发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高性能封装辐射吸收结构，充分利用结构层间电耦合，实现结构极高的小型化程度，实现结构谐振频率对入射电磁波的完全不敏感。本发明适用于现代商用通信、封装产品或者芯片的片上以及片外的器件辐射抑制设计，其单元尺寸与厚度极小，谐振频率在0～80°的入射角度范围内稳定不变。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

所述吸收体包含多个紧密排列的周期单元结构，每个周期单元结构主要由一个谐振单元、一层有耗介质层和一层金属背板依次层叠构成，谐振层与金属背板分别位于有耗介质层的两侧；所述周期单元结构包括顶层谐振单元P₁、有耗介质层D₂和底层金属背板G；顶层谐振单元P₁贴于有耗介质层D₂上表面，底层金属背板G贴于有耗介质层D₂下表面。

所述谐振单元P₁包括顶层金属贴片M₁、介质板D₁和底层金属贴片M₂，以及连接顶层金属贴片M₁和底层金属贴片M₂之间的金属过孔V₁组成；顶层金属贴片M₁贴于介质板D₁上表面，底层金属贴片M₂贴于介质板D₁下表面；所述金属过孔V₁位于谐振单元P₁的几何中心。

所述顶层金属贴片M₁包括四个顶层半圆金属贴片A₁、A₂、A₃、A₄以及连接金属过孔V₁和其中两个顶层半圆金属贴片A₁、A₂的顶层金属条带L₁₁、L₁₂；四个顶层半圆金属贴片A₁、A₂、A₃、A₄分别位于顶层金属贴片M₁四边处，且四个顶层半圆金属贴片A₁、A₂、A₃、A₄圆心分别位于顶层金属贴片M₁四边的中点，四个顶层半圆金属贴片A₁、A₂、A₃、A₄的直径边分别和顶层金属贴片M₁四边重合；四个顶层半圆金属贴片A₁、A₂、A₃、A₄其中相邻的两个分别经顶层金属条带L₁₁、L₁₂连接到金属过孔V₁，每条金属条带均沿自身所连接的顶层半圆金属贴片的圆心和金属过孔V₁之间的连线布置，两条顶层金属条带L₁₁、L₁₂宽度与金属过孔V₁直径相同；两条顶层金属条带L₁₁和L₁₂的中部均被切开并分别覆盖布置电阻片R₁、R₂，顶层金属条带的中部被切开后的两部分通过电阻片连接。

所述底层金属贴片M₂包括底层半圆金属贴片B₁、B₂、B₃、B₄以及连接金属过孔V₁和其中两个底层半圆金属贴片B₃、B₄的金属条带L₂₁、L₂₂；四个底层半圆金属贴片B₁、B₂、B₃、B₄分别位于底层金属贴片M₂四边处，且四个底层半圆金属贴片B₁、B₂、B₃、B₄圆心分别位于底层金属贴片M₂四边的中点，四个底层半圆金属贴片B₁、B₂、B₃、B₄的直径边分别和底层金属贴片M₂四边重合；四个底层半圆金属贴片B₁、B₂、B₃、B₄其中相邻的两个分别经底层金属条带L₂₁、L₂₂连接到金属过孔V₁，每条金属条带均沿自身所连接的底层半圆金属贴片的圆心和金属过孔V₁之间的连线布置，两条底层金属条带L₂₁、L₂₂宽度与金属过孔V₁直径相同；底层金属贴片M₂中布置底层金属条带L₂₁、L₂₂的两个底层半圆金属贴片B₃、B₄经金属过孔V₁轴向投影到顶层金属贴片M₁上对应的两个底层半圆金属贴片A₁、A₂并不布置顶层金属条带L₂₁、L₂₂，使得底层金属条带L₂₁、L₂₂和顶层金属条带L₂₁、L₂₂相错开布置。

所述顶层半圆金属贴片A₁、A₂、A₃、A₄和底层半圆金属贴片B₁、B₂、B₃、B₄均为半圆形且尺寸大小相同。

所述的高性能封装辐射吸收结构中，同一列的周期单元结构中的各个谐振单元P₁相连接，同一列的周期单元结构中的各个谐振单元P₁中的顶层半圆金属贴片A₁、A₃之间连线和底圆形贴片B₁、B₃之间连线均平行布置，使得同一列相邻两个谐振单元P₁中，一个谐振单元P₁的顶层半圆金属贴片A₃、底层半圆金属贴片B₃分别和另一个谐振单元P₁的顶层半圆金属贴片A₁、底层半圆金属贴片B₁各自对接拼成完整的两个圆形贴片；同一行的周期单元结构中的各个谐振单元P₁相连接，同一行的多个谐振单元P₁中的顶层半圆金属贴片A₂、A₄之间连线和底圆形贴片B₂、B₄之间连线均平行布置，使得同一行相邻两个谐振单元P₁中，一个谐振单元P₁的顶层半圆金属贴片A₄、底层半圆金属贴片B₄分别和另一个谐振单元P₁的顶层半圆金属贴片A₂、底层半圆金属贴片B₂各自对接拼成完整的两个圆形贴片。

所述的介质板D₁、D₂采用Fr-4板材，介电常数为4.3，介质损耗角正切值为0.025。

所述电阻片R₁、R₂为阻性薄膜。

所述的入射于高性能封装辐射吸收结构的电磁波频率为5GHz-15GHz。

本发明技术方案下，入射到所述封装辐射吸收体的自由空间中电磁波在全角范围内变化时，对特定入射频率的电磁波产生选择性，吸收频点始终保持在10GHz不变，从而实现对芯片系统杂散信号的抑制。

本发明可应用于现代商用通信、封装产品或者芯片的片上以及片外的器件辐射抑制。

本发明是一个集成了超材料的吸收体，当自由空间中电磁波入射到所述吸收体的谐振单元时，会对特定入射频率的电磁波产生选择性，使得工作频段信号在谐振单元处激励出电流，由于结构背面存在金属背板，电磁波不能通过结构；由于谐振单元表面金属条带上放置了阻性薄膜，工作频段激励电流经过时产生损耗，实现电磁波的吸收。

具体实施中，本发明顶层的阻性薄膜对激励电流有较大的损耗能力，从而降低了谐振频率上电磁波的反射，而带外电磁波则在结构上完全反射。通过谐振单元上的金属圆片引入了一个极大的电容，使得结构相比于传统超材料吸收体有更好的小型化程度。本发明的高性能移动通信天线罩可应用于5G等现代商用通信、封装产品或者芯片的片上以及片外的器件辐射抑制。

本发明的吸收体工作原理如下：

当空间中电磁波以不同角度到达结构表面时，结构上会激励起不一样的模式，使得结构的等效参数由于入射角变化而发生变化，从而使得结构的性能发生改变，特别是谐振频率发生变化，为了克服入射角度问题，本发明借鉴强耦合频率选择表面的设计概念设计吸收体表面的超材料谐振结构，提升结构的角度稳定性能；

谐振单元的强耦合设计概念为，在单元结构的几何中心布置一个金属过孔V₁，分别以单元四个侧边的中心为圆心布置半圆贴片，左右并联排布或者上下并联排布的单元结构间可以组合成金属圆片，又由于本设计采用一层很薄的介质层，因此，顶层与底层所对应的圆形金属之间存在很强的耦合作用，将电场始终束缚在两个圆片中间，从而形成强耦合电容，在斜入射时，该强耦合也不会被入射的电磁波所改变，始终保持稳定模式，故而所提出高性能封装辐射吸收体的谐振单元具有很好的角度稳定性能，也使得吸收体本身具有很好的角度稳定性。

对于谐振单元，根据针对的场极化情况可以将其分为x极化子单元和y极化子单元。y极化子单元包括金属顶圆形贴片A₁、A₃和底圆形贴片B₁、B₃，金属过孔V₁，金属条带L₁₁、L₁₂，电阻片R₁；x极化子单元包括金属顶圆形贴片A₂、A₄和底圆形贴片B₂、B₄，金属过孔V₁，金属条带L₁₁、L₁₂，电阻片R₂；两个子单元关系为y极化子单元以金属过孔V₁的轴为轴逆时针旋转90°得到x极化子单元。两者分别针对x、y极化，且对另一种极化方式不产生影响。

以y极化为例分析结构等效电路，如图4所示。在谐振频率10GHz处，电场完全被束缚于位于上侧的周期单元结构的半圆形贴片A₃、B₃和位于下侧的周期单元结构的半圆形贴片A₁、B₁对接拼成完整的圆形贴片中从等效电路的角度出发，其可以等效为大电容Cs。电流主要集中在金属条带L₁₁和L₁₂以及金属过孔V₁上，分别可以等效为电感L”、L’、L’_v。由于引入阻性薄膜，其可以等效为一个电阻R，从而构成了等效的串联RLC谐振电路，从而在谐振频率附近产生大电流，使得该频段的入射电磁波被反射，同时由于R的存在电磁波也被吸收，减少了电磁波反射的能量。

当电磁波入射到频率选择表面上时，从能量角度考虑，可分为三部分：透射能量T(w)，反射的能量R(w)和吸收的能量A(w)。因此，可以得到吸收能量：A(w)＝1-R(w)-T(w)＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²。由于金属背板的存在，故其传输系数S₂₁＝0，此时的反射系数S₁₁便决定了结构的吸收性能。而想要实现完全吸收，需要使得S₁₁＝0，此时便可实现该模型对相应频段信号的完全吸收。对于应用了超材料的吸收体，介质厚度远小于波长，更一般的会将其作为传输线上的并联集总参数电感，只要设计的超材料谐振单元与介质并联后可以实现结构的阻抗匹配，就能使得结构有较好的吸波能力。从等效电路的观点，在谐振频点处在等效电路上具有较大的电流，由于存在阻性薄膜相当于串联电阻，电流穿过电阻产生热能实现了能量的损耗。

本发明的有益效果是：

本发明高性能封装辐射吸收体采用了层间的强耦合机制实现超材料谐振单元的超小型化设计，最终单元尺寸约为0.07λ，从而使得在狭小空间内仍可以布置大量的单元实现近似无限周期结构，此外，该结构厚度极薄，吸收体整体厚度为0.02λ，有利于布置于对结构厚度有严格限制的小型化与集成设计场景，同时该小型化程度仍适用于传统PCB工艺进行加工生产，降低了发明的生产成本。

本发明的结构可以等效为一个LC串联谐振电路，在谐振频率10GHz附近产生谐振使得谐振单元表面金属产生感应电流，在金属耦合片见产生强的感应电场，通过薄膜电阻的电导损耗和有耗介质的介电损耗，-10dB抑制角度达到了50°且增加继续增加入射角也保持了谐振频率的稳定，实现了对入射电磁波的全角不敏感性。

设计结构中有重大突破，在现代商用通信、封装产品或者芯片的片上以及片外的器件辐射抑制等领域应用价值巨大。

综合来说，本发明适用于超小型化、超薄结构以及宽入射角稳定的高性能封装辐射吸收体设计，其谐振频率能够在全角范围[0°～90°)内保持不变，突破了传统超材料吸收体结构对入射角度敏感的限制，给高性能吸收体器件设计提供设计方案与理论指导。在现代商用通信、封装产品或者芯片的片上以及片外的器件辐射抑制等领域应用价值巨大。