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中文摘要 射频吸波材料波导测试法装置的研制 袁力指导教师：蒋全兴 东南大学机械工程学院电磁兼容研究室 摘要 射频吸波材料是指能够吸收入射的电磁波并将其电磁能转换成其他形式能量的一类材料。射频 吸波材料最早应用于军事领域，现在也越来越广泛地应用在民用领域。 在电磁兼容( e m c ) 领域，射频吸波材料有着广泛的应用。例如在电波暗室中需要根据不同的 条件选用不同的吸波材料，吸波材料的电磁特性直接关系到电波暗室能否满足e m c 测试对环境的要 求，所以如何测量以及评价吸波材料的性能，一直备受关注。在不同频段，吸波材料的测量方法分 为：拱形法、空间驻波法、密闭波导法、低频同轴线反射法等。 本课题的任务是研制一台密闭波导测试法装置，使其能够在6 0 0 m h z i g h z 频率范围内对吸波 材料的吸波性能进行测试，具有很大的工程应用价值。 装置设计的重点和难点在于其中的同轴一波导转换器的设计，利用高频仿真软件h d s s 建模仿 真，通过仿真优化设计，确定同轴一波导转换器的尺寸和结构，最后将加工出来的同轴一波导转换 器的实测性能与仿真曲线做对比，两者吻合得很好。装置中波导段的设计主要考虑使波导中的波阻 抗与自由空间的波阻抗尽可能地接近，再考虑到试样尺寸、场地大小，最后确定整个装置的尺寸和 结构。在吸波材料实际测试中，利用矢量网络分析仪的时域门技术，可以将由于装置结构不连续引 起的反射和多次反射的影响滤除，从而得到吸波材料真实的吸波性能。使用时域门时，门的选择对 测试结果有较大的影响，必须根据不同的材料和测试频率范围而确定。目前，该装置已用于吸波材 料的上程测试。 关键词：射频吸波材料电磁兼容波导测试法同轴一波导转换 t h e d e v e l o p m e n to fe n c l o s e d - w a v e g u i d em e a s u r e m e n t f o r r a d i o f r e q u e n c ya b s o r b e r y u a nl i s u p e r v i s o r ：j i a n gq u a n - x i n g e m cl a b ，s c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n gc h i n a a b s t r a c t r fa b s o r b e ri sat y p eo f m a t e r i a lw h i c hc 8 1 1a b s o r bi n c i d e n te l e c t r o m a g n e t i cw a v eb yc h a n g i n gi ti n t o o t h e rf o r m so f e n e r g y r fa b s o r b e rw a sf i r s t l yu s e di nm i l i t a r yf e l d n o wi ti sw i d e l yu s e di nc i v i lf i e l d r fa b s o r b e ri sw i d e l yu s e di ne l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) f o re x a m p l e ，t h ea b s o r b e ru s e d i na n e c h o i cc h a m b e ri ss e l e c t e da c c o r d i n gt od i f i e r e n tc o n d i t i o n s t h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e ro f r f a b s o r b e ri ss i g n i f i c a n tt oe m ct e s t s s o i t i tsi m p o r t a n tf o ru st ot e s ta n de v a l u a t er fa b s o r b e li nd i f i e r e n t f r e q u e n c yr a n g e ，t h em e t h o du s e df o rr fa b s o r b e rt e s t si n c l u d e ：a r c hm e t h o d ，t i m e - d o m a i nr e f l e c t i v i t y a p p r o a c h t h ee n c l o s e d - w a v e g u i d em e t h o da n d1 0 w - f r e q u e n c yc o a x i a lr e f l e c t o m c t e rm e t h o d t h ea i mo ft h es u b i e c ti st od e v e l o pe n c l o s e d - w a v e g u i d em e a s u r e m e n te q u i p m e n tf o rr fa b s o r b e r t e s t si nt h ef r e q u e n c yr a n g e 矗o m5 0 0 m h z t o1 g h z i nt h ee q u i p m e n t , c o a x i a l - t o - w a v e g n i d ea d a p t e ri sc r i t i c a l ，a n di ti sd e s i g n e db ys i m u l a t i o nu s i n gt h e s o f t w a r eh f s s 1 1 1 er e s u l to f a c t u a lm e a s u r e m e n to f t h ec o a x i a l - t o w a v e g u i d ea d a p t e ri sa n a s t o m o t i cw i t h s i m u l a t i o n 1 1 1 ew a v ei m p e d a n c ei nw a v e g n i d es e c t i o ni sc l o s e dt 0t h a ti nf r e es p a c e t h es i z eo fs a m p l e s a n ds p a c ei sa l s ot a k e ni n t oa c c o u n t t i m e d o m a i ng a t et e c h n i q u ei su s e dt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c e so f r e f l e c t i o n sd u et ot h es t r u c t u r a ld i s c o n t i n u a t i o na n dm u l t i p l er e f l e c t i o n s a n df i n a l l yt h ec h a r a c t e ro fl u 曲s o r b e ri sa c c e s s e d t i m e d o m a i ng a t ei ss i g n i f i c a n tt ot h er e s u l t s oj ts h o u l db ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt o d i 仃b r e n tm a t e r i a la n df r e q u e n c y n o wt h ee q u i p m e n th a sb e e nt a k e ni n t ou s e k e y w o r d s ：r fa b s o r b e le m c ，w a v e g u i d em e a s u r e m e n t , c o a x i a l - t o - w a v e g u i d ea d a p t e r 东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：遮应日期：耋鱼z 垂组理 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：煮瘦 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 本章阐述了课题的研究背景，指出了论文的主要研究内容，方法、意义以及论文的结构编排。 1 1 课题的研究背景和意义 随着科学技术尤其是无线电技术的飞速发展，电磁波在生产和生活中得到越来越广泛的应用， 在改善人类生活的同时，其伴生的电磁辐射对人类身体健康产生危害，电磁污染日益严重。同时现代 战争中武器的的电磁生存环境日益恶劣。所谓吸波材料是指能够吸收、衰减入射的电磁波，并将其 电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉而抵消的一类材料【i l 。 吸波材料最早用于军事目的，称为“隐身材料”，作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效 手段，己被当今世界各国视为重点开发的军事高新技术，被应用于飞机、舰艇、导弹等武器系统中。 现在，吸波材料的麻_ j 与研究已经远远超出军事应用范围，更广泛地埘丁i 电波暗室、电磁屏蔽，电 视广播、电子器件及微波辐射防护等许多方面。 射频吸波材料在电磁兼容( e m c ) 领域有着广泛的应用。吸波材料在e m c 领域中的应用，为e m c 技术的发展起到了很重要的促进作用。例如在电波暗室中需要根据不同的条件选月j 不同的吸波材料。 电波暗室作为电磁兼容性试验较理想的测试场地，不受天气和环境电磁干扰的影响，它是在普通电 磁屏蔽室的基础上，在内壁、天花板，地板( 视情况而定) 上装贴电磁波吸收材料，使得室内尽可 能无反射波存在，模拟开阔场地测试条件，避免由反射而引起的较大测量误差。射频吸波材料性能 的好坏直接影响电波暗室的性能，吸波材料的电磁特性直接关系到电波暗室能否满足e m c 的测试对 环境的要求，所以吸波材料的特性如何测量及评定，一直是备受关注的问题。 根据 i e e er e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o rr a d i o - f r e q u e n c y ( r na b s o r b e re v a l u a t i o ni nt h er a n g eo f 3 0i v i - i zt o5g h z ) 以及g j b 5 2 3 9 - 2 0 0 4 射频吸波材料吸波性能测试方法，针对不同频段，吸波材 料采用的测量方法有所不同，例如：拱形法、空间驻波法、密闭波导法、低频同轴线反射法等。拱 形法用于测量吸波材料在大于1 0 h z 频段内，不同的入射角和极化方式下的吸波性能；密闭波导测 量法适用于在6 0 0 m i - i z 1 g h z 的频率范围内利用少量试样对吸波材料的吸波性能进行测试与评价； 低频同轴线反射法采用方形同轴线测试装置对吸波材料的低频吸波性能进行测试与评价。为了准确 选用射频吸波材料，通常测量射频吸波材料在常见排列方式下的吸波性能等信息。 吸波材料的密闭波导测试法在国外一些研究机构和公司早有研究应用1 2 j ，由于我国对吸波材料 研究起步较晚，密闭波导测试法在国内尚未发现其他单位正式使用的报道。波导法能够在一定的角 度变化范围内模拟被测材料在不同入射角下的吸波性能，具有测试所需的试样数目较少的优点，适 合于材料生产商对产品进行质量监测以及不同材料在相同测试状态下的比对，具有很大的工程应用 价值。 1 2 课题研究内容 本课题主要对射频吸波材料的波导测试法进行研究，并研制了一台波导测试法装置。波导测试 法主要埘于6 0 0 m h z i g h z 频率范围，在这个频率范围内，波导内部的电磁场仍比较均匀且被集中 在有限的空间区域，因此利用波导测试法进行吸波材料吸波性能测试，不受边缘散射的影响，对试 样尺寸的要求降低。 课题的研究内容如下： 首先了解射频吸波材料的物理机制及其主要性能参数，从中看出哪些参数对材料吸波性能的影 响较为关键，还简要介绍了一下吸波材料在电磁兼容领域的应用。在此基础上，介绍了一下国军标 东南大学硕士学位论文 和i e e e 相关标准中关于吸波材料测试的各种方法，分析了一下各种方法的适用频率，以及优缺点。 本课题的一个重点是研制一台波导测试法装置，在设计过程中，使用了高频结构仿真软件h f s s 辅助 优化设计。 同轴一波导转换段的设计是关键，其性能直接影响到整个系统的性能。通过建模仿真，找出影响 i 司轴一波导转换器的各个因素，以及这些因素是如何影响器性能的。最后通过设定各个因素的范围， 利用h f s s 的扫描仿真功能，得到满足设计要求的结构、尺寸，并将实测曲线与仿真曲线做对比。 波导段的设计应使波导中的波阻抗与自由空间的波阻抗尽可能地接近，并考虑到试样的大小， 最终确定波导段尺寸。波导段由于以金属板短路，腔体内会形成谐振，由于结构的不规则，其谐振 频率点无法计算得到，最终通过实测得到。 在使用波导法测试时，利用矢量网络分析仪的时域门技术，可以虑除由于结构不连续产生的反 射和多次反射的影响，得到吸波材料真正的吸波性能。 1 3 论文的结构编捧 第一章是绪论，介绍论文的研究背景、主要研究内容、结构编排 第二章介绍吸波材料相关知识： 第三章介绍射频吸波材料吸波性能常用测试方法； 第四章详细论述波导法装置的设计与制作； 第五章介绍波导法的测试 第六章为结论与建议。 2 第二章吸波材料简介 第二章吸波材料简介 吸波材料是指能够吸收、衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉 而抵消的一类材料。吸波材料最早用于军事目的，称为“隐身材料”。现在电磁波的应用极为广泛， 早己超出了军事的范围，在改善人类生活的同时，其伴生的电磁辐射对人类身体健康也产生了损害。 所以吸波材料在电视广播、电子器件及微波辐射防护等民用领域的研究日益受到重视i 】j 。 吸波材料在电磁兼容( e m c ) 领域也有着十分广泛的应用，例如：微波暗室、电磁屏蔽等。本章 主要介绍吸波材料的物理机制、主要参数，以及影响材料吸波性能的因素。 2 1 吸波材料的物理机制 介质损耗角正切( t a n6 ) 、复介屯常数( s ) 和复磁导率( ) 等参数是保证材料原始组成和 整个材料吸收电磁波的基本物理特性，是评价吸波材料性能的主要参数。 2 1 1 电路模型及损耗因子【3 】 吸波材料的物理机制是材料对电磁波实现有效吸收，电磁波能量入射到介质中被迅速衰减变成 其他形式的能量( 主要是热能) 。其损耗机制在宏观上可用简单的r c ，r l 等效电路来理解。对于二端无 源网络，复电压u 、复电流，、复阻抗z 分别为： 眨2 砜p 2 泣， 【j = 洄啪 “ 乞：；u ：堡( 纯嘲( 2 j j o 令阻抗z = 砺儡，电压与电流相位差p = 钆卿，则2 = z e s , 。二端无源网络的电流、电压的矢量 分解示意图如图2 1 所示。 二端电路的瞬时功率以o 、平均功率芦分别为： ，( f ) = f ( ，) “( f ) = 厶u 0c o s ( c o t + ) ( 2 1 3 ) 式中：f ( f ) 、“( f ) 分别为瞬时电流、瞬时电压 歹= ；r 即) 西= l ，o w o c o s 矿2 彤c o s 矿 ( 2 1 4 ) 图2 1 电流、电压分解示意图 3 东南大学硕士学位论文 对纯电阻，伊= 0 ，户= i u = 1 2 r = u 2 r ； 对纯电容或电感，矿= 要，p = o ，不吸收功率。 式( 2 1 4 ) 可改写为： 尹= l i 工j 或争= i u h旺1 曲 式中1 = l c o s 妒，= u c o s o ，为有功电流，“为有功电压，上= ，s j n 妒为无功电流， u = u s i n p 为无功电压。 仅厶或“对功率有贡献，上式中的尸称为有功功率( ，看) 。无功功率为： 毪= l u 或岛= q ( 2 1 6 ) 二端电路复阻抗为：z = z e 9 = z ( c o s 口o + j s i n o ) = r + j x ( 2 1 7 ) 令伊= ： 一艿( 其中万为损耗角) ，则由式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 可以得到损耗因子 t a n 8 = 1 妒= f p 无= s s i = uv | u l = r x 乜1 硝 式中：r 、玢别为复阻抗的实部和虚部 2 1 2 吸波材料的复介电常数与复磁导率【4 】 复介电常数( 占) 和复磁导率( ) 是吸波材料电磁特性的两个基本参数，是评价吸波材料性 能优劣的主要依据。 占= 占l - ，s ” = l j , u ” ( 2 1 9 ) 上式中的复介电常数和复磁导率的实部( 和) 分别为吸波材料在电场或磁场作用下产生的 电极化或磁化程度的变量。复介电常数的虚部”为在外加电场作用下，材料电偶矩产生重排引起损 耗的量度；复磁导率的虚部”为在j l 自l l 磁场作用下，材料磁偶矩产生重排引起损耗的量度。可见， 吸波材料的能量损耗是主要由介电常数和磁导率的虚部”和“决定。因此，研究吸波材料的吸波性 能时必须充分考虑复介电常数和复磁导率的影响。 2 1 2 1 复介电常数 以充满电介质的电容器为例，引入复介电常数。理想电容器在交变电压下，电流比电压的相位超 前2 ，容器不吸收功率，无能量损耗。实际上，介质有损耗可用r c 并联或串联电路来等效，如图2 也 所示，此时电流超前电压的相位为伽 4 第二章吸波材料简介 罕却寸 ( a ) 介质电容器 设电容器上电量亘= o o e j ，则 ( b ) 并联等效电路( c ) 串联等效电路 图2 - 2 介质电容器等效电路 ，= 警= 归亘= 脚d = j m 8 , c o o ( 2 1 1 。) 其中复相对介电常数o 。r = - j 6 , ”，则： i = j 僦r c o o - i - o ) 6 r n c o o = i l + iv 乜1 1 1 ) 如果仅考虑介质有一定电导作用，可将电容器等效为有分流作用的尺c 并联电路，如图2 2 ( b ) ，则 7 = 0 1 2 = d ( 1 哗+ j c o c p ) ( 2 1 1 2 ) 其中，郧，c p 为并联等效电阻和等效电容。比较式( 2 1 1 1 ) 和( 2 1 1 2 ) 得： = 去川= 丢 亿舯， 式中，”为相对复介电常数的实部和虚部。损耗因子为： t a n 万2 叫2 丽1 ( 2 川 由式( 2 1 1 3 ) 可知，若砟越小，导电性大，则鼻”大，t a i l 万大，引起的材料损耗也越大。 如果仅考虑介质极化作用，极化有改变电容器电压的作用，可等效为有分压作用的船串联电路， 如图2 2 ( c 1 ，则： 正临碡u ( 玛+ - _ 二_ ) ( 2 1 1 5 ) t a n 8 = q ”。= 甜咚r s ( 2 1 1 6 ) 反复极化如同某种“摩擦”，由式( 2 1 1 5 ) 、( 2 1 1 6 ) 可知，尼越大，”大，伽l j 大，则损耗大。 舨映了反复极化引起的损耗。 由此可见，r c 并联和串联电路模拟的是两种不同的损耗机制，r c 并联电路反映介质有电导作用 的损耗，r c 串联电路反映反复极化的损耗。在实际中两种损耗同时存在。 东南大学硕士学位论文 2 1 2 2 复磁导率 以充满介质的螺线管为例，三= 一厶，理想线圈在交变电压下，电压相位比电流超前口但，不吸 收功率，无能量损耗。实际上，功率有损耗，可用r l 串、并联电路等效，如图2 3 。 r ； ( a ) 并联等效电路 设线圈上交变电流j = 1 0 e j “，则 o ：毛笔：j 稚：j r m 啦 西。 ” 图2 - 3 介质线圈等效电路 其中复相对磁导率= 以l j a t ”，则： u = ( m 以k + 胁”国厶) ， 扎良j 焉1 。奇莳 一十一i 1 1 i 1 i 邱- ，鸣i 而j 十i ：万i t a i l j = 肛”所= ( 呜) 廓 ( b ) 串联等效电路 ( 2 1 1 7 ) ( 2 1 1 8 ) ( 2 1 1 9 ) ( 2 1 2 0 ) ( 2 1 2 1 ) t a n 8 = 所”以= 马( 鸣) ( 2 1 2 2 ) 皿串联和并联等效电路也反映了两种不同损耗机制。由式( 2 1 2 0 ) 可知，并联等效时，损耗因子 切1 1 jo c l 耳，即与介质电导率成正比。实际上，是变化的磁场产生涡旋电场作用于介质中载流子引 起涡流损耗，导电率越高，涡流损耗越大。导电率不仅影响s ”的数值，而且是影响以”的重要因素。 串联等效时，t jo c b ，b 等效于一种“摩擦”作用，反映动态磁化过程中的阻尼。吸波材料实 际作用时，两种损耗同时存在，都对以”有贡献。由磁感应强度b 与磁场强度珊q 关系b = 一风可 知，磁损耗角j 也正是丑相对于脯后的位相( 即磁滞现象) ，位相滞后越大( 磁滞越大) ，损耗越 大。 对上述r c ，皿交流等效电路，介质中存在交变电磁场，与交变电磁场入射到介质中的损耗情况 类同。介质对电磁波的吸收同样可用损耗因子、复介电常数、复磁导率进行描述。”，以”的数值 6 兰三兰堕垫塑整笪坌 体现了电磁损耗的大小；其次，损耗与电磁波频率有关。在多种损耗机制并存时，材料对电磁波的吸 收作用可根据体情况用合适的电路模型等效，可得到电磁波频率与损耗因子的关系。 2 2 影响材料吸波性能的因素5 u 6 i i 1 在实际的吸波材料研制与测试过程中发现，良好的吸波材料必须具备两个条件：一是电磁波入 射到吸波材料表面时，其能量损耗尽可能大；二是吸波材料的阻抗与电磁波的阻抗匹配旧。所以射 频吸波材料要获得满意的吸波性能，需要考虑的两个关键因素：波阻抗匹配和电磁损耗。 z 2 1 波阻抗匹配 影响吸波材料吸波性能的一个关键因素是波阻抗的匹配，如果吸波材料表面对电磁波反射系数 ，卸，则投射到材料表面的电磁波能最人限度地进入材料进而被吸收。 由电磁理论8 1 可知，垂直入射介质时，如图2 4 所示。 波阻抗为z = h = 赢 图2 4 电磁波对媒质界面垂直入射 尚谢瑚一。雁= 雁黼渤收 当介质1 为空气时，所l = 1 ，e r l = l ，t i p 所2 = 2 。 此外，还有一种厚度为乏，刍的窄带谐振型吸收层( 其中，n 为材料折射率) ，使得吸波材 辩表面反射系数f = o 。这实际上是介质上、下表面反射的电磁波干涉相消的结果。 2 2 2 材料的电磁损耗 电磁波在介质中传播系数 ，2 瓦i 丽2 * r f 乒两2 口+ j p ( 2 2 2 ) 式中：a 称为衰减常数，口称为相移常数。材料的衰减常数与频率有关，频率越高，衰减常数越大。 墨 岛 文d 东南大学硕士学位论文 因此，吸波材料只需满足最低频率的要求即可。 对于t e m 波，进入到吸波材料，其能量损失为： q ( 功2 而舞严 伍2 3 ) 式中：z 为介质的波阻抗，真空的波阻抗为1 2 0 f ，一般介质中z = 1 2 0 口刀；。晶为入射场强，纪为 入射波与法面所成夹角。 当材料的s ”和”很大时，口很大，电磁波能量转化为热能或其他形式的能量，从而电磁波在 介质中被最大限度地吸收。 总之，要增加介质的吸波效能，必须提高”和以”。其基本途径是提高电导率，增加极化“摩擦” 和磁化“摩擦”，同时要满足阻抗匹配条件。对单一组元吸收介质，阻抗匹配和强吸收很难同时满足， 满足以= 的材料也难以找到。只有将多元材料复合，使电磁参数可调，才能尽可能在满足匹配条件 下提高材料吸收损耗能力。尽管提高介质电导率是增大损耗的重要手段( 电导率大，电阻型损耗大) ， 但当电导率到达金属所具有的电导率时，反射系数成近于1 ，将远离匹配。金属作为吸收剂一般以细 粉状态复合到其他介质( 如聚合物基体) 中，使吸波材料不呈现金属特性。据分析，存在一个合适的电 导率，使材料的回波损耗率最低。 2 3 吸波材料在电磁兼容中的应用 吸波材料在电磁兼容领域的应用主要可以归纳为以下几个方面例： ( 1 ) 微波暗室材料，将炭系导电材料或铁氧体材料制成棱锥或楔形，贴装在室内的四面和顶 上( 地面是否安装视情况而定) ，可用于建造无反射的微波暗室，可以模拟开阔场地，是进行电磁兼 容测试的理想场地。 ( 2 ) 将吸波材料用在电子设备中，可以减少电磁干扰引起的电子设备或系统误动作。 ( 3 ) 将吸波材料用在波导或同轴衰减器的吸收负载上，作为微波衰减器，具有良好的吸收性 能和稳定性。 ( 4 ) 电磁防护材料，可以把吸波材料用在手机、电视、计算机、服装等上面，以减少电磁波 辐射对人体的伤害。 ( 5 ) 建筑吸波材料，把具有吸波功能的混凝土材料用于建筑行业，以减少高大建筑物的电波 反射作用，提高广播、电视播放质量。 8 第三章射频吸波材料性能测试方法 3 1 概述 第三章射频吸波材料性能测试方法1 1 0 1 1 1 1 1 射频吸波材料吸波性能的好坏直接关系到电波暗室的性能能否满足电磁兼容测试对环境的要 求，因此对吸波材料吸波性能进行科学、准确的评估不仅对材料制造商在材料研制和生产过程中的 质量控制有着重要的指导意义，而且可以为建造电波暗室选用吸波材料提供准确的依据。 射频吸波材料在实际应用时并非以单片材料单独使用，而是大面积地装贴在反射面上以控制多 路径反射。为此，在暗室的设计及吸波材料的选用过程中必须了解射频吸波材料在常见排列方式下 的吸波性能等信息，即在平行与正交两种极化方式下、以不同角度入射时( 从垂直入射到近于平行 入射) ，反射系数的幅值和相位信息。 吸波材料制造商一般只给出电磁波垂直入射时吸波材料反射系数的幅值。但许多射频吸波材料 仅在近乎止交入射时才有较高的反射率，且对极化方向很敏感，因此这些有限的信息阻碍了吸波材 料在实际鹿刚中的性能评估。缺少反射系数的相位信息时，便无法将入射信号与环境的反射进行恰 当的处理。所以对射频吸波材料的测试非常必要。 根据i e e es t dl1 2 8 1 9 9 8 r e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o rr a d i o - 行e q u e n c y ( r f ) a b s o r b e re v a l u a t i o ni n f i l er a n g eo f 3 0 m h z 5 g h z 以及g j b5 2 3 9 2 0 0 4 射频吸波材料吸波性能测试方法，吸波材料性能 测试方法归纳起来重要有以下几种：拱形测试法、时域反射测试法、密闭波导测试法、低频同轴反 射计测试法。这儿种测试方法各有优点和缺点，并且他们所适用的频率范围各不相同。本章主要介 绍这几种测试方法的基本原理、系统组成、测试时的要点以及各自的优缺点。 3 2 拱形测试法 拱形测试法用于测量吸波材料在大于i g h z 频段内、在不同的入射角和极化方式下的吸波性能。 拱形测试法的示意图如图3 - 1 所示。由图可见，拱形测试法系统由以下部分组成：拱形轨道、固定 频率的信号源、检波器、驻波比测量仪、发射与接收喇叭天线、安装有金属板的测试台。 图3 - 1 拱形测试法示意图 合成信号源与发射天线相连接，激励的信号经被测吸波材料及周围环境反射后再由接收天线接 9 东南大学硕士学位论文 收，并送入与之相连的检波器及驻波比测量仪。首先测量位于拱形中心金属板的反射率。然后将待 测试样放在金属板顶部，测量其反射率。被测试样的反射率与金属板的反射率之比即为反射系数。 通过将发射天线置于圆弧上不同的位置来改变入射角；与此同时接收天线亦做相应的移动。天线应 选垌线极化天线，适当的旋转天线，即可改变极化的方向。 如果所测试的反射系数有可能低于- 5 0 d b ，则必须在拱形装置与测试台周围放置射频吸波材料， 尽可能将任意处的反射系数减小到一6 0 d b 以下。周围环境的寄生反射与发、收天线间的直接耦合等 影响因素也应被减小到此程度。必要时也可将整个测试装置放于电波暗室中。 拱形法在设计与测试过程中要注意以下几点： ( 1 ) 发射天线一吸波材料一接收天线的路径长度必须使得两副天线均处在彼此的远场区，天线 远场区的界定与天线孔径有关； ( 2 ) 被测吸波材料的试样尺寸的受拱形半径影响，同时也会影响到测量的精度； ( 3 ) 天线之间的直接耦合、周围环境的寄生反射、由待测试样的厚度引起的前后两次反射平 面的微小位移等因素都将给测量结果带来误差。 3 3 大面积雷达吸波材料的时域反射测试方法 本测试方法用于测量己装贴好的雷达吸波材料( 如：电波暗室墙壁上装贴的雷达吸波材料) 的反射 系数，一般应用于3 0 m h z i g h z 的频段。该时域反射测试法的示意图如图3 - 2 所示，可知，时域反 射测试法系统由以下部分组成：电阻性负载的t e m 喇叭天线( 包括收、发天线) 、脉冲发生器、示 波器、可移动平台、计算机。 图3 - 2 大面积雷达吸波材料的时域反射法示意图 测试时，将发射天线与接收天线正对被测壁面并排放置，发射天线连接脉冲发生器，接收天线 与示波器相连。若测试场地满足上述条件，则接收天线接收到的信号波形包括三部分：( 1 ) 直接从 发射天线耦合到接收天线的信号：( 2 ) 经过吸波材料反射后天线接收到的信号；( 3 ) 环境中其它平 面反射而得到的信号。根据测试场地的布局，计算出信号波形中( 1 ) 、( 2 ) 两部分的持续时间，并 将波形的( 1 ) 、( 2 ) 两部分与第( 3 ) 部分分离开来，最后接收信号波形中发、收天线直接耦合的部 分可以通过在不同距离下对吸波材料进行重复测量而消除。 将吸波材料换成金属平板，重复上述过程，可以得到参考信号波形。该参考信号波形中同样包 含两个参考的反射脉冲。利用去卷积的方法即可从这两项测试结果中求得反射系数 该测试法中要注意以下几点： 1 0 第三章射频吸波材料性能测试方法 ( 1 ) 被测试样的面积至少应为3 m x 3 m ，若试样面积减小，则测量精度将降低； ( 2 ) 收、发天线距被测吸波材料的距离应小于距环境中其它任何平面的距离： ( 3 ) 为了减小两天线间直接耦合的影响，可用一金属板或射频吸波材料隔板将两天线隔开。 由于射频吸波材料通常在3 0 m h z 1 0 0 m h z 的频段内具有较大的反射率，在电波暗室或屏蔽室等 场地中进行测试时，场地中存在较强的多路径反射，使得测试精度受到影响。即使采用高吸波性能 的射频吸波材料，在低频下普通的电波暗室内仍存在较强的谐振和多次反射。可以应用时域技术解 决上述问题。虽然时域技术可用于高达5 g h z 的频率，但在3 0 m h z i g h z 的频段内最为适宜 3 4 单片雷达吸波材料的时域反射测试方法 本测试方法适用于3 0 m h z - i g h z 频段内单片或少量雷达吸波材料的反射系数的测试。该测试方 法的示意图如图3 - 3 所示，系统由以下几个部分组成：信号发生器、宽带混合耦合器、宽带数字式 取样示波器、个人计算机。 图3 - 3 单片雷达吸波材料的时域反射法示意图 脉冲发生器向混合耦合器发送一个脉冲，耦合器把信号平均分配给两副t e m 喇叭天线，两副天 线向空间发送完全相同的信号。电磁波经过吸波材料试样以及环境中其它物体的反射后被两天线接 收，直接反馈给耦合器，两个信号的差值被送入数字式示波器的采样端。将吸波材料去掉，重复以 上的步骤，得出背景参考波形，由这两个信号波形，采用时域门和平均化技术进行处理，以分离出 吸波材料试样的反射响应。由此可计算出吸波材料的反射率。 该测试法在测试过程中要注意以下几点： ( 1 ) 为使反射回混合耦合器的两个信号相同，两副喇叭天线须完全相同，且由相同长度的传输 线馈电； ( 2 ) t e m 喇叭天线2 应放置在距吸波材料试样足够远的地方，建议距离为2 m 或更远，因为系 统中的t e m 喇叭天线2 用以减少周围环境的反射，该天线对于接收吸波材料试样的反射信号并非必 须。 3 5 密闭波导测试法 由于吸波材料试样边缘散射的影响，许多吸波材料测试技术( 如拱形测试法) 受到低频段的限制。 而在低频情况下，波导内部的电磁场仍比较均匀且被集中在有限的空间区域，因此利用波导测试法 l l 东南大学硕士学位论文 进行吸波材料吸波性能测试，不受边缘散射的影响，对试样尺寸的要求降低。 密闭波导测试法适用于在6 0 0 m h z i g h z 的频率范围内利用少量试样对吸波材料的吸波性能进 行测试。密闭波导测试法装置示意图如图3 4 所示。 图3 - 4 波导法测试装置示意图 装置包括以下三部分：一定截面和长度的方形波导管，“扩展”的波导段，以及装置前端的同轴 线一波导转换段。波导一端由一个特别设计的、仅限于t e l o 模的探针激励，另一端由被测吸波材料封 闭，如图3 4 所示。能量由探针向吸波材料传输，其中一部分被吸波材料吸收，其余部分被反射。如 果认为波导无损耗，则反射与入射能量在激励端口的比值即等于两部分能量在吸波材料表面处的比 值。因此，系统输入端的反射系数或驻波比即反映了射频吸波材料的反射性能。 在密闭波导法系统设计和测试过程中要注意以下几点： ( 1 ) 同轴连接器建议连接一个3 , , 6 d b 的衰减器，以减小由系统失配引起的驻波比； ( 2 ) 方形波导终端的金属板必须可靠装夹，以确保和波导开口端面紧密接触。在实际设计中可 以使用导电衬垫或指状簧片来尽可能的减少信号泄漏。试样的底层边缘也必须和波导内表面良好接 触，使能量全部通过吸波材料，确保测量精度； ( 3 ) 波导管的截面和长度根据测试频率和试样尺寸确定，在第四章中将会详细介绍波导测试法 装置的设计与制作，在第五章中会详细介绍波导法的测试。 3 6 低频同轴反射计测试法 同轴反射法适用于3 0 m h z , - 6 0 0 m h z 频段，采用方形同轴线测试装置对吸波材料的低频段吸波性 能进行测试。立式低频同轴反射计示意图如图3 - 5 所示，方形低频同轴线测试装置，包括一段等截 面矩形同轴线、终端短路金属板及装置前端的锥形过渡段。 第三章射频吸波材料性能测试方法 井导体 内- 体 图3 - 5 立式低频同轴反射计结构示意翻 同轴反射法的基本原理是通过矢量网络分析仪的输入端口的s 。参数的测量，评估被测射频吸波 的吸波性能。在测试过程中，首先在连接低频同轴线测试装置的电缆端口上进行蜀1 单端口校准，然 后测最短路同轴线的反射系数，应用时域门技术消除由于阻抗失配所引起的反射，并将该曲线存储 在计算机中作为反射的参考基准。在金属短路板上铺8 块标准尺寸( 6 0 0 m m 6 0 0 m m ) 的吸波材料， 再次应用时域门技术测得加载吸波材料后的反射系数。两次测量所得的反射系数之比即为吸波材料 的反射系数。 该测试方法也有明显的缺点，由于同轴线结构传输的是t e m 波，能模拟自由空间的电磁波投射 到射频吸波材料上的情形，但无法模拟在不同入射角和不同极化方式下材料的吸波性能变化情况， 因此该方法不能客观反映出吸波材料在实际应用场合中的性能。 在同轴反射法系统设计与测试过程中要注意以下几点： ( 1 ) 同轴反射法装置的上限频率则取决于矩形同轴线内部激励出的高次模，而高次模激励频率 与同轴线的截面尺寸及机械加工精度均有关系； ( 2 ) 应用时域门技术来抑制由于阻抗失配所引起的反射，要想达到理想的抑制效果，建议同轴 线的等截面段的长度至少为1 0 m ： ( 3 ) 使用时域门技术的测试时，测试的起始和终止频率应宽于所关心的测试频段，以尽量减小 时域门技术中“窗的边缘效应”的影响，建议测试的起始频率应低于低频端第一个可用频率点，其 差值为整个测试频段的l o 。 第四章密闭波导法装置的设计 第四章密闭波导法装置的设计 波导法适用于6 0 0 m h z i g h z 频率范围对吸波材料的吸波性能进行测试，具有所需试样数目较 少的优点。本章介绍波导法装置的详细设计，包括：波导法的基本原理、同轴一波导转换段的仿真 优化设计、同轴线过渡转换接头的仿真优化设计，以及波导段的设计，最后对装置进行了整体分析。 4 1 波导法装置设计原理【加i 由于吸波材料试样边缘散射的影响，许多吸波材料测试技术( 如拱形测试法) 受到低频段的限制。 例如在3 0 m h z 时，拱形测试法要求方形试样区的边长为4 0 m ，即需要4 3 5 6 块标准试样( 6 0 0 m m 6 0 0 m m ) 。 在低频情况下，波导内部的电磁场仍比较均匀且被集中在有限的空间区域，因此利用此类装置 进行吸波材料反射率测试，不受边缘散射的影响，对试样尺寸的要求降低。波导测试法适用于 6 0 0 m h z i g h z 频率范围利用少量试样对吸波材料的吸波性能进行测试。波导测试法装置结构示意 图如图4 1 所示。 图4 一l 波导测试法装置结构示意图 由结构示意图可见，密闭波导测试装置包括以下三部分：一定截面和长度的方形波导管，一块 用以安装吸波材料试样的金属板，以及装置前端的同轴一波导转换段。 波导一端由一个特别设计的、仅限于t e l o 模的探针激励，另一端由被测吸波材料封闭，如图4 1 所示。能量由探针向吸波材料传输，其中一部分被吸波材料吸收，其余部分被反射。如果认为波导 无损耗，则反射与入射能量在激励端口的比值即等于两部分能量在吸波材料表面处的比值。因此， 系统输入端的反射系数或驻波比即反映了射频吸波材料的反射性能。 波导测试法唯一的问题是波导中的波阻抗与自由空间波阻抗不同，因此，反射系数测试中的参 考阻抗有偏差。由波导理论可知，波导阻抗由式( 4 1 1 ) 给出： z n = 式中 1 4 ( 4 1 1 ) 商 东南大学硕士学位论文 k 乙= ( 里) 2 + ( 孚) 2 ； 口 k ：2 7 ： 五 月自由空间波长o z 旷一自由空间特性阻抗； 波导的宽； 扣波导的高； r r 、* 啵导的模式指数。 对于基模t e l o 模，式“1 1 ) 简化为 z i o2 ( 4 1 2 ) 若要使z l o 为实数，a 必须大于半波长。若要使z 0 和z l o 相近，a 必须远大于半波长。如当a = 2 时，z l o = 1 1 5 2 0 。因此，波导截面尺寸应根据测试频率和被测试样的单片尺寸共同确定。例如，当频 率为3 0 m h z 时，2 = 1 0 m ，则对于高度为6 0 0 m m 的波导，至少需要1 7 块6 0 0 m m x 6 0 0 m m 的吸波材 料。 当待测吸波材料的反射系数接近3 0 d b 时，要达到2 d b 的测量精度，a 至少应为2 刀1 8 1 。对于更 高的频率，激励t e l o 模所要求的波导尺寸比一块或一组6 0 0 m m x 6 0 0 m m 的标准试样小得多。此时须 使_ j 一个过渡波导。为减少高次模的直接激励，过渡应缓慢进行。尽管在吸波材料所在的位置波导 尺寸有所增加，对于所测得的驻波比，我们仍认为投射到试样上的电磁波仅有主模一种模式。波导 扩展段越长，测得的反射系数越接近自由空间测试值，因此密闭波导测试法也称作扩展波导测试法 4 2 有限元方法以及仿真工具h f s s 简介 4 2 1 有限元方法基本原理 有许多t 程问题可以并不困难地写出它们的支配方程和相应的边界条件，但是如果边界的几何 形状或者问题本身的一些特征不规则，那么可能很难找到它们的解析解。有限元方法就是能对某些 工程问题求得近似解的一种数值分析方法。这种方法是将所要分析的连续场分割为很多较小的区域 ( 称为单元或元素) ，这些单元的集合体就代表原来的场，然后建立每个单元的公式，再组合起来， 就能求解得到连续场的解答i l “。这是一种从部分到整体的方法，分析过程大为简化。从数学角度来 说，有限元方法是从变分原理出发，通过区域剖分和分片插值，把二次泛函的极值问题化为普通多 元二次函数的极值问题，后者又等价于一组多元线性代数方程的求解。 如上所述，有限元方法是在变分原理的基础上建立起来的，因此理论基础牢靠。虽然这一方法 起源于结构分析，但是由于它所依据的理论具有普遍性，目前不仅广泛地被应用于各种结构工程， 而且作为一种分析方法已经被推广并成功地用来解决其它工程领域中的问题，例如热传导流体力 学、空气动力学、港湾和湖泊地波动、土壤力学，机械零件强度分析，润滑问题电磁场问题。 有限元方法是将所考察的连续场分割为有限个单元，然后用比较简单的函数来表示每个单元的 解，但是它并不要求每个单元的试探解都满足边界条件，而是在求得集合体的代数方程之后再引入 边界条件。因为边界条件不进入单个有限单元的方程，所以对于内部的和边界上的单元能够采用同 样的函数。把边界条件引入集合体