國(guó)防科技大學(xué)透光電磁防護(hù)材料取得進(jìn)展

近年來(lái)，無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展使得空間電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜。隨著電磁輻射能量的加強(qiáng)以及頻譜的擴(kuò)展，電子設(shè)備面臨日益嚴(yán)峻的電磁干擾問(wèn)題，極大地影響了電子信息系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。光電設(shè)備作為電子信息系統(tǒng)的“眼睛”，負(fù)責(zé)完成成像、預(yù)警、測(cè)距、瞄準(zhǔn)、搜索、跟蹤、制導(dǎo)等功能，是現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)不可或缺的組成單元。然而，寬帶高強(qiáng)度輻射場(chǎng)可以容易地通過(guò)光學(xué)窗口耦合到電子設(shè)備中，從而損害內(nèi)部精密的光學(xué)傳感器、光電轉(zhuǎn)換模塊、集成電路等，使其出現(xiàn)功能擾亂甚至物理?yè)p傷等嚴(yán)重后果。

電磁屏蔽是抑制無(wú)序超強(qiáng)度電磁輻射的最有效的措施。采用高導(dǎo)電性材料如金屬、導(dǎo)電橡膠等對(duì)電磁波進(jìn)行隔離，可有效控制從一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域的電磁能量傳播。一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的課題是，如何讓電磁屏蔽材料在具備應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的高屏蔽、超寬帶的防護(hù)特性的同時(shí)，還具有良好的光學(xué)透明性，以保證光學(xué)信號(hào)的有效傳輸，滿足光電系統(tǒng)高質(zhì)量成像與探測(cè)的要求。

現(xiàn)階段已有大量關(guān)于各類透明導(dǎo)電薄膜材料的研究，如透明導(dǎo)電氧化物、透明導(dǎo)電聚合物、超薄金屬、金屬納米線、金屬網(wǎng)格等。但為了保證獲得一定的透明度，這些材料的導(dǎo)電性通常受到限制，導(dǎo)致電磁屏蔽性能較低。雖然通過(guò)增加導(dǎo)電組分材料含量或薄膜厚度可以提高屏蔽效能，但材料整體的透明性將不可避免地嚴(yán)重下降。受限于透明電磁屏蔽材料透光率與導(dǎo)電性相互制約的難題，兼具高透光、強(qiáng)屏蔽、超寬帶特性的高性能透光電磁防護(hù)材料目前依舊難以實(shí)現(xiàn)。

圖1. 短路微波導(dǎo)陣列透光電磁防護(hù)材料設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)透光電磁屏蔽材料的性能瓶頸，國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院電磁兼容與防護(hù)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種有效解耦光傳輸與電磁屏蔽的短路微波導(dǎo)陣列的透明電磁屏蔽材料設(shè)計(jì)方法，聯(lián)合有研國(guó)晶輝新材料有限公司研發(fā)出可透過(guò)90%以上的可見(jiàn)光、可屏蔽99.9999%的寬頻帶電磁干擾的材料。

由于微波和光同屬電磁波，如何通過(guò)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)分離不同頻率電磁波的傳輸路徑是實(shí)現(xiàn)高性能透明屏蔽的關(guān)鍵。研究人員首先在微納尺度設(shè)計(jì)了具有“低占空比”及“大高寬比”結(jié)構(gòu)特征的微觀截止波導(dǎo)陣列來(lái)控制光與微波這兩種不同頻率的電磁波的傳輸特性。其中，高頻光信號(hào)可在微波導(dǎo)陣列腔體內(nèi)自由通過(guò)，而較低頻率的微波則會(huì)被微波導(dǎo)陣列衰減損耗。

圖2. 短路微波導(dǎo)透光電磁防護(hù)材料性能

對(duì)于電磁理論中的完美短路波導(dǎo)，其短路負(fù)載可使所有電磁波反射回去。受此啟發(fā)，研究人員進(jìn)一步提出了短路微波導(dǎo)陣列防護(hù)微結(jié)構(gòu)構(gòu)型。將連續(xù)透明導(dǎo)電層組合到微波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成短路微波導(dǎo)陣列，其中透明導(dǎo)電薄膜用作短路端。短路微波導(dǎo)陣列屏蔽結(jié)構(gòu)可以在材料表面產(chǎn)生有效的電磁反射和衰減，并通過(guò)在兩個(gè)導(dǎo)電層之間激發(fā)的多重反射損耗來(lái)補(bǔ)償單獨(dú)的微波導(dǎo)在較高頻率下的屏蔽效能的降低，產(chǎn)生的協(xié)同衰減效應(yīng)可賦予透光防護(hù)材料在超寬頻譜范圍內(nèi)卓越的電磁屏蔽性能。測(cè)試結(jié)果表明，所研制的短路微波導(dǎo)陣列透光防護(hù)材料在寬頻帶內(nèi)(0.2–1.3 GHz & 1.7–18 GHz)平均電磁屏蔽效能高達(dá)60.8 dB。且隨著頻率的變化，短路微波導(dǎo)陣列透光防護(hù)材料沒(méi)有產(chǎn)生明顯的屏蔽效能衰減，在寬頻帶內(nèi)的獲得了均衡穩(wěn)定的屏蔽特性。同時(shí)，得益于各功能組件的高透明度，短路微波導(dǎo)陣列透光防護(hù)材料表現(xiàn)出90.4%的高可見(jiàn)光透過(guò)率，具有出色的視覺(jué)效果。

通過(guò)與目前主要的透明電磁屏蔽材料進(jìn)行綜合性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盡管一些先進(jìn)的透明電磁屏蔽材料實(shí)現(xiàn)了極高的可見(jiàn)光透過(guò)率（超過(guò)90%），但對(duì)應(yīng)的電磁屏蔽性能均比較有限，普遍低于40dB，難以滿足更高標(biāo)準(zhǔn)屏蔽應(yīng)用場(chǎng)景的要求。相比之下，該研究展示的短路微波導(dǎo)透光防護(hù)材料在保持高度光學(xué)透明的同時(shí)，可獲得更優(yōu)異的屏蔽性能，在相同透光率的同時(shí)，屏蔽效能有效提高17dB，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖3.與已報(bào)道的各類透明電磁屏蔽材料綜合性能對(duì)比

論文作者表示，基于該短路微波導(dǎo)陣列的材料設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略有效突破了透明電磁屏蔽技術(shù)難題，在光電統(tǒng)電磁防護(hù)設(shè)計(jì)中具有重要意義，可為電子信息系統(tǒng)的“眼睛”提供可靠的“護(hù)目鏡”。

審核編輯 ：李倩