近年来，无线技术的快速发展使得空间电磁环境变得越来越复杂。随着电磁辐射能量的加强以及频谱的扩展，电子设备面临日益严峻的电磁干扰问题，极大地影响了电子信息系统运行的稳定性与安全性。光电设备作为电子信息系统的“眼睛”，负责完成成像、预警、测距、瞄准、搜索、跟踪、制导等功能，是现代电子信息系统不可或缺的组成单元。然而，宽带高强度辐射场可以容易地通过光学窗口耦合到电子设备中，从而损害内部精密的光学传感器、光电转换模块、集成电路等，使其出现功能扰乱甚至物理损伤等严重后果。
电磁屏蔽是抑制无序超强度电磁辐射的最有效的措施。采用高导电性材料如金属、导电橡胶等对电磁波进行隔离，可有效控制从一个区域向另一个区域的电磁能量传播。一项具有挑战性的课题是，如何让电磁屏蔽材料在具备应对复杂电磁环境的高屏蔽、超宽带的防护特性的同时，还具有良好的光学透明性，以保证光学信号的有效传输，满足光电系统高质量成像与探测的要求。
现阶段已有大量关于各类透明导电薄膜材料的研究，如透明导电氧化物、透明导电聚合物、超薄金属、金属纳米线、金属网格等。但为了保证获得一定的透明度，这些材料的导电性通常受到限制，导致电磁屏蔽性能较低。虽然通过增加导电组分材料含量或薄膜厚度可以提高屏蔽效能，但材料整体的透明性将不可避免地严重下降。受限于透明电磁屏蔽材料透光率与导电性相互制约的难题，兼具高透光、强屏蔽、超宽带特性的高性能透光电磁防护材料目前依旧难以实现。
图1. 短路微波导阵列透光电磁防护材料设计
针对传统透光电磁屏蔽材料的性能瓶颈，国防科技大学电子科学学院电磁兼容与防护研究团队提出了一种有效解耦光传输与电磁屏蔽的短路微波导阵列的透明电磁屏蔽材料设计方法，联合有研国晶辉新材料有限公司研发出可透过90%以上的可见光、可屏蔽99.9999%的宽频带电磁干扰的材料。
由于微波和光同属电磁波，如何通过材料结构设计来分离不同频率电磁波的传输路径是实现高性能透明屏蔽的关键。研究人员首先在微纳尺度设计了具有“低占空比”及“大高宽比”结构特征的微观截止波导阵列来控制光与微波这两种不同频率的电磁波的传输特性。其中，高频光信号可在微波导阵列腔体内自由通过，而较低频率的微波则会被微波导阵列衰减损耗。
图2. 短路微波导透光电磁防护材料性能
对于电磁理论中的完美短路波导，其短路负载可使所有电磁波反射回去。受此启发，研究人员进一步提出了短路微波导阵列防护微结构构型。将连续透明导电层组合到微波导结构中，构成短路微波导阵列，其中透明导电薄膜用作短路端。短路微波导阵列屏蔽结构可以在材料表面产生有效的电磁反射和衰减，并通过在两个导电层之间激发的多重反射损耗来补偿单独的微波导在较高频率下的屏蔽效能的降低，产生的协同衰减效应可赋予透光防护材料在超宽频谱范围内卓越的电磁屏蔽性能。测试结果表明，所研制的短路微波导阵列透光防护材料在宽频带内(0.2–1.3 GHz & 1.7–18 GHz)平均电磁屏蔽效能高达60.8 dB。且随着频率的变化，短路微波导阵列透光防护材料没有产生明显的屏蔽效能衰减，在宽频带内的获得了均衡稳定的屏蔽特性。同时，得益于各功能组件的高透明度，短路微波导阵列透光防护材料表现出90.4%的高可见光透过率，具有出色的视觉效果。
通过与目前主要的透明电磁屏蔽材料进行综合性能对比发现，尽管一些先进的透明电磁屏蔽材料实现了极高的可见光透过率（超过90%），但对应的电磁屏蔽性能均比较有限，普遍低于40 dB，难以满足更高标准屏蔽应用场景的要求。相比之下，该研究展示的短路微波导透光防护材料在保持高度光学透明的同时，可获得更优异的屏蔽性能，在相同透光率的同时，屏蔽效能有效提高17 dB，综合性能指标达到国际先进水平。
图3.与已报道的各类透明电磁屏蔽材料综合性能对比
论文作者表示，基于该短路微波导阵列的材料设计理念和结构优化策略有效突破了透明电磁屏蔽技术难题，在光电统电磁防护设计中具有重要意义，可为电子信息系统的“眼睛”提供可靠的“护目镜”。
该研究成果以“Shorted Micro-Waveguide Array for High Optical Transparency and Superior Electromagnetic Shielding in Ultra-Wideband Frequency Spectrum”为题，发表在国际学术期刊Advanced Materials Techonologies上，论文作者为Yuanlong Liang; Xianjun Huang*; Jisheng Pan; Wencong Liu; Kui Wen; Duocai Zhai; Peng Shang*; Peiguo Liu。
论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202201532。
来源：电磁兼容EMC
关键词：
透光电磁防护材料
