X帶吸波涂層的無反射曲線法設(shè)計(jì)

摘 要:本文根據(jù)電磁波吸收原理，以環(huán)氧樹脂為基材，炭黑為吸收劑，采用無反射曲線方法對(duì)X帶單涂層電磁波吸收材料進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制備。研究表明，炭黑濃度為0.086g/ml，厚度為2.6mm的涂層，在X帶(8～12GHz)，-10dB吸收帶寬達(dá)到55%以上，最大吸收為-17dB。本研究對(duì)設(shè)計(jì)與制備不同頻帶電磁波吸收涂層具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:吸波涂料X帶無反射曲線設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)06(a)-0008-03

伴隨著信息技術(shù)和電子工業(yè)的迅速發(fā)展，各種電子設(shè)備日益增多，電磁頻帶使用逐漸加寬，電磁波污染也日益嚴(yán)重，電磁波控制材料尤其是吸收材料的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為國內(nèi)外科技與產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)問題[1，2，3]。目前，針對(duì)雷達(dá)波段電磁輻射的控制一般采用涂料和板材形式。涂料以其附著結(jié)構(gòu)表面，與結(jié)構(gòu)一體化和少占空間等特點(diǎn)被廣泛使用。吸收涂料主要采用樹脂基材與吸收劑復(fù)合進(jìn)行制備，吸收劑非常重要，一般采用介電材料或者磁性材料[4，5，6]。

根據(jù)電磁波吸收理論進(jìn)行電磁波吸收材料的設(shè)計(jì)與制備是新材料制備能有效縮短吸波材料研制的周期，提高實(shí)驗(yàn)工作的效率，是吸收材料制備的技術(shù)關(guān)鍵[7]。傳統(tǒng)方法一般先測(cè)量吸收劑的電磁參數(shù)，然后進(jìn)行間接計(jì)算，設(shè)計(jì)缺乏準(zhǔn)確性。本文對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，直接測(cè)試電磁波吸收涂層的介電常數(shù)，然后采用電磁波吸收的無反射曲線方法進(jìn)行涂層設(shè)計(jì)[8，9]，并制備出新材料。研究表明，摻炭黑濃度為0.086g/ml，厚度為2.6mm的涂層在X帶(8～12GHz)，-10dB吸收帶寬達(dá)到55%以上，最大吸收為-17dB。本研究對(duì)設(shè)計(jì)與制備不同頻帶電磁波吸收涂層具有重要的實(shí)際意義。

1 電磁波吸收理論

1.1 阻抗匹配設(shè)計(jì)原理

從電磁學(xué)原理可知，電磁波從自由空間進(jìn)入介質(zhì)材料內(nèi)部，要想實(shí)現(xiàn)好的吸波性能不僅需要材料具有大的介電損耗，還要求各層材料的阻抗實(shí)現(xiàn)相互匹配，達(dá)到最佳的電磁波吸收效果，這就是阻抗匹配原理。在數(shù)學(xué)處理上，一般采用電磁場(chǎng)傳輸線理論來模擬計(jì)算[8，9]。當(dāng)電磁波垂直人射時(shí)，多層吸波材料(見圖1)的第與第層界面處的輸入阻抗為

由多層材料的輸入阻抗可計(jì)算反射率吸收量(dB):g

1.2 無反射曲線方法[9]

1.2.1 無反射曲線理論

當(dāng)時(shí)，則電磁波無反射，對(duì)單層吸收體有

(1)式為垂直入射時(shí)的無反射方程

我們可以得到實(shí)部和虛部的兩個(gè)方程

解得得到到多次解，即無反射曲線，如圖2所示。

圖2曲線上標(biāo)出的數(shù)字是的值。可以看出出，電磁波無反射時(shí)，介電常數(shù)虛部與實(shí)部同增同減，即無反射時(shí)隨頻率的增加介電常數(shù)實(shí)虛部分都要相應(yīng)的增大。所對(duì)應(yīng)的值隨介電常數(shù)的增大而變小，即在厚度d一定的情況下，頻率越大越易于高頻段的吸收。同時(shí)N最小值是1，表明某一頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)厚度最小值，若小于這一值則不可能實(shí)現(xiàn)無反射。

另外，從圖中可看出隨著無反射曲線條數(shù)的增加，相同所對(duì)應(yīng)的逐漸減少，而逐漸增加，增加后所對(duì)應(yīng)的厚度就會(huì)增加，尤其是在低頻段，會(huì)得到很大的厚度，這在實(shí)際應(yīng)用上是行不通的，在高頻段很小相應(yīng)厚度要小一些，一般來說，高頻段的吸收要比低頻段的吸收體要薄，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可以注意這其中的變化。

設(shè)計(jì)電波吸收體時(shí)，首先要確定需要吸收的頻帶，然后在無反射曲線上查找材料的電磁參數(shù)，然后進(jìn)行材料實(shí)驗(yàn)配比，調(diào)制材料實(shí)際電磁參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定出，并求平面軌跡，然后求出軌跡與無反射曲線的交點(diǎn)。同時(shí)從公式中的的值可決定材料的厚度，從而獲得了滿足無反射條件之下的電波吸收體。圖3為單層介電材料模型[12]。采用環(huán)氧樹脂為基材，炭黑為吸收劑，介電常數(shù)為、厚度為d進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用涂刷法，根據(jù)GB/TI1927-1992標(biāo)準(zhǔn)，在大小為180mm×180mm的金屬板材上，分別制備厚度2.5mm的涂層樣品A，B，C，炭黑濃度分別為0.057g/ml，0.086g/ml，0.114g/ml。利用同軸管法分別測(cè)出10GHz時(shí)的電磁參數(shù)，并在無反射曲線上確定最近的點(diǎn)，如圖4所示。

其中，★點(diǎn)代表測(cè)出在10GHz頻率下，不同摻碳量環(huán)氧樹脂的電磁參數(shù)。由圖可知，當(dāng)摻碳黑濃度0.086g/ml時(shí)黑點(diǎn)和無反射曲線最接近，此時(shí)。由于我們針對(duì)的是8～12GHz的波段，所以根據(jù)可計(jì)算確定出在1.2mm和3.0mm之間[10，11]。為了在整個(gè)X波段取得較好的吸波效果，我們選擇2.5mm的厚度。利用Agilent E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)制備好的試樣采用平板反射法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖5所示。在8～12GHz波段整體都有一定吸收，但樣品B的效果最好，在-10dB以下，帶寬達(dá)60%以上，最大吸波峰為-17dB。圖中也可看出，理論模擬值和實(shí)驗(yàn)值基本吻合。

按照樣品B的配比，制備不同厚度d的吸波涂料樣品D，E，F(xiàn)，厚度分別為2.2mm，2.5mm，2.7mm。電磁波吸收測(cè)試結(jié)果如6所示。圖上可知E，F(xiàn)樣品在X波帶的吸收效果都較好，-10dB以下帶寬都在55% 以上。隨著厚度的增加峰值向低頻移動(dòng)，D樣品由于厚度不足，吸收峰偏離X帶中心。

2 10GHz電磁波吸收材料的設(shè)計(jì)

從前面的研究結(jié)果可以看出，模擬設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相當(dāng)吻合。因此，以此方法，可以很容易地設(shè)計(jì)出主峰在X帶上任意位置的吸收材料。考慮X帶在8～12GHz，中心在10GHz，我們進(jìn)行吸收主頻率在F=10GHz的單層電磁波吸收體設(shè)計(jì)，為下一步制備X帶寬頻電磁波吸收材料打下基礎(chǔ)。

在不改變基體材料的條件下，只需要調(diào)整材料的厚度就可進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算表明，10GHz吸收材料厚度為0.26mm。模擬吸收?qǐng)D如圖5所示，-10dB以下吸收寬度達(dá)到55%，中心在10GHz。

3 結(jié)語

本論文采用電磁波吸收無反射曲線方法進(jìn)行了X帶吸波涂層的設(shè)計(jì)與制備，研究表明;

(1)無反射曲線方法理論明確，容易操作，簡單實(shí)用。

(2)無反射曲線方法的關(guān)鍵是對(duì)電磁波全吸收時(shí)，要盡可能調(diào)節(jié)材料的電磁參數(shù)使其與無反射曲線進(jìn)行擬合，偏離無反射曲線則吸波效能就差。

(3)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，炭黑摻雜濃度為0.086g/ml時(shí)涂層的介電常數(shù)，接近無反射曲線，制備的吸收樣品在X帶吸收較好，-10dB吸收帶寬達(dá)到55%以上，最大吸收為-17dB。

(4)采用無反射曲線方法，可以很容易地設(shè)計(jì)出主峰在X帶上任意位置的吸收材料。即可進(jìn)行任意固定頻率吸收涂層的設(shè)計(jì)。

本研究只是提出新的方法，并進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)與制備。對(duì)單層電磁波吸收體，還需要進(jìn)一步提高材料的吸收性能，材質(zhì)方面也還需要進(jìn)一步調(diào)整，并降低產(chǎn)品成本。

參考文獻(xiàn)

[1]郝萬軍，電磁妨害の測(cè)定と對(duì)策[R]，日本宮城縣産業(yè)技術(shù)センターのEMC技術(shù)報(bào)告，仙臺(tái)，2001(3):1～30.

[2]李世濤，喬學(xué)亮，陳建國.納米復(fù)合吸波材料的研究進(jìn)展[J].宇航學(xué)報(bào)，2006，27(2):317.

[3]劉順華，劉軍民，董星龍.電磁波屏蔽及吸波材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:50-80.

[4]胡傳炘.隱身涂層技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:183.

[5]Nie Y，He H H，Gong R Z，et al.The electromagnetic cha-racteristics and design of mechanically alloyed Fe-Co parti-cles for electromagnetic-wave absorber[J].J Magn MagnMater，2007，310(1):13.

[6]周克省，黃可龍，孔德明，等.吸波材料的物理機(jī)制及其設(shè)計(jì)[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32(6):617.

[7]橋本修.電波吸収體の技術(shù)と応用[M]．東京ＣＭＣ出版，2004.P:1～20.

[8]橋本修.「電波吸収體入門」[M]．東京，日本森北出版社1997.P:30～50.

[9]內(nèi)藤喜之.「電波吸収體」[M]．東京，オーム社:1987.P:20～40.