電磁波的隔離·過濾的重要性

電磁波干擾問題的場(chǎng)景大致可以分為以下三種：(a)無泄漏型;(b)無透射型;(c)有去無回型。三種場(chǎng)景示意如圖1。

a場(chǎng)景要求電磁波源產(chǎn)生的電磁波不能泄露到盒子(即某一區(qū)域)外面;b場(chǎng)景要求盒子外部電磁波無法進(jìn)入盒子內(nèi)部;c場(chǎng)景要求盒子內(nèi)或盒子外產(chǎn)生的電磁波到達(dá)盒子表面時(shí)，不僅 不能穿過盒子，還要求反射電磁波(圖1c中藍(lán)色箭頭所示)為零(盡可能的小)。其中，以c類場(chǎng)景要求難度最大。

實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景可能為三種形式的結(jié)合，更為復(fù)雜。通俗的說，電磁波的去干擾過程就是電磁波的隔離過程。

吸波材料：電磁波隔離的“中堅(jiān)力量”

電磁波的隔離主要通過吸波材料來實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景a和場(chǎng)景b為電磁波隔離的常規(guī)模式，像常規(guī)手機(jī)屏幕、數(shù)碼相機(jī)電路板等所產(chǎn)生的電磁干擾就屬于該類型(如圖2所示)，主要通過導(dǎo)電材料(銅箔、鋁箔、導(dǎo)電高分子、石墨烯等)和高導(dǎo)磁材料(FeSiAl、硅鋼等)基本可以滿足應(yīng)用需求。場(chǎng)景c為電磁波隔離的復(fù)雜模式，這類場(chǎng)景常用到的吸波材料多數(shù)為復(fù)合材料，如羰基鐵、碳材料、鐵氧體、高分子等復(fù)合材料均可用作c場(chǎng)景吸波材料以滿足各種具體場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

實(shí)際應(yīng)用中，吸波材料必須兼具材料(涂層)厚度小(薄)、密度小(輕)、吸收頻帶大(寬)、吸收強(qiáng)度高(強(qiáng))四大特點(diǎn)，其中如何拓寬吸波材料的吸收頻帶是當(dāng)前吸波材料關(guān)注的熱點(diǎn)。常用電磁波頻段從米波(~MHz)到毫米波(~GHz)，再到太赫茲電磁波(~THz)都有著廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前，以5G通訊技術(shù)為代表的先進(jìn)通信技術(shù)，將通信頻段從700 MHz拓展到6GHz甚至到毫米波。一方面，工作頻率的提升，將通信基站壓縮到了一個(gè)手提箱大小，電磁信號(hào)之間的干擾增強(qiáng);另一方面，手機(jī)等信號(hào)接收端需要增加新的天線，進(jìn)一步縮減了接收端的設(shè)計(jì)空間，電磁信號(hào)之間的干擾作用進(jìn)一步增強(qiáng)。這些實(shí)際應(yīng)用情況的出現(xiàn)，不僅要求吸波材料更薄，還要求吸波材料吸收頻帶更寬。

為了讓一種吸波材料盡可能多的滿足多頻段電磁波吸收的需求，寬頻吸波材料成為一種首選。然而，這并不是一件很容易的事情。

圖2 吸波材料常用領(lǐng)域

新材料，多層結(jié)構(gòu)吸收寬頻帶電磁波

為了解決吸波材料的寬頻吸收問題，中科院寧波材料所的科研人員通過數(shù)字仿真技術(shù)設(shè)計(jì)并制備出了一種可以吸收寬頻帶電磁波的多層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該多層結(jié)構(gòu)利用碳納米管的高導(dǎo)電性以及其在復(fù)合薄膜中形成的導(dǎo)電網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)了電磁波的頻段分離，通過電磁波的分頻段吸收實(shí)現(xiàn)電磁波的寬頻吸收。

其電磁波吸收原理為：吸收層1設(shè)計(jì)為能夠吸收高頻段電磁波的材料，吸收層3設(shè)計(jì)為能夠吸收低頻段電磁波的材料，吸收層2經(jīng)過仿真計(jì)算設(shè)計(jì)成具有隔離高頻段電磁波和低頻段電磁波功能的隔離層，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的分頻段吸收。因此，該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于電磁波隔離層的設(shè)計(jì)。

本工作基于碳納米管的高導(dǎo)電性和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的特殊微觀結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)電磁波頻段隔離，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波段和短波段電磁波的同步吸收。最終，以2.4mm的厚度實(shí)現(xiàn)了將近13GHz頻寬(涵蓋了C、X、Ku三個(gè)主流頻段)的吸收，電磁波能量吸收強(qiáng)度達(dá)到90%以上。

圖3 電磁波過濾的層狀結(jié)構(gòu)

這種多層結(jié)構(gòu)大大拓寬了電磁波吸收頻帶，同時(shí)厚度也比同等性能的材料更薄。可以預(yù)期，如果能進(jìn)一步降低吸收層1和吸收層3的厚度，這種多層結(jié)構(gòu)的整體厚度也能進(jìn)一步降低，能更好的滿足電子設(shè)備及器件的小型化應(yīng)用需求。