阻抗表面在电磁干扰抑制中的应用研究

论文摘要

5G通信、人工智能、高性能计算等的快速发展,使得高速、高密度电路广泛地应用在电子设备中,在造福人类的同时,也引入了不可忽视的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）问题。电磁环境的恶化对器件工作、人员安全和军事作战带来了新的挑战,常规的电磁吸波、滤波、屏蔽手段已经不再适用,急需寻找新型的EMI抑制方法。与此同时,以新型二维材料和人工超表面为代表的阻抗表面,以其独特的电磁性能,正带给电子领域多方面的应用革命。本论文针对电磁干扰抑制面临的新挑战,基于石墨烯薄膜和人工超表面这两种阻抗表面,结合实际工程需求分别设计了新型的电磁吸波、滤波、屏蔽等电磁干扰抑制结构。最后,将所设计的电磁屏蔽结构应用于相关企业的“散热器+芯片封装”产品中。论文的主要工作和创新点如下:1、设计了光学透明的石墨烯微波吸波体。我们制备的图案化石墨烯样品克服了石墨烯在GHz频段主要呈现电阻、电抗较小的弱点,突破了 Salisbury型吸波体的介质厚度须为四分之一波长的限制,并取得了 80%左右透光率和90%以上的峰值吸波率。同时我们发展了增强其工作带宽和吸波率的方法,其工作带宽可增大3 GHz,峰值吸波率可提升至100%。我们进一步利用图案化石墨烯在GHz频段的可调电阻特性和可调层数的方法,制作了频率可调的微波吸波体,分别取得了 0.8 GHz和1.2 GHz的可调频率范围。这些吸波体在民用的智能窗户和军用的观察窗口的电磁干扰抑制中有较大应用前景。2、研究了超表面在多层印刷电路板（Printed Circuit Board,PCB）EMI中的应用。我们特别研究了有限宽度的超表面,即表面波传输线结构,从而与PCB走线兼容。我们对单层的表面波传输线通过等效电路建模推导的色散关系解析式,其计算的色散曲线与前人工作相比,可减小均方根误差最高达50%;我们进一步提出将表面波传输线嵌入到带状线结构形成复合结构,我们提出了两种方法来分别抑制该结构中不同阶数的电磁传播模式,形成滤波特性。我们据此设计的低通滤波器通带为DC-9.2 GHz,阻带宽度可达18 GHz（9.6-27.6 GHz）;带通滤波器通带为6.4-21.1 GHz（相对带宽高达107%）,阻带为DC-6.4 GHz和21.6-28.7 GHz。相比前人工作,我们制作的滤波器实现了更宽的工作频带和更小的阻带辐射,这对于保持高速电路的信号完整性、减小滤波器件的电磁辐射干扰具有重要意义。3、设计了吸波型的超表面传输波导。一方面,区别于传统的反射型波导滤波器,我们设计了吸收型的滤波结构。通过在传统矩形波导中放置周期刻蚀的薄膜材料,我们使得波导内不同频率传播的模式有巨大的损耗上的差异,从而实现对特定频段电磁波的吸收,同时保持其他频段内的低损耗传输。实验中,我们在12-18 GHz范围内实现了一个吸收频段（反射系数和传输系数均小于-10 dB）和两个传输频带（反射系数小于-10 dB,传输系数约-3 dB）。这种吸收型的新型波导滤波器,可以解决传统方案端口反射较大的问题,实现无反射的端口间电磁互扰抑制。另一方面,区别于传统的屏蔽材料应用方案,我们将屏蔽材料制成超表面结构,并将其应用于“散热器+芯片封装”场景下。该结构可以在相同体积情形下,急剧增大电磁噪声沿平板波导的传播损耗,理论结果表明该设计可以在12-28 GHz的宽带范围内将传播衰减因子提高130 rad/m左右,这解决了非封闭式屏蔽罩的屏蔽效能难以提升的难题。我们在实际产品中进行了实验验证,相比传统屏蔽方案,该设计在12-28 GHz宽带范围内提升了 5 dB的噪声屏蔽效能（Shielding Effectiveness,SE）。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

部分短语中英文对照

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的

1.3 国内外研究现状

1.3.1 石墨烯在电磁干扰抑制中的应用

1.3.2 超表面在电磁干扰抑制中的应用

1.4 论文的主要内容及结构安排

第2章阻抗表面与电磁波交互作用基本原理

2.1 引言

2.2 阻抗表面与自由空间平面波的交互作用

2.2.1 理想阻抗表面

2.2.2 实际阻抗表面

2.3 表面波沿阻抗表面的传输

2.3.1 TE波

2.3.2 TM波

2.3.3 TEM波

2.4 阻抗表面-传统波导复合结构

2.4.1 容性表面

2.4.2 感性表面

2.5 本章小结

第3章石墨烯微波吸波体

3.1 引言

3.2 石墨烯的电导率和制备

3.2.1 石墨烯电导率

3.2.2 制备和转移

3.3 固定频率的石墨烯吸波体

3.3.1 完整石墨烯吸波体

3.3.2 图案化石墨烯吸波体

3.4 频率可调的石墨烯吸波体

3.4.1 调节石墨烯表面电阻

3.4.2 调节石墨烯超层数

3.4.3 实验验证

3.5 本章小结

第4章基于表面波传输线的滤波结构

4.1 引言

4.2 表面波传输线模型

4.3 带状线型表面波传输线

4.3.1 色散关系

4.3.2 模式分析

4.3.3 渐变结构及其低通滤波器设计

4.3.4 半模结构及其带通滤波器设计

4.3.5 实验验证

4.4 本章小结

第5章基于阻抗表面的吸波型波导

5.1 引言

5.2 氧化铟锡薄膜吸波型矩形波导

5.2.1 传播模式

5.2.2 实验验证

5.3 亚波长炭黑复合物吸波型平板波导

5.3.1 传播模式

5.3.2 实验验证

5.4 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 易达

导师: 魏兴昌

关键词: 阻抗表面,电磁干扰,石墨烯,超表面,吸波体,滤波器,电磁屏蔽

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 浙江大学

分类号: TN973.21;O441

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000033

总页数: 147

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