Kohin M^[18]研究发现，由于金属网栅的周期远大于红外波段的波长，所以金属网栅在红外波段表现为衍射光栅，网栅的光学透过率等于所有衍射级的透过率总和，可以近似用占空比来表示：

其中，g代表网栅周期；2a代表网栅线宽。金属网栅多为连通周期性结构，该结构可以通过计算子单元的占空比来代表整个网栅的占空比。

根据Ulrich R^[19]的研究，连通周期性结构的金属网栅在电磁波段可以等效为LC振荡电路，其导纳为电感性的，所以该网栅又称为感性网栅。在网栅厚度$ \mathit{\text{t}} < < \mathit{\lambda} $，$ 2a < < g $的条件下，电磁波垂直入射时，其归一化导纳为：

其中，$ 2a $为网栅线宽；$ g $为网栅周期；$ f = g/\lambda $为归一化入射频率；$ \lambda $为入射波长；$ {f_0} = 1 - 0.27\left( {a/g} \right) $为归一化谐振频率。

通常情况下，电磁波波长远大于网栅周期，此时感性网栅的归一化导纳近似为：

电磁波透射率表示为：

因为网栅的线宽远小于周期，所以谐振频率$ {f_0} \approx 1 $，谐振波长近似等于网栅周期。在12 GHz−18 GHz波段，根据式（3）可以看出$ {y^2} < < 1 $,金属网栅的电磁波透射率：

电磁屏蔽效能转换为分贝表示：

等效电路模型为金属网栅电磁屏蔽效能的理论计算提供了有效方法，可以利用金属网栅的多个参数来计算出网栅的电磁屏蔽效能，为后续关于金属网栅的性能分析和实验研究提供了有力的理论支持。

使用HFSS仿真软件设计了多个不同参数的金属网栅，根据仿真结果研究每个参数对网栅性能的影响。

设计了线宽为10 μm−40 μm，周期为400 μm的矩形铜网栅，基底为厚度1 mm 的硅片。仿真结果如图2所示。

图2可以看出线宽与金属网栅电磁屏蔽效能的关系，其他参数固定的情况下，线宽每增加10 μm，屏蔽效能提高约1.5 dB，但同时红外透过率下降约6%。增加了线宽会增强网栅的导电性能，提高电磁屏蔽能力，但同时减小了金属网栅的占空比，导致红外透过性能变差。

设计了线宽为20 μm，周期为200 μm−600 μm的矩形铜网栅，基底为厚度1 mm的硅片。仿真结果如图3所示。

图3可以看出其它参数一定的情况下，周期越大，SE越小。且SE的衰减趋势随着周期的增大而减小，根据前面的金属网栅电磁屏蔽特性的理论分析，这是因为周期增大，接近入射波长，更容易发生谐振所导致的。但是周期增大时，也增加了金属网栅的占空比，提高了金属网栅的红外透过率。

由图2、图3和式（1）可以看出，改变网栅的周期或线宽，电磁屏蔽效能和红外透过率会同时发生改变，出现了电磁屏蔽效能和红外透过率互相矛盾的情况，所以在设计金属网栅时不能单一考虑周期或者线宽的大小，要将二者综合考虑。本文在金属网栅占空比不变的前提下设计了4种不同线宽/周期的金属网栅，它们的占空比均为90.25%。四种网栅的线宽和周期分别是10 μm /200 μm、20 μm /400 μm、30 μm /600 μm和40 μm /800 μm。基底为厚度1 mm的硅片。仿真结果如图4所示。

图4可以看出，相同占空比的情况下，线宽和周期越小，屏蔽效能越高。但金属网栅线条太细会导致网栅强度太低，容易出现断线的情况，导致电磁屏蔽效能大幅下降。所以设计制备金属网栅时，要考虑满足使用场景要求，在制备工艺水平允许范围内，将线宽和周期设计的尽量小。

除过金属网栅自身的参数之外，基底也可能会对电磁屏蔽效能产生影响。本文将金属网栅的各项参数保持一样，设计了六种厚度和三种介电常数的基底，研究基底与电磁屏蔽效能的关系，图5、图6为仿真结果。

图5可以看出，加了不同厚度基底的金属网栅，电磁屏蔽效能均有不同程度的下降，表明基底对金属网栅的电磁屏蔽效能有衰减作用。这是电磁波在基底上下两表面反射波的干涉效应所造成的，发生干涉的电磁波频率与基底厚度有关^[20]，所以不同基底厚度的屏蔽效能曲线在12 GHz−18 GHz波段有着不同的震荡现象。

图6可以看出，基底的介电常数越大，电磁屏蔽能力越差，这种现象也是由基底上下两表面反射波的干涉效应引起的。基底的介电常数与折射率成正比，介电常数越大，折射率越大，基底的周围环境是空气，从而上下两表面电磁波的反射率也更大，产生的干涉效应更强，对金属网栅电磁屏蔽效能的衰减作用更明显。所以在设计金属网栅基底时，要依据所要求的频段选择合适的厚度，并且要尽量选用介电常数小的材料。

单层网栅的仿真工作总结了各个参数与电磁屏蔽效能的关系，为金属网栅的设计提供了一些思路和指导。但单层金属网栅各项参数的优化所带来的电磁屏蔽效能提升有限，所以对双层金属网栅进行研究。如图7所示，该网栅结构是由两层金属网栅和一层基底组成，网栅分布在基底的上下两侧并且线条对齐，组成了金属网栅/基底/金属网栅的三明治结构。使用HFSS软件对多种结构参数的双层金属网栅进行仿真，根据仿真结果来探究这些参数与SE的关系。

双层网栅分为同周期网栅和异周期网栅，同周期网栅就是上下两层网栅的周期相同，而异周期网栅就是第二层网栅的周期是第一层的整数倍，如图8，是第二层网栅周期为第一层网栅周期二倍的示意图。

第二层网栅周期的增加可以提高一定红外透过率，但是可能会引起电磁屏蔽效能的降低，本文设计了4个异周期的双层网栅，第一面网栅的线宽为20 μm，周期为600 μm的矩形铜网栅，基底为1 mm厚的硅片，仿真结果如图9所示。

由图9可以看出，四种结构的双层网栅屏蔽效能均优于单层网栅，双层网栅的屏蔽效能随着第二层网栅的周期增大而减小，这种衰减趋势随着周期的增大逐渐平缓，这个现象与增大单层网栅周期的仿真结果相似，均是由于网栅周期增大，接近入射波长，更容易发生谐振所导致的。

影响双层金属网栅性能的影响因素除过第二层网栅周期外，网栅的电磁屏蔽效能也可能与基底厚度有关系，本文设计了6种不同基底厚度的同周期双层网栅，金属网栅的各项参数均相同，基底材质为硅，仿真结果如图10所示。

图10可以看出，基底厚度大于1.5 mm时，双层金属网栅在12 GHz−18 GHz波段的效能曲线出现了剧烈的震荡，存在明显的波峰。波峰位置的屏蔽效能急剧下降，以2 mm厚度的基底为例，最大降幅超过了25 dB。可以看出基底厚度对于双层金属网栅屏蔽效能的影响非常大。这是由于两层金属网栅与基底构成了一个法布里珀罗谐振腔的结构，上下两层金属网栅可以看作是谐振腔的两个平行反射面，基底为谐振腔，入射电磁波在两个网栅之间多次反射，产生干涉，在某些频率附近会发生谐振，导致电磁波透射增强，并且波峰随着基底厚度（谐振腔长度）的增加向低频方向移动。依据谐振腔的性质可以看出，基底的厚度和介电常数均会影双层网栅的屏蔽效能，所以设计双层网栅的基底时，要根据电磁波频段来选用合适的厚度，将谐振峰移动到所要求的频段之外。以12 GHz−18 GHz波段为例，基底厚度小于1 mm，则可以大大减小谐振峰所带来的影响。并且除了移动谐振峰的位置外，还可以选用介电常数较小的基底材料，以此来减小谐振峰强度，从而减小对双层网栅屏蔽效能的影响。

依据仿真工作的研究结果设计了同周期的双层金属网栅，网栅线宽为20 μm，周期600 μm，占空比为93.4%，材质为铜，基底选用厚度0.5 mm的石英玻璃。采用掩膜光刻+真空镀膜的方法制作该网栅，该工艺流程如图11，首先清洁基底，将基底依次放入无水乙醇溶液和去离子水中超声清洗，氮气吹干。然后使用旋转匀胶机将az5214型号光刻胶均匀涂覆在基底表面，涂胶完成后，使用马弗炉进行前烘，待基片冷却至室温后进行第一次掩膜曝光，然后进行第二次烘干（反转烘），冷却后进行第二次全曝光，完成后将基片放入显影液中进行显影，得到光刻图案。然后使用真空镀膜机在样片上镀制铜膜，再将镀完膜的样品放置在丙酮溶液中进行超声清洗，利用丙酮溶液溶解掉多余的光刻胶，最后得到金属网栅。制备双层金属网栅的步骤是先制备一层，然后同样的步骤再制备另一层。

（1）光刻工艺

光刻流程中每一个步骤都影响着最终网栅的成型质量。清洁基底时若未完全去除掉基底表面污染物，会导致后续涂胶不均匀，出现胶层脱落的情况；涂胶时如果匀胶机转速过高，胶层太薄，光刻图案线槽过浅，导致制备出的网栅厚度薄强度低，容易断线；前烘和后烘的温度太高或时间过长，显影后光刻图案线槽内会有残胶，导致光刻图案不清晰，无法进行后续镀膜工作，前烘温度过低或者时间太短时，显影后胶层容易大面积脱落，光刻图案无法使用，一次曝光的时间和二次曝光的时间共同影响着光刻图案的线条质量，若一次曝光时间过长或者二次曝光时间过短，光刻图案的线条会出现由外向内延伸的毛刺，若一次曝光时间过短或者二次曝光时间过长，则会出现相反的情况，图案线条会出现由内向外延伸的毛刺，导致最终金属网栅的线条不平滑，影响网栅性能，显影时间过长胶层附着性会变差，光刻图案扭曲变形，时间过短则显影不完全，光刻图案不清晰。通过理论分析和实验验证确定了一整套工艺参数，如表1。

参数确定后制作光刻图案，然后使用ZYGO白光干涉仪对光刻图案进行形貌测量。如图12为光刻图案的测量结果，可以看出图案表面平整，线条凹槽边缘光滑，凹槽内无残胶且深度大于1000 nm，满足后续镀膜工作要求。

（2）镀膜工艺

光刻图案完成后，进行镀膜。使用真空镀膜机在样片表面镀制铜膜。将样片固定在工件夹具上，镀制面向下，加热电压设定为100 V,烘烤温度为120℃，工件反馈电流设定为5 mA，调节样品支架的转速，这样可以保证膜厚的均匀性。抽真空时先使用机械泵，待箱体内真空度降低至5 Pa时，关闭低阀，打开高阀，使用扩散泵继续抽真空，箱体内真空度达到$ 3\times {10}^{-3} $ Pa时，将枪灯丝电压设定在200 V，加热膜料，待膜料熔融完成后，打开挡板开始镀膜。镀膜完成后依次关闭挡板，束流调零，关闭枪灯丝，关闭烘烤电压，关闭高阀和扩散泵，然后等待冷却取件。样品取出后冷却至室温，使用丙酮溶液除去光刻胶，附着在胶面的金属随光刻胶一同脱落，附着在光刻图案凹槽处的金属膜则保留下来，这样就得到了金属网栅。如图13所示为显微镜下的金属网栅。

（3）双层金属网栅的工艺设计

设计制备双层金属网栅，上下两面网栅线条是对齐的，在垂直方向上红外透过率与单层网栅近似相同，实现红外透过率损失很小的前提下电磁屏蔽效能获得较高提升。制备双层金属网栅时，使用基底打定位孔的方式来将两面网栅线条对齐，如图14所示，在基底上使用激光打三个直径为0.4 mm的贯穿孔，掩膜版上同样的位置做三个同样大小的圆形标记，掩膜曝光时使用显微镜将掩膜版的标记与基底定位孔对齐，这样就保证了两面金属网栅的位置是相同的。

本文采用先制作完成一面金属网栅，然后在基底另一面制作第二面网栅的方法制作双层金属网栅，如图15为制作完成的双层金属网栅。

图15可以看出，上下两层金属网栅线条基本对齐，在显微镜内仅能看到第一面网栅，下层网栅被上层网栅遮挡住，表明该网栅在垂直方向上相较于单层网栅，除过制备误差外，红外透过率不会明显衰减，与设计双面金属网栅的预期效果一致。

（4）双层金属网栅的性能测试

为了对比单层金属网栅和双层金属网栅的性能差异，制作双层金属网栅时，先对第一面网栅的性能进行测量，然后完成第二面网栅的制备，最后测量双层金属网栅的性能。整体流程如图16。

a.红外透过率测量

使用真空式傅里叶变换红外光谱仪对金属网栅3 μm−5 μm波段的红外透过率进行测量，如图17为测量结果。

图17可以看出周期600 μm，线宽20 μm的矩形铜网栅，单层网栅在3 μm−5 μm波段的红外透过率实测值平均为89%左右，双层网栅为86.5%左右，降低了约2.5%。单层网栅的红外透过率略高于双层网栅，这是由于实际制备双层金属网栅时，上下两面网栅线条无法达到理想的对齐状态，出现错位偏差，影响了总体的红外透过率。根据式（1）计算结果金属网栅的红外透过率理论值为93.4%，单、双层网栅的红外透过率的实测结果均低于理论计算结果，一方面是仪器测量存在误差，另一方面是掩膜版的制备误差和光刻镀膜工艺产生的误差均会导致网栅线条实际尺寸略微大于设计尺寸，导致网栅红外透过率实测结果小于理论结果。

b.电磁屏蔽效能测量

使用矢量网络分析仪测量金属网栅的电磁屏蔽效能，并且与仿真结果进行对比，如图18为单、双层金属网栅电磁屏蔽效能测量与仿真结果。

由图18可以看出，周期600 μm，线宽20 μm的矩形铜网栅，单层网栅在12 GHz-18 GHz波段的屏蔽效能仿真值平均约为17 dB,实测值平均约为15.5 dB，相差1.5 dB，双层网栅仿真值平均约为29.5 dB，实测值平均约为26 dB，相差3.5 dB。单、双层金属网栅的仿真结果均优于实测结果，一方面是仿真软件的计算误差；另一方面是因为仿真时金属网栅是理想网栅，而制备的金属网栅存在缺陷，导致网栅屏蔽效能实测值低于仿真值。在实测值与仿真值的差异大小方面，双层网栅的差值明显大于单层网栅，这是因为金属网栅缺陷所引起的屏蔽效能差异会叠加，单面网栅的实测值与仿真值存在一定的差距，若再增加一层金属网栅，这种差距会被放大，所以双层网栅屏蔽效能的仿真结果与实测结果之间的差距比单层网栅大。

本文使用HFSS仿真软件对多种不同参数的金属网栅进行仿真，依据仿真结果分析讨论了每个参数对金属网栅电磁屏蔽效能与红外透过率的影响规律和原因。为了进一步提高金属网栅的电磁屏蔽效能，设计仿真了多种结构参数的双层金属网栅，并对其电磁屏蔽效能曲线的波动现象进行了研究和解释。利用光刻掩膜与真空镀膜技术制备了线宽为20 μm，周期为600 μm双层矩形铜网栅，实测结果表明相较于单层网栅，双层网栅在红外透过率降低了2.5%的情况下，实现了电磁屏蔽效能约10 dB的提升。在数据处理过程中，从网栅的制备工艺和仿真环境等多个方面对实测与仿真结果进行对比分析，给出了实测与仿真数据的差异来源。从数据变化趋势来看，无论是实测结果还是仿真结果，双层金属网栅在红外透过率衰减很小的情况下，电磁屏蔽效能均获得了明显提升，表明上下网栅线条对齐的双层网栅结构是实现兼顾高红外透过和强电磁屏蔽的一个有效途径。