的长度以等差数列依次递增。这样，每条金属横条的水平长度由上至下逐渐均匀增加，使得金属横条的内端形成的边缘轮廓形成一个直角梯形。

相邻的两个电磁吸波结构中相紧密连接有耗介质板21上的两个金属竖条接触连接，使得两个金属片22的直角梯形拼接成等腰梯形的形状。

所有金属片22的结构、形状和尺寸均相同，位于垂直部分的所有金属片22关于有耗介质板21的垂直中心轴线以两两对称布置。

本实施例的第二种平面部分1的方案中：

平面部分1主要由多个平面单元在同一平面紧密阵列排布构成，每个平面单元主要由一层金属背板12、一层底部介质板11和金属电阻组件构成，金属背板12布置在底部介质板11的下表面；金属背板、一层底部介质板形状均为正方形且尺寸相同重叠布置。在底部介质板11上表面不设有金属板。

在底部介质板11上表面布置有金属电阻组件，金属电阻组件位于底部介质板11的中心，金属电阻组件包括金属贴片13和贴片电阻R，金属贴片13为环形金属片，环形金属片在四边中间开设有沿径向的缺口槽，使得环形金属片分为四个L形金属片，每个缺口槽处布置一个贴片电阻R，使得缺口槽两侧的L形金属片之间通过贴片电阻R电连接。

这样，由所有电磁吸波单元的垂直部分构成了人工表面等离激元超表面吸收体结构，由所有电磁吸波单元的平面部分构成了频率选择表面吸收体。

人工表面等离激元超表面吸收体结构单元沿两个正交方向周期性排列，组成立体网格状结构。频率选择表面吸收体置于人工表面等离激元超表面吸收体结构下方。

具体实施在电磁吸波单元中，正方形边长为D。有耗介质板21的厚度为t，高度为H。其具体数值为：D＝6mm，t＝0.8mm，H＝4.3mm。

如图13所示，具体实施中，相邻的两个电磁吸波结构中相紧密连接有耗介质板21上的两个金属竖条接触连接，使得两个金属片22的直角梯形拼接成等腰梯形的形状。金属层22主要由22条金属横条和1条金属竖条组成。金属片22中，最上方的金属横条的长度为l

从图13中的等腰梯形中可以提取出简化过后的“十”字形的表面等离激元单元传输结构，该结构周期为s，金属横条宽度为w，长度L可变，长度L从1mm渐变至10mm对应的色散曲线和光线的对比如图14所示，从色散曲线中可以看出：

1)色散曲线均位于光线下方，说明相同频率下，人工表面等离激元能获得比光更大的传播常数，换言之，人工表面等离激元在亚波长区域内受到限制和增强。因此，如果衬底为有耗介质，则损耗将十分显著。

2)人工表面等离激元的色散曲线分为准线性和渐趋于水平的非线性两部分。在准线性部分对应的较低频段内，人工表面等离激元的相位常数稍大于空间波的相位常数，所以人工表面等离激元可以有效耦合和传输；在非线性部分对应的较高频段内，色散曲线斜率渐趋于0，人工表面等离激元的相位常数急剧增大，远大于空间波的相位常数，因此人工表面等离激元波的传输效率降低，损耗急剧增加。

3)人工表面等离激元的截止频率由“十”字形单元的长度L决定，L越长，则截止频率越低。在此基础上，通过逐渐增加“十”字形单元的长度L，并将这些单元依次排列相连，激发的相邻吸收峰就可以重叠成一个连续的吸收峰。另外，当频率一定时，L越短的单元对应的传播常数越接近空间波的传播常数，因此由短至长渐变的L也能提高人工表面等离激元波与空间波的波矢匹配。

频率选择表面吸收体结构如图15所示，金属贴片的方环与底部介质板11边沿之间的距离为s

本实施例提出的频率选择表面吸收体结构的吸收率曲线如图16所示，频率选择表面吸收体结构有两个吸收频带，分别为10-17GHz和45-56GHz。

本实施例的电磁吸波体结构工作原理如下：

A)由图14可得，金属横条的长度L＝l

在f1～f2频段内及附近频率入射的电磁波，先接触到长度最短的金属横条，从而被渐变长度的金属横条有效耦合至金属结构上，人工表面等离激元会在对应长度的金属横条上被激发，且被牢牢束缚和增强，并在有耗介质层中被有效消耗。

B)在f1～f2频段外、频率选择表面吸收体结构的吸收频段内入射的电磁波，会经过人工表面等离激元超表面结构被有效耦合至频率选择表面吸收体结构，在频率选择表面结构引起谐振，从而被频率选择表面吸收体结构有效吸收。

结合以上两种吸波机制，本实施例便能够达成超宽带的电磁波吸收。

如图17所示，当电磁波垂直入射时，本实施例提出的电磁吸波体结构能在15-45GHz的频带内达到90％以上的吸收效率，且极化不敏感。

如图18所示，当TE模式的电磁波斜入射时，本实施例提出的电磁吸波体结构在入射角倾斜至50°时，吸收率仍能保持在80％左右，频带略微缩减至15-35GHz。

如图19所示，当TM模式的电磁波斜入射时，本实施例提出的电磁吸波体结构在入射角倾斜至70°时，吸收率仍能保持在80％左右，频带略微缩减至15-60GHz。

综上所述，本发明有效的实现了电磁辐射的抑制，拥有超宽的工作带宽，极化不敏感，角度稳定性高，并且具有结构简单，不受噪声源限制的优点，在芯片封装和EMI辐射抑制领域具有重要的应用价值。