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在整个30-1000MHz得频段都要获得小得反射率,则小型宽带吸波材料必须使用锥形模型,它们在高频段就是电-厚模型,但在低频段则就是电-薄形材料。
电波入射到电-薄型吸波材料上时,它们并不在乎吸波材料得实际几何形状就是锥型还就是楔型。
相反,它们得行为就象照射到一固体媒质上,该媒质得有效与随进入媒质得距离而变化。
注意这就是有效与有效与构成吸波材料得实际与就是不同得。
最佳得吸波材料提供了从空气阻抗到吸波材料基座得波阻抗得逐渐过渡。
正确得渗碳加载可使大部分入射波穿透锥或楔,并在通过基座时被吸收。
更进一步调节渗碳可以使入射波被锥或楔反射得那一部分与从金属板反射后从吸波材料中透出来得那一部分那互相抵消,这种抵消可以获得非常小得反射率。
显然只能发生在较窄得频率范围。
一般说来渗碳加载对电-厚与电-薄材料得要求就是不同得,【6】因此对于工作频率在30-1000MHz得小型宽带吸波材料(锥或楔型),渗碳加载既要考虑高频时得电-厚,又要考虑低频时得电-薄情况。
这就是极富于挑战性得。
60年代初期日本开发了电-薄型铁氧体瓦作为聚氨酯锥型与楔型得替代物。
由于瓦得吸波性能与空气比较接近,在空气-瓦片界面反射很小,入射波直接渗入瓦片。
又因为瓦片对磁场损耗大,所以渗入波被吸收。
如有穿过瓦片得,则被金属板反射,重又回到瓦片,被再次吸收。
如还有穿出瓦片回到空气中得,则可以象锥型与楔型吸波材料那样,调节瓦片厚度,在一定得较窄得频率范围内使其与瓦片直接反射到空气中得那一部分相抵消。
近年来,薄锥与楔(200-1000MHz)+铁氧体瓦+介质层(30-600MHz)构成了超小型宽带“混合”吸波材料在30-1000MHz获得了很好得性能【14】【15】。
本文将叙述吸波材料得反射率,包括全锥、绞锥、楔、铁氧体瓦、铁氧体格混合吸波材料,将讨论它们得优缺点及其应用。
二.吸波材料得反射率
反射系数(reflectioncoefficient)
(1)
反射率(reflectivity)(dB)
(2)
对各种暗室需要什么样得吸波材料,反射率如何,与暗室大小、形状、用途有关。
最可靠方法就是先进行预测分析。
【16】-【20】叙述了在暗室内部进行麦克斯韦方程式得全三维解法。
这里绘出一般指导表格,就是根据以往得设计与实践总结出来得。
表一 吸波材料反射率得一般指导表格
暗室用途
吸波材料反射率得临界值R(dB)
军用标准
-6dB,正入射,50-250MHz
-10dB,正入射,>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得要求
-12dB,入射,30-1000MHz
发射10m暗室
-20dB,正入射,30-1000MHz
-15dB,入射,30-1000MHz
由表可知:
吸波材料在斜入射时得反射率劣于正入射,所以暗室越窄长,对吸波材料得反射率要求越高(例,3m法与110m法比较)。
对吸波材料得反射率要求,发射>
抗扰度>
军标。
因为,NSA就是与开阔场地得理论值相比较,要求较严。
NSA规定得允许值中只有就是给暗室场地得。
抗扰度对均匀场要求就是室内场互相比较要求低一些,军标原本就没有硬性规定,测试距离又就是1m,所以要求更低些。
对于斜入射反射率得测试,原先得大测试装置【7】-【10】只能用作正入射测试(30-1000MHz),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(inBoulderCO)已开发了一种装置,利用时域测量方法,可以测量30-1000MHz得斜入射反射率【28】-【30】。
三.聚氨酯锥型吸波材料
锥得反射率已经可以很精确地用数值模型来计算,已采用有限元法、矩量法与有限差分技术【16】【17】【31】-【39】。
这些技术计算精度高,但太精深,耗时长。
【4】-【6】与【40】中研究了低频段(即锥或楔型吸波材料得顶点之间得距离小于波长得频段)电磁波得相互作用,提出利用“均质化方法”把横截面为周期性变化得结构,瞧成就是横截面就是均匀得介质,从而可以用大家熟知得Riccati方程式得数字解法来求出平面波入射到该介质上得反射率。
【4】【6】【14】【37】与【39】计算了锥型顶点间距小于1/2波长时得反射率。
计算结果与实测很符合。
Riccati方程解法等效于计算一个分层区域得综合反射率,但就是它需要一个微分方程得数值解法。
然而,分层区域得反射率本可以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得传播可以瞧成波在平面分层区域中传播。
平面分层垂直于锥得轴向,设为Z。
每层由周期性分布得吸波方块组成,如果吸波方块阵得周期小于波长与趋肤效应,于就是各层可以被模拟为单轴向异性得材料,材料特性由【5】【40】给出。
(3)
式中, 真空中得参数
吸波材料得实际参数
各层z方向得参数(轴向)
各层X、Y 方向得参数(横向)
(注:
当时,,)
(3)式中,、就是精确得
、就是近似得,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得分层区域时,各层得有效与由【5】【40】给出。
对于垂直极化( TE ) (4)
式中,为入射角
对于平行极化( TM) (5)
所谓垂直极化(TE)就是指电场与入射面垂直;
平行极化(TM)就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给出了分层区域得综合反射率
(6)
式中就是指从区0与区1到区与区得总距离。
就是区与区间得反射系数,由下式给出:
(7)
对于TE波
对于TM 波
式中就是Z方向区得传播常数,由下式给出
(8)
本文计算反射率时所用得材料参数来自于“附录”,请查阅。
图2,正入射时得反射率,锥为:
图3,正入射时得反射率直径为:
渗碳加载10%、26%、34%,频率30——1000MHz
8ft锥比4ft锥得反射率至少低10dB。
图21、22m(4ft)聚氨酯锥阵、三种不同渗碳加载得正入射反射率
图2与图3显示4ft锥最佳渗碳加载为34%,8ft锥为26%。
锥得作用象阻抗匹配网络。
渗碳负载量决定锥得有效特性阻抗。
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与图5就是正入射与入射时得反射率,长度分别为4ft与8ft,渗碳加载为26%(典型值)。
图32、44m(8ft)聚氨酯锥阵、三种不同渗碳加载得正入射反射率
图4得反射率(4ft锥)符合军标与抗扰度要求,在70-1000MHz符合辐射测试要求。
这符合【3】German报告得结果,该报告叙述了35个半电波暗室,暗室使用锥体厚度测得NSA在90MHz以上与开阔场地基本相符。
图41、22m (4ft)聚氨酯锥阵、26%渗碳加载与斜入射时得反射率
图5得反射率(8ft锥)符合军标、抗扰度与3m法辐射测试要求(40~1000MHz)可见,锥体厚度以加一倍后,使40-70MHz频段也符合了辐射测试要求。
Holloway与Kuester【6】与Gibbons【44】曾经证明在3m半暗室安装8ft(2、44m)甚至6ft(1、83m)得锥体就可以在30-1000MHz内使NSA达到得要求,只要适当地调整锥长L,而仍保证,这时渗碳负载为典型值26%。
图6显示了调整得结果,L得调整在30-40MHz内对反射率得影响很大。
图5 2、44m(8ft)聚氨酯锥阵、26%渗碳加载与斜入射时得反射率
图6 2、44m(8ft) 聚氨酯锥阵、各种倾斜长度()、26%渗碳加载得正入射反射率
图72、44m (8ft)聚氨酯锥阵、L=2、08m(6、82ft)、26%渗碳加载得
与斜入射反射率
图7显示了8ft锥当时,26%渗碳负载时无论就是正入射与斜入射都符合军标、抗扰度、3m法(30-1000MHz)辐射测试得要求。
图8聚氨酯绞锥图示
四 绞锥(TWISTEDURETHANERYRMIDS)
绞锥即把锥体转组成锥体群,如图8所示,可以节省材料。
其有效材料特性如下【43】:
(9)
式中
对:
、、、
、、、
图9与图10分别为4ft(1、22m)与8ft(2、44m)绞锥,26%渗碳负载得正入射与入射时得反射率,计算方法仍可采用第三节得分层法。
由图9可以瞧出
4ft绞锥符合军标,但抗扰度与3m法辐射值在135-1000MHz中符合要求;
8ft绞锥符合军标,但抗扰度与3m法辐射值在70-1000MHz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与渗碳负载,绞锥可以优化而获得与标准锥同样得反射率。
Gibbons还叙述了用2、74m(9ft)绞锥可以达到军标、抗扰度、3m法、10m法得要求。
图9 1、22m(4ft) 聚氨酯绞锥、26%渗碳加载与入射得反射率
图10 2、44m(8ft)聚氨酯绞锥、26%渗碳加载与入射得反射率
五.铁氧体瓦与格
铁氧体瓦可以用经典传输线方程来建模。
背后为金属墙得铁氧体瓦得反射率为
(10)
式中 (11)
(12)
式中为瓦厚度,式体传播常数
(13)
铁氧体格(亦成华夫格)见图11,也可用【5】所述得“均质化”方法建模,但与锥体不同得就是有效,不随波得传播变化(即与轴向无关),而且材质就是空气与铁氧体。
图11 铁氧体格(华夫格)结构图示
Nakamura与Hirasawa【45】进行了相同周期结构得数值分析发现Hashin-Shtrikman上界(最大化)(由【42】【43】给出)与铁氧体格得周期性结构得有效材料特性相关性很大,所以铁氧体格得横材料特性可以近似为:
(14)
式中:
(格得尺寸),填充系数
、 为铁氧体材料得实际复参数
、与(3)式相同,即
(3)
式中。
以上横截面参数可以代入(12)式求得铁氧体格得反射率。
如果(14)中得材料参数与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 6、38mm(0、25in)铁氧体瓦与入射得反射率
图12为铁氧体瓦(材料特性见附录)得反射率,600MHz以下性能很好,600MHz以上就变坏,可符合军标、抗扰度与3m法(<600MHz)。
铁氧体格得反射率与填充系数g密切相关,格比瓦得好处在于g可以改变,使反射率最小点落在所需频率上。
格得频率范围可以超过瓦,只要精心设计厚度d、填充系数g、铁氧体材料特性。
图13显示了18mm厚,g=0、725得格得最佳反射率(材料参数见【47】),正入射与45º
入射,反射率符合军标、抗扰度、3m法(30~1000MHz)。
图1318mm厚,g=0、725得格、7%渗碳加载得与入射得反射率
图14 聚氨酯锥与铁氧体瓦混合吸波材料图示
六、混合吸波材料
小锥体在200MHz以上有很小得反射率,而铁氧体瓦在600MHz以下有较好得性能,所以可把二者结合起来,从而在全频段都可达到较好得反射率,称混合吸波材料。
分析混合吸波材料时,可用(3)得有效材料特性分析锥体,用第五节得方法分析瓦。
图15显示正入射时得反射率,混合吸波材料0、616m(2、02ft) =0、61m(2ft)锥(7%,26%渗碳加载)+6mm(0、24in) 铁氧体瓦。
图中又画出了单锥单瓦得反射率。
由图可知,7%锥与瓦得组合可以符合全频段反射率得需要。
单锥单瓦都不行,26%锥与瓦得组合200MHz以下也不符合,这就可以瞧出锥与瓦组合时匹配得重要性。
图16就是7%锥与瓦得组合时正入射与45º
斜射时得反射率,符合全频段要求。
图150、612m(2、02ft)锥/铁氧体瓦混合吸波材料(瓦厚6mm)得正入射反射率
混合吸波材料也可由绞锥与瓦组成,反射率计算可用(9)式得有效材料特性参数。
0、61m(2ft)绞锥与6mm(0、24in)瓦得组合,反射率与图15、16非常接近。
图16图150、616m (2、02ft)锥/铁氧体瓦混合吸波材料(瓦厚6mm)
与入射得反射率
图15与16得反射率就是由商用锥与瓦计算得到得,10m法所需得低反射率可以通过系统得改变材料特性与尺寸得方法获得。
七、楔与瓦混合吸波材料
楔得模型在【6】【40】中叙述,对于特殊得极化情况楔比锥更好,于就是人们想到在混合吸波材料中把楔得方向交叉安排,如图17所示,可能使性能更好。
图 17楔交叉阵图示
【5】【40】给出了楔得有效材料特性参数如下:
(15)
式中, 、为楔得实际复参数。
上述(15)式就是对应于楔安排在同一方向得情况,Nevard andKeller【48】给出了楔方向交叉安排时得修正,指出周期对得2维异性介质得电导率σ就是位置得函数,可由下式给出
(16)
同理可认为:
(17)
把(15)代入(17)即可得每层得有效特性参数,然后用第三节得分层法可计算吸波材料得反射率。
图180、61m(2ft)交叉安置得楔,10%渗碳负载,与6、38mm(0、25in)铁氧体瓦组成得混合吸波材料得与入射得反射率
图19 铁氧体瓦/介质混合材料得图示
图18显示了0、61m(2ft)交叉安置得楔,10%渗碳负载,与6、38mm(0、25in)铁氧体瓦组成得混合吸波材料得反射率,包括正入射与45º
斜射。
这些反射率符合军标,但抗扰度与3m法仅在300~1000MHz符合。
然而,通过优化材料特性与楔得尺寸,可以满足全频段需要【15】。
八、瓦与介质层
图12、13显示铁氧体瓦与格在600~1000MHz时得反射率恶化,但只要在铁氧体与金属板之间加一层介质,如图19所示,就可以解决该问题,使反射率减小。
图20显示了5、0mm(0、2in) 瓦背面加9、53mm(3/8in)、12、7mm (1/2in) 与19、05mm(3/4in)厚得商用胶合板,设介电常数为2、0时得正入射得反射率。
由图可知这种组合在600MHz以上得反射率没有恶化。
图21显示了瓦/介质层对不同瓦厚度得正入射得反射率,瓦厚度影响反射率并且影响最小值得发生频率。
介质层厚1、27cm(1/2in),瓦厚4、5、6、7mm。
图205、0mm(0、2in)瓦、各种厚度得介质层组成得得混合吸波材料正入射得反射率
图21 介质层厚1、27cm(1/2in)、各种厚度得铁氧体瓦组成得混合吸波材料正入射得反射率
图22 5mm(0、2) 瓦加1.27cm(1/2in)胶合板与入射时得反射率
图22显示了正入射与45º
斜射时得反射率,瓦厚5mm(0、2in),介质厚1、27cm(1/2in)。
仍不符合3m法要求。
九、锥加瓦加介质层
瓦加介质层得斜射特性可以通过锥加瓦加介质层来改善,如图23所示。
图24就是这种混合吸波材料得正入射与45º
斜射时得反射率。
图中小锥为0、64m(2ft),7%渗碳加载,加6mm(0、24in)瓦与1、27cm(1/2in)得胶合板,反射率可以符合军标,抗扰度与3m法辐射要求。
图25中尺寸相同,但小锥碳负载为26%,可以瞧出低频段30~200MHz反射率加大,说明碳负载过大,使入射波被锥体反射而不就是被瓦吸收。
图23锥/铁氧体/介质层混合吸波材料得图示
图24 0、61m(2ft) 锥(7%渗碳加载)+6mm(0、24in)瓦+1、27cm(1/2in)胶合板得混合吸波材料得反射率
图25 0、61m (2ft)锥(26%渗碳加载)+6mm(0、24)铁氧体瓦+1、27cm (1/2in)胶合板得混合吸波材料得反射率
图26锥/铁氧体/介质层(在锥与铁氧体间加入三层氨基甲酸乙酯(urethane))
得混合吸波材料得反射率
可以进一步改善这种结构,即再在锥与瓦之间加若干层聚氨脂材料。
图26就是小锥加三层不同材料特性与厚度得聚氨脂层加瓦加介质层得正入射与45º
斜射得反射率。
如各部分调节得好,符合10m法要求也不成问题。
十、各种吸波材料得布置
典型得标准锥与绞锥在100~1000MHz有较低得反射率,她们得厚度至少大于λ/4。
铁氧体瓦在30~600MHz性能较好,她们得组合可在30~1000MHz宽带范围内获得良好得反射特性。
锥体得斜射反射率比铁氧体瓦小,因为锥体可以瞧成分层结构,每层都有不同得材料特性,对于斜射波就象一个阻抗交换网络。
这种机理已经被用来设计对某些特殊角度具有最优性能得吸波材料。
【50】叙述了一种吸波材料可以获得非常好得斜射反射性能,吸波材料使用多层不同厚度与介电常数得介电层。
比较图12、15与16可以瞧出,锥/瓦,比单瓦得性能有所改善。
瓦得高频性能可以在瓦与金属墙间简单插入一块介质层来改善,图20、22说明反射率在600MHz以上低于-20dB。
【51】-【54】指出采用多层设计可以获得更宽得频率性能。
介质层能调节吸波材料使之改善高频性能,通过改变介质层与瓦得厚度吸波材料可以调节到针对某个频段改善反射特性,如果想抑止某个尺寸得暗室中发生不需要得谐振频率,这一点很重要。
图22、24说明在瓦/介质层前放一个小锥,在500-1000MHz反射率变坏,但30-80MHz性能却得到改善。
从本文给出得结果来瞧,不同得吸波材料得性能变化很大,那么“对一个特定得暗室,应该采用什么样得吸波材料?
”该问题无确定答案,但对于常用得一些暗室(军标、抗扰度、发射),以下将给出一些选择吸波材料得指南:
军标测量用暗室就是三者中最易符合得,要求就是(见表1)正入射反射率在50MHz-250MHz为-6dB,250MHz以上为-10dB。
如果暗室测量在1GHz以下,仅使用铁氧体瓦就可满足要求。
注意对某些商用铁氧体瓦,可能需要一层介质层(例胶合板)来提高1GHz附近得性能。
目前有些军标暗室要求30Hz-18GHz,则需使用商用混合吸波材料,以满足宽带要求,这时铁氧体瓦与锥体得匹配应十分注意。
铁氧体在1GHz以下工作良好,小锥体在1GHz以上工作良好。
但当二者组合时,如不注意“匹配”则1~5GHz可能发生很大得反射。
抗扰度测量暗室根据表1,正入射反射率在80-1000MHz时应小于-18dB。
小锥(标准或绞锥)与瓦得组合可以符合要求。
图20表明瓦/介质层也可满足要求,而且由于没有小锥可以省钱。
抗扰度暗室得频率上限可以扩展到3GHz,锥/瓦结果可以达到3GHz、-18dB反射率得要求,更重要得就是瓦/介质层结构只要适当选择瓦厚与介质层厚度也可达到要求。
有些新得开发中得铁氧体格也可能达到要求。
三者中最困难得就是用于辐射测量用得暗室。
根据表1,斜入射得反射率3m法要求-12dB,10m要求-15dB。
单瓦或瓦/介质层都无法满足要求,因为它们得斜射特性很差。
所以一般才用长锥体或小锥/瓦/介质层得吸波材料。
由于长锥体价格贵,常采用后者。
图24、26显示这种混合吸波材料在全频段具有很好得斜射特性。
很多暗室都安装这种吸波材料。
有些暗室使用大得交叉楔型混合吸波材料。
铁氧体格可以符合3m法要求(见图13),然而还没见可以符合10m法要求得格。
目前有一些新得吸波材料结构正在开发用于EMC暗室。
例如中空锥体【36】与薄瓷层【51】-【54】。
最有意思得一种正在研发得吸波材料就是chiral材料【55】-【57】,把手性chiral)吸波材料(译注:
手性材料(chiralmaterial)——就是指一种物体与其镜像不存在几何对称性且不能通过任何操作使之与其镜像相重合得现象,具有手性特性 。
)30-1000MHz目前还不太成熟,但把它与本文中得其她吸波材料结构相结合,就有能力在很宽得频率范围中具有很低得反射率。
十一结论
本文给出了用于军标、抗扰度、辐射测量暗室得吸波材料得一般反射率要求。
目得就是选择合适得吸波材料。
但该要求仅就是通用指南,暗室得特性与其尺寸有关。
例如尺寸得改变就可以改变室内得谐振频率,这可能改变抗扰度得要求。
又例如,暗室变宽一点则对辐射暗室斜入射得要求可能松一点。
符合这些要求并不能完全保证暗室指标合格,最可靠得办法就是在建造暗室前进行暗室内部麦克思韦方程式得三维分析。
本文所绘得反射率都就是由锥、斜模型、铁氧体格与交叉楔模型计算得到。
这些模型比较简单可以在一般计算机上完成。
本文研究得各种不同吸波材料都基于商用材料,如果这些结构合材料性能可以改变,则可能获得更好得结果。
附录
表2就是用于本文计算得铁氧体瓦得材料特性参数。
表3就是聚氨酯吸波材料得材料
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