采用小型化超材料的低反射传输线辐射抑制结构

王霞 管政涛 李艳禄 罗海鹏 李雅楠 马玉凤 魏豪毅 王蒙军，3*

（1.河北工业大学电子信息工程学院, 天津 300401；2.宏启胜精密电子(秦皇岛)有限公司, 秦皇岛 066300；3.河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室, 天津 300401）

0 引 言

随着移动通信技术的发展，电子系统向小型化、高集成度与高速率的方向不断迈进，在这一进程中，柔性电子技术由于其出色的灵活性而受到广泛关注，并推动了可穿戴和可折叠等柔性电子设备的实现和迅速发展，在教育、医疗和工业等领域大规模应用.但随着信号频率与电子元件集成度的提升，元件间电磁干扰强度增大，印刷电路板(printed circuit board, PCB)上的电磁环境愈加复杂，如果电磁辐射达到一定的限度，甚至会引起整个电路崩溃[1].在PCB 间或PCB 板载器件间进行信号传输的主要器件是传输线，与传输低频信号时不同，传输线传输高频信号时在空间中产生的电磁辐射强度更大，对其他元件的影响也更恶劣[2].在传统的硬质PCB 中，通常在传输线上使用过孔与金属膜形成屏蔽腔体来抑制电磁辐射，取得了良好的屏蔽效能.但在柔性PCB 中，这种方案会影响传输线的灵活性，且易产生寄生电容和电感等，带来信号完整性问题，因此迫切需要提出一种应用在高频柔性传输线上的电磁辐射抑制方案.

传输线电磁干扰现象随频率的升高而愈加严重，近年来，国内外学者为解决这一问题进行了很多研究.2003 年思克莱德大学的Keenan[3]提出用铁氧体材料来解决PCB 板级电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)问题，即利用铁氧体材料能够有效吸收电磁波的特性来降低PCB 中传输线等产生的MHz 频率等级的电磁辐射.2011 年爱尔兰国立大学的Duffy 等[4]提出用磁性电镀合金来代替铁氧体材料用于抑制PCB 中电磁辐射，并在500 kHz 和3 MHz频率下与4F1 铁氧体材料进行了屏蔽效能的对比，在厚度更薄的情况下取得了近似的屏蔽效能.2011年，台湾大学的Wu 等[5]研究了PCB 边缘过孔的间距、位置等对电磁辐射屏蔽效能的影响，并在0～3 GHz 范围内进行了验证.在硬质PCB 中，过孔仍作为主要的空间辐射抑制技术而广泛应用，但随着频率的提高，由于寄生参数和阻抗不连续性的影响，过孔不可避免地会给PCB 中的信号传输带来信号完整性问题.并且，在柔性PCB 中这一问题同样不可避免.2020 年，TechDream 公司的Fukawa 等[6]提出了一种利用高介电常数材料代替过孔来屏蔽PCB 中传输线等辐射的方法，并在0～10 GHz 范围内进行了测试，发现随着频率的提升，高介电常数材料的屏蔽效能优于过孔方式，但这类材料厚度较大且灵活性较差，不适用于柔性PCB.因此，在具有超薄特性的柔性高频传输线中使用以上技术进行电磁辐射抑制均具有一定的限制，并且大部分属于反射型屏蔽方案，在高频应用场景下反射波会影响传输线的传输性能，而采用低反射型屏蔽技术可解决这一问题.

低反射型屏蔽材料可有效吸收电磁辐射，改善受扰设备附近的电磁兼容性能.早期的低反射材料研究主要集中在铁氧体和磁性金属材料.铁氧体材料具备吸收损耗强、 成本低的特点，但吸收频率较低，且密度较大.2015 年博拉理工学院的Moitra 等[7]提出了一种由CoFe2O4组成的铁氧体材料，吸收频段为8.2～10.2 GHz，厚度为2 mm，并在9.25 GHz 表现出-55 dB 的最大反射损耗.磁性金属材料相较于铁氧体材料磁性更强、吸收损耗更大，但存在密度大、吸收带宽窄的缺点.2020 年，桂林电子科技大学的He 等[8]提出了一种由Ho-Ce-Co 合金构成的磁性金属材料，有效吸收带宽为1.6 GHz，厚度为2 mm，在6.48 GHz 可达到-42.99 dB 的最大反射损耗.新型的低反射屏蔽材料有碳基、导电聚合物基和金属硫化物基材料.碳基材料具有密度小、介电损耗大和导电性可调的优点，但存在吸收带宽窄的缺陷.2018 年，浙江大学的Chen等[9]提出了一种由石墨烯微花构成的碳基材料，可在6.0～8.9 GHz 吸收电磁波，厚度为4 mm，在6.9 GHz 可达到-42.9 dB 的最佳反射损耗.导电聚合物基材料具有介电损耗较大和导电性强的优点，但也存在吸收带宽窄的缺点.2018 年，合肥工业大学的Wang 等[10]提出了一种由Ni/SiO2/聚苯胺组成的导电聚合物基屏蔽材料，工作频段为16.0～17.9 GHz，厚度为8.7 mm，在17.1 GHz 可达到-41.5 dB 的最佳反射损耗.金属硫化物基材料的介电损耗较大，并具有良好的导电性，但同样存在厚度较大的问题.2020年，西北工业大学的Wu 等[11]提出了一种由Fe3O4/Fe3S4组成的金属硫化物基材料，吸收频段为5.8～8.4 GHz，厚度为3.3 mm，在7.1 GHz 表现出-45.3 dB的最大反射损耗.以上低反射型屏蔽材料应用在高频传输线上存在厚度大、吸收带宽窄等缺点，难以与柔性传输线相适应，超材料的出现为解决这一问题给出了新的思路.

超材料是一种人工设计的周期性亚波长结构，具有自然材料所不具备的超常物理特性，如负介电常数、负磁导率和负折射率等，对电磁波具有良好的调控和吸收能力，在电磁隐身[12]和抗干扰通信[13]等方面具有很高的应用潜力.超材料具有超薄的特点，厚度可以降低到工作波长的几十分之一，并且由于是周期阵列结构，可以灵活调整规模以便在各类场景中应用，并适应电子系统小型化的趋势[14-15].2008年波士顿大学的Landy 等[16]首次提出了完美超材料吸波体的概念，采用硬质FR4 材料作为介质基板，在两侧设计了金属条型谐振结构，在11.5 GHz 实现了对电磁波幅度的有效调控.2020 年，电子科技大学的Jiang 等[17]提出了一种柔性超材料结构，使用PET 材料作为介质基板实现了良好的灵活性，在其一侧涂敷了一层方阻为74 Ω 的导电薄膜并印刷了图案，在4.1～19.3 GHz 的宽频带内实现了对电磁波的有效吸收，即对幅度的调节.同年，哈尔滨工业大学的Yuan 等[18]以Pancharatnam-Berry 相位理论为基础，通过引入传播相位设计了一种在圆极化入射时可实现完全相位调控的超表面，并在9～11 GHz范围内进行了验证.2022 年，天津大学的Wu 等[19]提出了一种幅度、相位和极化全控制超材料设计方法，通过引入“超材料原子”构成“超材料分子”的概念，实现了对电磁波振幅、相位等参数的全面调控.由于超材料在调控电磁波的幅度、相位和极化方面相较于传统的材料在体积、形态和功能上的显著优势，不仅在完美透镜、电磁隐身等场景有广泛应用，小型化的特性使其在改善移动终端等微型设备的电磁兼容方面也具有很高的研究价值.

针对前述问题，本文提出了一种利用小型化超材料结构实现高频柔性传输线电磁辐射屏蔽的低反射型方案.通过将传输线与超材料结构耦合，利用超材料对电磁波的调控和吸收特性来抑制电磁辐射，并利用等效参数理论、等效电路理论对设计的小型化超材料结构进行了分析验证.同时设计了工作在5G FR2 频段的分段共面波导(segmented coplanar waveguide, SCPW)传输线用于仿真和测试.通过对比增加超材料屏蔽结构前后SCPW 传输线的S 参数和电磁辐射强度，验证了超材料在保持传输质量和抑制传输线电磁辐射方面的性能，并加工实物进行了测试.

1 超材料结构设计与等效参数分析

1.1 电磁屏蔽机理

超材料由人工设计的周期性亚波长结构单元构成，单个结构上具有精心设计的结构图案.当辐射电磁波入射到表面图案时，如果与超材料结构的工作频段匹配，会产生强烈的电磁谐振，超材料因此对电磁波具有良好的调控与吸收能力，将其与高频柔性传输线耦合，可在宽频带内对辐射电磁波进行调控与吸收，实现电磁屏蔽.

超材料结构对传输线电磁辐射的抑制，即对电磁波的调控可从多个角度进行分析.具体来说，主要包括振幅、相位和极化三个方面的调控.

第一，超材料结构对电磁波振幅的调控主要是通过电磁损耗进行的，主要分为介电损耗和欧姆损耗两部分.超材料结构的介质基板通常是有损材料，在电磁波入射到介质内部时，如果发生磁谐振，表面图案与金属背板产生反向平行的电流，在介质中会产生一定的位移电流，这部分称为介电损耗.欧姆损耗则主要由入射电磁波激发超材料表面金属结构谐振产生，由于超材料可在某一个频点或某一个频段内与电磁波发生电谐振，因此这部分电磁波会转化为电流而被损耗.在传输线辐射的高频电磁波入射到超材料结构表面时，如果与超材料的工作频段匹配，便会进入到结构内部，部分产生透射，定义透射率为T(ω)， 部分被反射，定义反射率为R(ω)，剩下的则在超材料内部被损耗，定义损耗率为L(ω)，即超材料作为一种吸收型结构对电磁辐射进行了抑制，对应的损耗率计算公式为

第二，超材料在微波波段可对电磁波相位进行有效的调控.对于介质一侧有完整金属背板的反射型超材料结构，假设电磁波入射前和入射后(超材料介质层)的 介 电 常数分别为 ε1和 ε2，磁导率分 别 为µ1和 µ2，此时的边界条件为[20]

式中：Ai和Bi分别表示各层介质中沿正方向和反方向的电场分量；Y1、Y2和Ys分别表示入射前后电磁波所处介质以及超材料表面结构的等效导纳.当电磁波从自由空间入射到超材料时，Y1=Y0，Y0是自由空间的导纳，其值为其中ε0和 µ0分别是自由空间的介电常数和磁导率；超材料介质层导纳Y2=Y0.

在此基础上，超材料结构的反射相位可以表示为

式中：k是电磁波在超材料介质中的波数；d是介质的厚度.当辐射电磁波进入到超材料结构中时，被反射的部分会产生相位的变化，与入射前的电磁波即传输线所传输的电磁波信号产生了差异.因此，与传统的过孔与金属屏蔽膜相比，超材料对传输线的信号完整性影响较小.

第三，对入射电磁波极化的调控也是超材料结构特性中重要的一个部分.一般来说，电磁波的极化可以分为线极化、圆极化和椭圆极化三类，而超材料经过特定的设计可以通过改变幅值和相位等特性有效地进行电磁波的极化转换.

因此，相较于传统的反射型屏蔽结构，超材料结构在对传输线高频辐射进行抑制时，降低了反射分量，改变了反射波的特性，可有效保持传输线的传输性能.

1.2 结构设计

为了顺应电子系统高集成度的趋势，设计的超材料结构具有小型化的特点，并采用柔性材料保证与柔性传输线匹配.设计的超材料结构单元的正视图和立体图分别如图1(a)和图1(b)所示，主体结构由超材料图案、介质基板和金属背板构成，单元尺寸为0.079λ0×0.079λ0(λ0是工作带宽中最低截止频率对应的波长)，且厚度仅为0.04λ0.

图1 超材料结构示意图Fig.1 Schematic of metamaterial structure

从图1(a)正视图可以看出，超材料图案由三个大小不一的方形开口分裂环构成，利用三个谐振环之间的耦合增加谐振点，最终在宽频带内实现了对电磁波的调控与吸收.

超材料图案与金属背板均由金属铜构成，电导率为5.8×107S/m，厚度t1为0.018 mm.介质基板采用聚酰亚胺材料，介电常数为3.5，损耗角正切tan δ 为0.002 7，厚度t2为0.48 mm，介质基板一侧完全被金属背板覆盖，因此电磁波的透射率为零.完整的几何参数如表1 所示.

表1 超材料结构参数Tab.1 Structural parameters of metamaterial mm

1.3 电磁特性分析

在进行超材料结构的电磁特性研究时，使用商业仿真软件CST 进行建模，x和y方向的边界条件均设置为“unit cell”周期边界，z方向设置为开放边界，使用频域求解器进行模型电磁参数的计算.

超材料结构在 TE 和 TM 两种不同的极化电磁波垂直入射时的 S 参数对比如图2(a)所示，在23.10～28.30 GHz 频率范围内S11均低于-10 dB，表现出对电磁波良好的调控与吸收性能，在27.56 GHz 可达-44 dB 的最佳反射损耗.两种极化波垂直入射时的反射相位如图2(b)所示，在超材料工作频带内，相位发生了多次突变，并且不同频率的入射波表现出不同的反射相位.另一方面，对于TE 和TM 极化波，设计的超材料结构表现出一致的电磁调控性能，因此具有极化不敏感的特性.

图2 TE 和TM 极化波入射时超材料结构的S 参数和反射相位Fig.2 S-parameter and reflection phase of metamaterial structure incident by TE and TM polarized waves

1.4 等效参数分析

在进行超材料结构电磁波的调控与吸收的研究时，阻抗匹配是重要的一个方面.阻抗匹配是指电磁波入射到超材料结构表面时超材料对电磁波的反射和吸收程度，因此其与超材料的性能密切相关.入射电磁波与超材料发生作用后被分为三个部分，分别为反射、透射与被吸收的电磁波.在设计超材料结构时，通常使用金属导体作为背板，保证透射系数为0，在这种情况下，减小反射系数S11可以增加吸收率.反射系数的计算公式如下：

式中：Z0表 示自由空间的阻抗，其值为120π Ω；Zin表示超材料结构的表面阻抗，其等效值的计算公式为[21]

将Z0进行归一化，并与超材料等效阻抗进行比较，当Zin=Z0时可以实现阻抗匹配，此时超材料结构对电磁波的调控与吸收效果较好.

设计的超材料结构中介质基板一侧被金属背板完全覆盖，透射系数S21为0，从CST 仿真软件中提取S 参数，并使用编程软件进行等效阻抗的计算，结果如图3 所示.该结构在工作频段内等效阻抗的实部接近1，虚部接近0，因此与自由空间阻抗匹配良好.

图3 超材料结构等效阻抗Fig.3 Equivalent impedance of metamaterial structure

超材料是一种复合型人工材料，在微观上是非均匀的，但从亚波长尺度上可以看作是均匀介质材料.因此，可用等效媒质理论进行分析，等效介电常数和等效磁导率的计算公式如下[22]：

式中：k0表 示自由空间的波数；h表示超材料结构介质基板的厚度.对设计的超材料结构等效介电常数与等效磁导率进行分析，以S 参数仿真结果为基础，利用公式进行反演计算，结果如图4(a)和图4(b)所示，其中，等效介电常数与等效磁导率的实部表示超材料与自由空间的匹配程度，虚部表示能量的损耗.可以看出，两个等效参数的实部在工作频率内均接近于0，因此该结构与自由空间的匹配程度较好；而两者的虚部在工作频段内均大于0，说明对电磁波具有一定的损耗能力.

图4 超材料结构等效参数Fig.4 Equivalent parameters of metamaterial structure

1.5 等效电路模型

在电磁波入射到超材料表面结构时，会激发出感应电流，超材料结构会形成电流通路，即构成等效电路模型.其中，每一个开口分裂环结构都可以等效为一个RLC 支路，并可由下列公式进行等效参数的计算[23]：

式中：k、m、s和p分别是超材料表面结构中谐振环的周期长度、金属条的宽度、两个谐振环之间的距离以及谐振环在横向尺度上的长度； λ表示波长； θ表示电磁波的入射角；L、C和R分别表示每个开口分裂环的等效电感、电容和电阻；Z0表示自由空间的阻抗； ρ表示材料的电导率；Lc和S分别表示导体的长度和横截面积.

设计的超材料结构表面图案的三个方形谐振环可等效为三组RLC 串联支路，其中电容分别由三个谐振环开口处等效电容以及内外环之间耦合的电容构成，C1、C2和C3分别由超材料表面图案中由外向内的三个环互相耦合及每个环自身的开口产生；电感由电磁波入射到结构内部所产生的感应电流激发，L1、L2和L3分别由超材料表面图案中由外向内的三个环在电磁波入射时感应产生；电阻R1、R2和R3分别由表面图案中由外向内的三个环的金属条开口结构等效产生.因此，等效电路模型如图5 所示.其中，Z0表 示自由空间阻抗，Zh表示超材料介质基板的等效阻抗，三组并联的RLC 支路分别对应超材料表面结构中三个谐振环的等效阻抗参数.

图5 超材料结构等效电路模型Fig.5 Equivalent circuit model of metamaterial structure

根据等效电路理论对超材料结构进行分析，为了简化计算，所有的参数都是基于入射角为0°的情况得到的.通过公式计算得到的电阻R1、R2、R3分别为0.053 Ω、0.033 Ω、0.013 Ω；电感L1、L2、L3分别为20.20 nH、25.85 nH、19.00 nH；电容C1、C2、C3分别为2.30 fF、1.26 fF、0.95 fF.利用计算得到的参数值结合ADS 软件进行优化，得到的仿真S 参数曲线如图6 所示，与CST 仿真软件得到的结果基本一致.

图6 ADS 等效电路模型和CST 仿真结果对比Fig.6 Comparing of ADS equivalent circuit model and CST simulation

此外，如表2 所示，对比现有的超材料结构，本文设计的结构的尺寸更小，并在较宽的频带内实现了对电磁波良好的调控能力，因此具有小型化和宽频带的特点.

表2 本文与现有超材料结构的对比Tab.2 Comparison of this paper and existing metamaterial structures

2 电磁屏蔽性能测试与分析

2.1 SCPW 传输线结构模型

为了验证高频柔性传输线加载超材料结构进行电磁屏蔽的有效性，设计了工作在5G FR2 频段的SCPW 传输线进行测试.

SCPW 传输线在传统CPW 传输线基础上进行了重新设计，加入了半波长谐振器来调节传输线工作频率，使CPW 结构更适用于高频下的应用场景.

SCPW 传输线主要由共面波导部分和介质基板构成，如图7(a)所示.其中共面波导部分由信号线(I)、接地平面(II)、半波长谐振器(III)构成.如图7(b)所示，增加SCPW 单元数量可自由调节传输线整体长度.在SCPW 传输线结构中，共面波导部分由金属铜构成，电导率为5.8×107S/m，厚度为0.018 mm，介质基板(IV)使用介电常数为3.5、损耗角正切tan δ为0.002 7 的聚酰亚胺材料，厚度为0.05 mm，其他结构参数如表3 所示.由于SCPW 传输线采用超薄铜膜和柔性聚酰亚胺材料，灵活性较好，能够满足柔性电子设备的需求.

表3 SCPW 传输线结构参数Tab.3 Structural parameters of SCPW transmission line mm

图7 SCPW 传输线示意图Fig.7 Structure diagram of SCPW transmission line

2.2 加载超材料结构的传输线结构设计与电磁性能分析

2.2.1 结构设计

超材料结构因其超常的物理性质对电磁波具有良好的调控与吸收能力，通过改变构成材料也可使其满足柔性电子设备灵活性的需求，由于高频超材料容易实现超薄的厚度，因此与高频柔性传输线有良好的适应性.与大部分传统电磁屏蔽方式通过反射来抑制辐射的方法不同，超材料结构具有负磁导率和负介电常数等特性，可以通过调控和吸收电磁波来实现对传输线的电磁屏蔽，因此在高频率下实现良好屏蔽效能的同时可以减低传输损耗，保证信号的传输质量.

加载超材料结构的柔性传输线屏蔽结构由三部分构成，如图8 所示，分别是传输线、介质间隔层和超材料屏蔽层.其中，传输线置于整体结构的底层；超材料屏蔽层位于顶层，由超材料结构单元阵列组成；两者之间是介质间隔层，用于对上下部分进行隔离，并且在传输线和超材料阵列间形成一定距离，保证超材料屏蔽结构能够正常工作.

图8 加载超材料屏蔽结构的传输线示意图Fig.8 Schematic diagram of transmission line loaded with metamaterial shielding structure

SCPW 传输线加载超材料屏蔽结构整体如图9(a)所示，从下至上分别是SCPW 传输线、介质间隔层以及超材料屏蔽层.其中，SCPW 传输线与前文所介绍的结构参数一致；介质间隔层采用与上下层结构一致的聚酰亚胺材料，厚度为0.15 mm，保证整体结构的灵活性；超材料屏蔽层则由12 个超材料单元沿传输线信号传输方向排列构成，如图9(b)所示.

图9 SCPW 传输线加载超材料屏蔽结构示意图Fig.9 Schematic diagram of SCPW transmission line loading metamaterial shielding structure

2.2.2 电磁参数分析

超材料结构可对高频柔性传输线的辐射进行吸收，并改变反射分量的幅度、相位和极化等电磁特性，因此对传输性能的影响较小.SCPW 传输线在增加超材料屏蔽结构前后的S 参数对比如图10 所示，由于超材料结构对传输线的辐射电磁波进行了调控和吸收，有效降低了辐射波的反射分量，与未加载屏蔽结构的SCPW 传输线相比，由于传输线与超材料结构耦合后产生了寄生电容与寄生电感等，超材料结构的工作频带会有一定的偏移，进而影响了传输线在32～34 GHz 的传输特性.且SCPW 传输线在部分频带内损耗有明显增大，谐振点也向低频段有一定的偏移，但在23.49～30.96 GHz 和32.98～38.00 GHz的宽频带内仍保持良好的传输性能.

图10 增加超材料屏蔽结构前后S 参数对比Fig.10 Comparing of S-parameters before and after adding metamaterial shielding structure

2.2.3 屏蔽效能分析

设计的超材料结构对电磁波具有一定的损耗能力，因此在工作频段内可有效抑制高频柔性传输线的电磁辐射.在CST 仿真软件中设置电场探针来模拟3 m 远场辐射测试，并计算各个辐射方向峰值的平均值来分析屏蔽效能.SCPW 传输线在增加超材料屏蔽结构前后的3 m 远场电场辐射强度对比如图11 所示，为了与超材料结构的工作频率匹配，仿真测试时将频率范围限制在22～29 GHz，可以看出在这一频带内无屏蔽结构的SCPW 传输线辐射强度均高于-15 dB V/m，最高值则分布在22 GHz 附近，可达到-13.5 dB V/m.因此，在没有加载屏蔽结构时，柔性SCPW 传输线在工作频段内具有较高的辐射水平，高频辐射对柔性PCB 中其他元件会造成不可逆的影响，影响整个电子系统电磁特性，须要设计屏蔽结构来对SCPW 传输线的辐射进行有效的抑制.

图11 增加超材料屏蔽结构前后电场辐射强度对比Fig.11 Comparison of electric field radiation intensity before and after adding metamaterial shielding structure

使用以下公式计算屏蔽效能：

式中，E0和ES分别是屏蔽前后同一位置的电场辐射值.SCPW 传输线在超材料工作频率范围内屏蔽效能平均可以达到10.10 dB，最高可以达到12.63 dB，因此超材料结构对高频柔性SCPW 传输线的电磁辐射可进行有效降低.

超材料结构对传输线电磁辐射具有良好的抑制作用，一方面，超材料可有效调控电磁波，改变传输线的表面电场分布.SCPW 传输线在增加超材料屏蔽结构前后的表面电场分布对比如图12 所示，无屏蔽时在传输线地线边缘区域表面电场值仍较高，向外的辐射量较大，增加屏蔽结构后表面电场分布范围均有所缩减，被限制在SCPW 传输线的地线区域内.并且，在23 GHz、25 GHz 和27 GHz 三个频率下SCPW传输线的表面电场峰值分别降低了3.0 dB mV/m、2.6 dB mV/m 和0.8 dB mV/m.另一方面，可以形成腔体将电磁波限制在屏蔽结构中.对加载屏蔽结构后传输线整体结构的电场分布进行了计算，结果如图13 所示(频率设置为27 GHz)，可以看出电磁波被束缚在由传输线和屏蔽阵列构成的整体中，超材料结构利用电磁谐振效应对电磁辐射进行了调控和吸收.

图12 增加超材料屏蔽结构前后表面电场分布对比Fig.12 Comparison of surface electric-field distribution before and after adding metamaterial shielding structure

图13 27 GHz 电场分布Fig.13 Electric-field distribution at 27 GHz

3 实测与分析

在进行理论分析与仿真后，为了进一步验证超材料结构对SCPW 传输线灵活性与传输性影响较小的特性，对加载超材料屏蔽结构前后的SCPW 传输线进行了加工，并将导体铜印刷在介电常数为3.5 的聚酰亚胺材料上，实物如图14 所示.对实物进行了灵活性分析，弯曲测试的图片证明了采用柔性介质基板的超材料结构后，仍可保持柔性传输线的灵活性.为了焊接高频SMA 转接器来连接矢量网络分析仪进行S 参数的测量，在加工各类高频柔性传输线时均设计了测试过渡结构.对加工的SCPW 传输线进行测试，实测环境如图15 所示.增加超材料屏蔽结构前后的实测与仿真的S 参数对比如图16 所示，可以看到两者的传输带宽基本一致，但实测的传输损耗有明显增加.仿真与实测结果产生了一定差异，一方面是由于工艺精度不足产生了一定的加工误差，在传输线结构中会引起寄生参数与阻抗不连续性，造成传输损耗增大，在高频下这种效应更加明显；另一方面，焊接SMA转接器设计的过渡结构，以及高频SMA 转接器，都会带来一定的传输损耗.

图14 SCPW 传输线加工实物与弯曲测试Fig.14 Fabrication and bending test of SCPW transmission line

图16 SCPW 传输线仿真与实测S 参数对比Fig.16 Comparing of simulated and measured S-parameters within SCPW transmission line

4 结 论

本文针对高频柔性传输线的电磁干扰问题，提出了一种低反射型辐射屏蔽方案，即采用超材料结构对辐射波进行调控与吸收.整体结构由传输线、介质间隔层与超材料屏蔽层构成，介质均采用柔性材料来保证灵活性.为验证方案的有效性，设计了一种工作在23.10～28.30 GHz 的小型化宽带超材料结构以及工作在5G FR2 频段的高频柔性SCPW 传输线并进行了测试，结果表明超材料屏蔽阵列对于SCPW传输线3 m 远场的电场辐射实现了平均10.10 dB，以及最高12.63 dB 的屏蔽效能，且对传输质量影响较小，可在23.49～30.96 GHz、32.98～38.00 GHz 的宽频带内保持传输性能.在高频下超材料结构还可实现小型化，厚度仅为0.04λ0，使用柔性介质基板可保证柔性传输线的灵活性.因此，在高频柔性电子设备中，使用超材料结构来抑制电磁辐射具有很大的应用潜力.后续工作可以从构建理论模型角度对加载超材料屏蔽结构的高频传输线开展进一步研究.