網格法在雙涂層吸波材料設計中的應用

韓海生 張海豐 裴魏魏

（佳木斯大學理學院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

隨著科學技術的發展，屏蔽與抗干擾和隱身技術的吸波材料的研究是未來發展的方向之一，也是打贏現代戰爭的基本技術保證之一。目前國內外對吸波材料研究存在性能低、密度大、頻帶窄等缺點，探索無污染、寬頻、質輕、耐環境性高效吸波材料是當務之急；多數論文對單層介質吸波進行研究，為達到理想效果犧牲了介質厚度，少數論文對多層介質進行分析，對電磁參數的變化對發射率的影響研究也較少；本文利用三維網格法與全貌分析方法整體上對某一電磁參數的影響進行分析，[1-4]同時對多層結構的放置順序與參數進行了網格法分析，研究結果對電磁屏蔽材料的計算機輔助優化設計提供了理論支撐，不僅能提高材料外形設計的效率而且提高材料的吸收效果，還能有利于新材料的探索研究。

1 吸波材料的吸波原理

吸波材料的吸波機理是通過材料的介質把投射到它表面的電磁波能量轉化為熱能或其他形式的能量，達到損耗電磁波能量的目的。具有復磁導率與復介電常數吸收型吸波材料對電磁波實現吸收損耗，干涉型吸波是利用入射波與反射波進行干涉相消達到吸收效果。由于不同材料的微觀結構和各類化學成分不同，材料的阻抗與電磁參數也不相同，材料通過電磁波時極化和磁化的程度也不相同，為了減少反射波，需要在不同的截面實現阻抗匹配，為了增加介質的吸收需要增加介質的吸收系數，工程上一般利用材料介電常數與極化介電常數，磁導率與磁化磁導率來計算吸波材料的反射和傳輸特性。[5-9]

2 、反射系數公式推導

設空氣的介電常數和磁導率分別為0rε和0rμ，電磁材料的介電常數和磁導率分別為rε和rμ，入射電磁波從空氣射入照射在吸波材料上(如圖1)，根據電磁場麥克斯韋方程與邊界條件可知垂直入射電磁波界面的反射系數為

圖圖11 吸吸波波材材料料示示意意圖圖

當電磁場作用在吸波材料上時，電磁場磁化和極化電磁材料，附加電場與磁場反作用于原電磁場，引起波阻的變化，從而影響材料的吸收性能。材料內部的電感應強度D、磁感應強度B與電場強度E、磁場強度H之間的關系是:

公式（6）可以看出隨著εr′和μr′的增大tanδ增大，也就是說εr′和μr′越大吸波性能越好。[10-12]。

所以

同理可得耗介質輸入阻抗inz 應為復數形式，即

根據電磁理論，介質層內電場的表達式可寫成如下的形式：

其中 α2=k2z=k2cosθ2

σ2= k2x=k2sinθ2，A為表示入射電磁波振幅，B為反射電磁波振幅。這里忽略了 e-iωt因子。按照阻抗的定義磁場的切向分量可寫為

這樣將公式（17）代入（1）式，就得到了反射系數公式

則相應的功率反射率 Rp（dB）可以由下式給出

3 利用網格法討論參數對反射率的影響

利用網格法對影響后反射率的電磁參數進行分析，如圖圖圖2、圖3所示，從圖中可以看出當介質厚度小于4mm時，后反射率隨著介電常數εr1、磁導率μr1的變化不明顯，隨第一層介質的厚度變化不明顯。

圖2 介電常數和介質厚度與后反射率網格曲線

圖3 磁導率和介質厚度與后反射率網格曲線

對于雙涂層介質來說，當介質的厚度小于2mm時后發射率隨介質的厚度增加而增加，而且后反射率隨介質的厚度變化顯著，當介質的厚度大于 2mm時，后反射率不隨厚度變化而變化，可以看成波損主要是入射波與發射波在界面的疊加衰減引起的，介質的吸收起次要作用。

圖4 介質厚度d1和d2與后反射率網格曲線

圖5 介質厚度d1和頻率f與后反射率網格曲線

圖6 電磁參數M值變動時吸波材料Rp-d曲線

利用三維網格法我們得到了滿足廣義匹配規律的表面百分比反射率0(%)R同電磁參數r1μ和r1ε的等高線；通過對曲線的研究分析得出M越大曲線在低頻段的遞減速率越大，在高頻段平穩的越快；當1＜M時的一些曲線出現振蕩，后發射率和頻率之間的規律性差。

4 結論

從網格法分析及廣義匹配規律可知，引起后發射率變化的主要因素有表面入射波與發射波的疊加損失與介質的吸收損失；當涂層厚度較小時波的疊加與吸收的作用顯著，在材料的電磁參數選取方面要選取電損耗 ε較小的材料；當介質層達到一定厚度時增加介質厚度不會改變吸收效果；對于多層材料的研究將會進一步改善材料的電磁屏蔽效果，這也為后續科研工作的開展指明了方向。