各种吸波材料的比较.pdf

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1、各种吸波材料的比较 Christopher L Holloway 沙斐翻译 一 前言 最早暗室（全电波）建于 50 年代，用于天线测量。吸波材料由动物毛发编制而成，外涂一层碳，厚 2 英寸（）。在10GHz 正入射时，反射系数为-20dB。60 年代，以上的吸波材料被新一代、由一定形状的吸波材料所取代，正入射时反射系数为-40dB。目前普遍使用的聚氨酯锥体 40 年代就开始研究，60 年代才有产品。正入射时的反射系数为-60dB。然而可使用的频率范围较高，要求锥体的厚度（尖顶到基座）至少是几个波长。电-厚锥体的良好性能主要来源于锥体直接的良好多重反射。由于锥体的厚度大于波长，锥体的周边反射入射

2、波。波在相邻的锥体间不断的反射，再反射很多次。每次反射时总有一部分波被锥体吸收。因此，仅有小部分抵达锥体基座。基座吸收后到达金属板，金属板反射后又进入锥体，再通过多重反射和吸收。最后从锥体的尖返回的波已是非常小了。电-厚锥体的最佳性能的获得，依靠锥体内渗碳加载的调节，要求碳负载足够小，以便每次波反射时进入锥体的波尽可能多，但渗碳加载又要足够大，以便充分吸收进入锥体的波的能量。半电波暗室最早用于 70 年代，作为开阔场地的替代场地，测量辐射发射。频率范围为 301000MHz。但最早暗室中粘贴的典型的吸波材料厚度为 36 英尺（）。显然在 30MHz 的频率上，厚度不可能是几个波长。因此暗室的频

3、率范围被限制在 901000MHz。3090MHz 频段的吸波材料开发缓慢，因为无法预测和测量电-薄吸波材料（即厚度250MHz 抗扰度-18dB，正入射，80-1000MHz 符合场均匀性要求 发射 3m 暗室-18dB，正入射，30-1000MHz 符合归一化场地衰减 NSA 的要求-12dB，45入射，30-1000MHz 发射 10m 暗室-20dB，正入射，30-1000MHz-15dB，45入射，30-1000MHz 由表可知：吸波材料在斜入射时的反射率劣于正入射，所以暗室越窄长，对吸波材料的反射率要求越高（例，3m 法和 110m 法比较）。对吸波材料的反射率要求，发射抗扰度军标

4、。因为，NSA 是与开阔场地的理论值相比较，要求较严。NSA 规定4dB的允许值中只有1dB是给暗室场地的。抗扰度对均匀场要求是室内场互相比较要求低一些，军标原本就没有硬性规定，测试距离又是 1m，所以要求更低些。对于斜入射反射率的测试，原先的大测试装置【7】【10】只能用作正入射测试（301000MHz），如果用拱形架测试【26】【27】斜入射也只能测600MHz 以上频段。美国 NIST（in Boulder CO）已开发了一种装置，利用时域测量方法，可以测量 30-1000MHz 的斜入射反射率【28】【30】。三聚氨酯锥型吸波材料 锥的反射率已经可以很精确地用数值模型来计算，已采用有限

5、元法、矩量法和有限差分技术【16】【17】【31】【39】。这些技术计算精度高，但太精深，耗时长。【4】【6】和【40】中研究了低频段（即锥或楔型吸波材料的顶点之间的距离小于波长的频段）电磁波的相互作用，提出利用“均质化方法”把横截面为周期性变化的结构，看成是横截面是均匀的介质，从而可以用大家熟知的 Riccati 方程式的数字解法来求出平面波入射到该介质上的反射率。【4】【6】【14】【37】和【39】计算了锥型顶点间距小于 1/2 波长时的反射率。计算结果和实测很符合。Riccati 方程解法等效于计算一个分层区域的综合反射率，但是它需要一个微分方程的数值解法。然而，分层区域的反射率本可以

6、用经典传输线方法得到【41】。本文将使用分层方法计算。根据“均质化方法”，电波在锥型吸波材料区域中的传播可以看成波在平面分层区域中传播。平面分层垂直于锥的轴向，设为 Z。每层由周期性分布的吸波方块组成，如果吸波方块阵的周期小于波长和趋肤效应，于是各层可以被模拟为单轴向异性的材料，材料特性由【5】【40】给出。(1)(1)2()1(1)(1)2()1(1)(1)zoazoaaotooaaotooagggggggggg （3）式中，o o真空中的参数 a a 吸波材料的实际参数 z z各层 z 方向的参数（轴向）t t各层 X、Y 方向的参数（横向）2zgL（注：当zL时，zta，zta）（3）式

7、中，z、z是精确的 t、t是近似的，称为 Hashin-Shtrikman 公式【42】以上方程精度为 5【43】。平面波入射到一个轴向异性的分层区域时，各层的有效和由【5】【40】给出。2sinooeffyzeffx 对于垂直极化(TE)（4）式中，为入射角 2sinooeffyzeffx 对于平行极化(TM)（5）所谓垂直极化（TE）是指电场与入射面垂直；平行极化（TM）是指电场与入射面平行。图 1 标准聚氨酯锥（氨基甲酸酯 urethane）示意图【41】（利用经典传输线理论）Kong 给出了分层区域的综合反射率 201ozoj k de 10011102()220121201111zz

8、zzjkkdj k dj k deee 21111212()22122112111zznnzzjkkdj kdj kdnneee 1112()21221111nznnznznnznjkkdnnj k dntj k dnneee （6）式中nd是指从区0和区1到区n和区1n的总距离。1nn是区1n和区n间的反射系数，由下式给出：11111nnnnnnpp （7）111nznznnnznzkpk 对于 TE 波 111nznznnnznzkpk对于 TM 波 式中nzk 是 Z 方向区n的传播常数，由下式给出 nzeffeffk （8）本文计算反射率时所用的材料参数来自于“附录”，请查阅。图 2，

9、正入射时的反射率，锥为：1.22(4)1.02(40.16)()0.2(7.87)()mftmin Lmin D 图 3，正入射时的反射率直径为：2.44(8)2.10(82.67)()0.34(13.33)()mftmin Lmin D 渗碳加载 10、26、34，频率 301000MHz 8ft 锥比 4ft 锥的反射率至少低 10dB。图 2 (4ft)聚氨酯锥阵、三种不同渗碳加载的正入射反射率 图 2 和图 3 显示 4ft 锥最佳渗碳加载为 34，8ft 锥为 26。锥的作用象阻抗匹配网络。渗碳负载量决定锥的有效特性阻抗。碳负载过高则阻抗变化（从自由空间到吸波材料基座）太陡峭，引起入

10、射波从锥尖附近区域反射。反之，渗碳负载过低，则入射波透入锥体后不被吸收，从而被金属墙反射。图 4 和图 5 是正入射和45入射时的反射率，长度分别为 4ft 和 8ft，渗碳加载为 26（典型值）。图 3 (8ft)聚氨酯锥阵、三种不同渗碳加载的正入射反射率 图 4 的反射率（4ft 锥）符合军标和抗扰度要求，在 701000MHz符合辐射测试要求。这符合【3】German 报告的结果，该报告叙述了35 个半电波暗室，暗室使用锥体厚度0.9(3)2.0(6.6)mftmft测得 NSA 在90MHz 以上与开阔场地基本相符。图 4 (4ft)聚氨酯锥阵、26渗碳加载0和45斜入射时的反射率 图

11、 5 的反射率（8ft 锥）符合军标、抗扰度和 3m 法辐射测试要求（401000MHz）可见，锥体厚度以加一倍后，使 4070MHz 频段也符合了辐射测试要求。Holloway 和 Kuester【6】和 Gibbons【44】曾经证明在 3m 半暗室安装 8ft（）甚至 6ft（）的锥体就可以在 301000MHz 内使 NSA达到4dB的要求，只要适当地调整锥长 L，而仍保证8LDft，这时渗碳负载为典型值26。图6显示了调整的结果，L的调整在30-40MHz内对反射率的影响很大。图 5 (8ft)聚氨酯锥阵、26渗碳加载0和45斜入射时的反射率 图 6 (8ft)聚氨酯锥阵、各种倾斜长

12、度（L）、26渗碳加载的正入射反射率 图 7 (8ft)聚氨酯锥阵、L=、26渗碳加载的 0和45斜入射反射率 图 7 显示了 8ft 锥当2.08(6.82)Lmft时，26渗碳负载时无论是正入射和斜入射都符合军标、抗扰度、3m 法（301000MHz）辐射测试的要求。图 8 聚氨酯绞锥图示 四 绞锥（TWISTED URETHANE RYRMIDS）绞锥即把锥体转45组成锥体群，如图 8 所示，可以节省材料。其有效材料特性如下【43】：00zag 1211 1ln 111 1ln 11tmffff （9）式中 对 12zL：0m、2zfL、22zgL、0a 对 12zL：ma、2 1zfL

13、、21 2LzgL、0a 图 9 和图 10 分别为 4ft（）和 8ft（）绞锥，26渗碳负载的正入射和40入射时的反射率，计算方法仍可采用第三节的分层法。由图 9 可以看出 4ft 绞锥符合军标，但抗扰度和 3m 法辐射值在 1351000MHz 中符合要求；8ft 绞锥符合军标，但抗扰度和 3m 法辐射值在 701000MHz 中符合要求；虽然绞锥不如正规锥体好（图 4，图 5），但 Gibbons【44】显示采用不同几何形状和渗碳负载，绞锥可以优化而获得与标准锥同样的反射率。Gibbons 还叙述了用(9ft)绞锥可以达到军标、抗扰度、3m 法、10m 法的要求。图 9 (4ft)聚氨

14、酯绞锥、26渗碳加载 0和45入射的反射率 图 10 (8ft)聚氨酯绞锥、26渗碳加载0和45入射的反射率 五铁氧体瓦和格 铁氧体瓦可以用经典传输线方程来建模。背后为金属墙的铁氧体瓦的反射率为 ZZ （10）式中 （11）2211ddeZe （12）式中d为瓦厚度，式体传播常数 j （13）铁氧体格（亦成华夫格）见图 11，也可用【5】所述的“均质化”方法建模，但与锥体不同的是有效，不随波的传播变化（即与轴向无关），而且材质是空气和铁氧体。图 11 铁氧体格（华夫格）结构图示 Nakamura 和 Hirasawa【45】进行了相同周期结构的数值分析发现 Hashin-Shtrikman 上

15、界（最大化）（由【42】【43】给出）与铁氧体格的周期性结构的有效材料特性相关性很大，所以铁氧体格的横材料特性可以近似为：00112112aaaagtaggtag （14）式中：22agp(格的尺寸)，填充系数 a、a 为铁氧体材料的实际复参数 z、z与（3）式相同，即 0011zazagggg （3）式中22agp。以上横截面参数可以代入（12）式求得铁氧体格的反射率。如果（14）中的材料参数与 Keller 定标理论互相交换（）则（3）就得到了（Hashin-Shtrikman 下界，由【42】【43】给出）。图 12 铁氧体瓦0和45入射的反射率 图 12 为铁氧体瓦（材料特性见附录）的

16、反射率，600MHz 以下性能很好，600MHz 以上就变坏，可符合军标、抗扰度和 3m 法（600MHz）【28】【30】NIST 利用时域法测量斜入射反射率（301000MHz）【16】【17】，【31】【39】采用有限元法、矩量法、有限差分法计算锥的反射率【4】【6】【14】【37】【39】计算锥顶间距小于2时的反射率【41】用经典传输线方法计算分层区域的反射率【5】【40】【42】【43】单轴向异性材料的特性计算【3】35 个半电波暗室使用不同长度锥测得的 NSA 结构【6】【44】3m 法暗室中使用 8ft 锥并调整锥长后测得的 NSA 结果【43】【44】绞锥的计算【47】铁氧体的材料参数【5】【6】【40】楔的计算【48】【15】楔瓦的计算【50】【54】多层设计的混合吸波材料计算【36】中空锥体（新型）【55】【57】chiral 材料