各种吸波材料的比较

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（5.08cm）。在2.410GHz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波。

2、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（0.911.83m）。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<）的性能，只能安装上以后，测量暗室特性来判定。直到80年代中期，计算和测量技术发展以后，对小型宽带吸波材料的评估才成为可能。【4】【6】中叙述了在理论模型中使用“均质化方法”可以精确地计算吸波材料的反射特性。【7】【10】中叙述了使用大测试装置直接测小型宽带吸波材料的反射特性。在整个301000MHz的频段都要获得小的反射率，则小型宽带吸波材料必须使用锥形模型，它们在高频段是电-厚模型，但在低频段则是电-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的实际几何

4、形状是锥型还是楔型。相反，它们的行为就象照射到一固体媒质上，该媒质的有效和随进入媒质的距离而变化。注意这是有效和有效和构成吸波材料的实际和是不同的。最佳的吸波材料提供了从空气阻抗到吸波材料基座的波阻抗的逐渐过渡。正确的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的那一部分和从金属板反射后从吸波材料中透出来的那一部分那互相抵消，这种抵消可以获得非常小的反射率。显然只能发生在较窄的频率范围。一般说来渗碳加载对电-厚和电-薄材料的要求是不同的，【6】因此对于工作频率在301000MHz的小型宽带吸波材料（锥或楔型），渗碳加载既要考虑高频时的电-厚

5、，又要考虑低频时的电-薄情况。这是极富于挑战性的。60年代初期日本开发了电-薄型铁氧体瓦作为聚氨酯锥型和楔型的替代物。由于瓦的吸波性能和空气比较接近，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。如有穿过瓦片的，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的，则可以象锥型和楔型吸波材料那样，调节瓦片厚度，在一定的较窄的频率范围内使其与瓦片直接反射到空气中的那一部分相抵消。近年来，薄锥和楔（2001000MHz）铁氧体瓦介质层（30600MHz）构成了超小型宽带“混合”吸波材料在301000MHz获得了很好的性能【14】【15】。本文

6、将叙述吸波材料的反射率，包括全锥、绞锥、楔、铁氧体瓦、铁氧体格混合吸波材料，将讨论它们的优缺点及其应用。二吸波材料的反射率反射系数（reflection coefficient） （1）反射率（reflectivity） （dB） （2）对各种暗室需要什么样的吸波材料，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的全三维解法。这里绘出一般指导表格，是根据以往的设计和实践总结出来的。表一 吸波材料反射率的一般指导表格暗室用途吸波材料反射率的临界值R（dB）军用标准-6dB，正入射，50250MHz-10dB，正入射，>

7、;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， 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。因为，NSA是与开阔场地的理论值相比较，要求较严。NSA规定的允许值中只有是给暗室场地的。抗扰度对均匀场要求是室内场互相比较

8、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

9、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

10、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。 （3）式中， 真空中的参数 吸波材料的实际参数 各层 z 方向的参数（轴向） 各层X、Y 方向的参数（横向）（注：当时，）（3）式中，、是精确的、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。 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）是指电场与入射面垂直；平行极化（TM

11、）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 （6）式中是指从区0和区1到区和区的总距离。是区和区间的反射系数，由下式给出： （7） 对于TE 波对于TM 波式中 是Z 方向区的传播常数，由下式给出 （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，正入射时的反射率，锥为：图3，正入射时的反射率直径为：渗碳加载10、26、34，频率301000MHz8ft 锥比4ft锥的反射率至少低10dB。图2 1.22m (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4f

12、t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 2.44m (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，暗室使用锥体厚度测得NSA在90MHz以上

13、与开阔场地基本相符。图4 1.22m (4ft) 聚氨酯锥阵、26渗碳加载和斜入射时的反射率图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（2.44m）甚至6ft（1.83m）的锥体就可以在301000MHz内使NSA达到的要求，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显示了调整的结果，L的调整在30-40MHz内对反射率的影响很大。图5 2.44m (8ft) 聚氨酯锥阵、26

14、渗碳加载和斜入射时的反射率图6 2.44m (8ft) 聚氨酯锥阵、各种倾斜长度（）、26渗碳加载的正入射反射率图7 2.44m (8ft) 聚氨酯锥阵、L=2.08m (6.82ft)、26渗碳加载的和斜入射反射率图7显示了8ft锥当时，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 ：、 、对 ：、图9和图10分别为4ft（1.22m）和8ft（2.44m）绞锥，26

15、渗碳负载的正入射和入射时的反射率，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2.74m (9ft) 绞锥可以达到军标、抗扰度、3m法、10m法的要求。图9 1.22m(4ft) 聚氨酯绞锥、26渗碳加载 和入射的反射率图10 2.44m(8ft) 聚氨酯绞锥、26渗碳加载和入射的反射率五

16、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 （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： （14）式中： (格的尺寸)，填

17、充系数、 为铁氧体材料的实际复参数、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 6.38mm (0.25in) 铁氧体瓦和入射的反射率图12为铁氧体瓦（材料特性见附录）的反射率，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）。铁氧体格的反射率与填充系数g密切相关，格比瓦的好处在于g可以改变，使反射率最小点落在所需频率上。格的频率范围可以超过瓦，只要精心

18、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的格的最佳反射率（材料参数见【47】），正入射和45º入射，反射率符合军标、抗扰度、3m法（301000MHz）。图13 18mm厚，g=0.725的格、7渗碳加载的和入射的反射率图14 聚氨酯锥和铁氧体瓦混合吸波材料图示六.混合吸波材料小锥体在200MHz以上有很小的反射率，而铁氧体瓦在600MHz以下有较好的性能，所以可把二者结合起来，从而在全频段都可达到较好的反射率，称混合吸波材料。分析混合吸波材料时，可用（3）的有效材料特性分析锥体，用第五节的方法分析瓦。图15显示正入射时的反射率，混合吸波材料0.

19、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的反射率。由图可知，7% 锥和瓦的组合可以符合全频段反射率的需要。单锥单瓦都不行，26%锥和瓦的组合200MHz 以下也不符合，这就可以看出锥和瓦组合时匹配的重要性。图16是7% 锥和瓦的组合时正入射和45º 斜射时的反射率，符合全频段要求。图15 0.612m (2.02ft)锥/铁氧体瓦混合吸波材料（瓦厚6mm)的正入射反射率混合吸波材料也可由绞锥和瓦组成，反射率计算可用（9）式的有效材料特性参数。0.61m（2ft）绞锥和6mm (0.24i

20、n) 瓦的组合，反射率和图15、16非常接近。图16 图15 0.616m (2.02ft)锥/铁氧体瓦混合吸波材料（瓦厚6mm）和入射的反射率图15和16的反射率是由商用锥和瓦计算得到的，10m法所需的低反射率可以通过系统的改变材料特性和尺寸的方法获得。七.楔和瓦混合吸波材料楔的模型在【6】【40】中叙述，对于特殊的极化情况楔比锥更好，于是人们想到在混合吸波材料中把楔的方向交叉安排，如图17所示，可能使性能更好。图 17 楔交叉阵图示【5】【40】给出了楔的有效材料特性参数如下： （15）式中 ， 、为楔的实际复参数。上述（15）式是对应于楔安排在同一方向的情况，Nevard and Kel

21、ler【48】给出了楔方向交叉安排时的修正，指出周期对的2维异性介质的电导率是位置的函数，可由下式给出 （16）同理可认为： （17）把（15）代入（17）即可得每层的有效特性参数，然后用第三节的分层法可计算吸波材料的反射率。图18 0.61m(2ft)交叉安置的楔，10%渗碳负载，与6.38mm(0.25in)铁氧体瓦组成的混合吸波材料的和入射的反射率图19 铁氧体瓦/介质混合材料的图示图18显示了0.61m(2ft)交叉安置的楔，10%渗碳负载，与6.38mm(0.25in)铁氧体瓦组成的混合吸波材料的反射率，包括正入射和45º斜射。这些反射率符合军标，但抗扰度和3m法仅在300

22、1000MHz符合。然而，通过优化材料特性和楔的尺寸，可以满足全频段需要【15】。八.瓦和介质层图12、13显示铁氧体瓦和格在6001000MHz时的反射率恶化，但只要在铁氧体和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) 和19.05mm (3/4in)厚的商用胶合板，设介电常数为2.0时的正入射的反射率。由图可知这种组合在600MHz以上的反射率没有恶化。图21显示了瓦/介质层对不同瓦厚度的正入射的反射率，瓦厚度影响反射率并且影响最小值的发生频率。介质层厚1.2

23、7cm (1/2in)，瓦厚4、5、6、7mm。图20 5.0mm (0.2in) 瓦、各种厚度的介质层组成的的混合吸波材料正入射的反射率图21 介质层厚1.27cm (1/2in)、各种厚度的铁氧体瓦组成的混合吸波材料正入射的反射率图22 5mm (0.2) 瓦加1.27cm (1/2in) 胶合板和入射时的反射率图22显示了正入射和45º斜射时的反射率，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的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是这种混合吸波材料的正入射和45º斜射时的反射率

24、。图中小锥为0.64m(2ft),7%渗碳加载，加6mm(0.24in)瓦和1.27cm(1/2in)的胶合板，反射率可以符合军标，抗扰度和3m法辐射要求。图25中尺寸相同，但小锥碳负载为26%，可以看出低频段30200MHz反射率加大，说明碳负载过大，使入射波被锥体反射而不是被瓦吸收。图23 锥/铁氧体/介质层混合吸波材料的图示 图24 0.61m (2ft) 锥（7渗碳加载）6mm (0.24in) 瓦1.27cm (1/2in) 胶合板的混合吸波材料的反射率图25 0.61m (2ft) 锥（26渗碳加载）6mm (0.24) 铁氧体瓦1.27cm (1/2in) 胶合板的混合吸波材料的

25、反射率图26 锥/铁氧体/介质层（在锥和铁氧体间加入三层氨基甲酸乙酯（urethane）的混合吸波材料的反射率可以进一步改善这种结构，即再在锥和瓦之间加若干层聚氨脂材料。图26是小锥加三层不同材料特性和厚度的聚氨脂层加瓦加介质层的正入射和45º斜射的反射率。如各部分调节得好，符合10m法要求也不成问题。十.各种吸波材料的布置典型的标准锥和绞锥在1001000MHz有较低的反射率，他们的厚度至少大于/4。铁氧体瓦在30600MHz性能较好，他们的组合可在301000MHz宽带范围内获得良好的反射特性。锥体的斜射反射率比铁氧体瓦小，因为锥体可以看成分层结构，每层都有不同的材料特性，对于斜

26、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的吸波材料。【50】叙述了一种吸波材料可以获得非常好的斜射反射性能，吸波材料使用多层不同厚度和介电常数的介电层。比较图12、15和16可以看出，锥/瓦，比单瓦的性能有所改善。瓦的高频性能可以在瓦和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的频率性能。介质层能调节吸波材料使之改善高频性能，通过改变介质层和瓦的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的暗室中发生不需要的谐振频率，这一点很重要。图22、24说明

27、在瓦/介质层前放一个小锥，在5001000MHz反射率变坏，但3080MHz性能却得到改善。从本文给出的结果来看，不同的吸波材料的性能变化很大，那么“对一个特定的暗室，应该采用什么样的吸波材料？”该问题无确定答案，但对于常用的一些暗室（军标、抗扰度、发射），以下将给出一些选择吸波材料的指南：军标测量用暗室是三者中最易符合的，要求是（见表1）正入射反射率在50MHz250MHz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附近的性能。目前有些军标暗室要求30Hz18GHz，

28、则需使用商用混合吸波材料，以满足宽带要求，这时铁氧体瓦和锥体的匹配应十分注意。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15GHz可能发生很大的反射。抗扰度测量暗室根据表1，正入射反射率在801000MHz时应小于 -18dB。小锥（标准或绞锥）和瓦的组合可以符合要求。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。抗扰度暗室的频率上限可以扩展到3GHz，锥/瓦结果可以达到3GHz、-18dB反射率的要求，更重要的是瓦/介质层结构只要适当选择瓦厚和介质层厚度也可达到要求。有些新的开发中的铁氧体格也可能达到要求。三者中最困难的是用于

29、辐射测量用的暗室。根据表1，斜入射的反射率3m法要求-12dB，10m要求 -15dB。单瓦或瓦/介质层都无法满足要求，因为它们的斜射特性很差。所以一般才用长锥体或小锥/瓦/介质层的吸波材料。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的斜射特性。很多暗室都安装这种吸波材料。有些暗室使用大的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法要求的格。目前有一些新的吸波材料结构正在开发用于EMC 暗室。例如中空锥体【36】和薄瓷层【51】【54】。最有意思的一种正在研发的吸波材料是chiral材料【55】【57】，把手性ch

30、iral）吸波材料（译注：手性材料（chiral material）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的现象，具有手性特性 。）301000MHz目前还不太成熟，但把它和本文中的其他吸波材料结构相结合，就有能力在很宽的频率范围中具有很低的反射率。十一 结论本文给出了用于军标、抗扰度、辐射测量暗室的吸波材料的一般反射率要求。目的是选择合适的吸波材料。但该要求仅是通用指南，暗室的特性与其尺寸有关。例如尺寸的改变就可以改变室内的谐振频率，这可能改变抗扰度的要求。又例如，暗室变宽一点则对辐射暗室斜入射的要求可能松一点。符合这些要求并不能完全保证暗室指标合格，最可靠

31、的办法是在建造暗室前进行暗室内部麦克思韦方程式的三维分析。本文所绘的反射率都是由锥、斜模型、铁氧体格和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。本文研究的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，则可能获得更好的结果。附录表2是用于本文计算的铁氧体瓦的材料特性参数。表3是聚氨酯吸波材料的材料特性参数，它们都是商用材料参数可从厂家得到。聚氨酯吸波材料频率(MHz)7渗碳加载10%渗碳加载26渗碳加载34渗碳加载301.840.781.921.2613.5017.8637.9658.19401.720.671.781.0410.6115.2832.3449.16501.650.591.690.908.8013.3528.2143.18601.590.531.620.807.