微波暗室吸波材料及其性能測試方法*

肖本龍 王雷鋼 楊黎都

(63880部隊 洛陽 471003)

1 引言

隨著通信技術(shù)、隱身技術(shù)、仿真試驗技術(shù)以及各種電子戰(zhàn)武器裝備的發(fā)展,微波暗室以及吸波材料也普遍受到重視和關注,得到了迅速的發(fā)展,并廣泛應用于雷達、通信、微波技術(shù)、航空、導彈、電子戰(zhàn)以及衛(wèi)生醫(yī)療設備等領域中。

由于當今高科技的飛速發(fā)展,所使用的頻帶從微波到毫米波,范圍從地面觀測到宇宙探測,應用領域從軍用到民用,這樣對微波暗室的性能提出了更高的要求,特別是暗室的體積、背景電平等要求更為苛刻。但微波暗室的性能,很大程度上決定于所選用的吸波材料和設計工藝,因此,我們有必要對微波暗室吸波材料進行研究,對微波暗室性能測試進行了解。

2 微波暗室用的吸波材料

2.1 吸波材料的選擇

吸波材料的性能,由其選用材料、制造工藝、形狀結(jié)構(gòu)等因素來決定,但不管何種吸波材料,都可以用如下的五項電氣參數(shù)來評價其性能。

1)反射率電平

當平面電磁波以不同入射角投射到吸收體時,反射波與入射波電場強度之比定義為電壓反射系數(shù),反射波對入射波的功率比定義為功率反射系數(shù)。

電壓反射系數(shù):

功率反射系數(shù):

反射率:

吸收率:

式中:Ed為入射波電場強度;Er為反射波電場強度;Pd為入射波的功率;Pr為反射波的功率。

2)散射率電平

非幾何光學的反射稱為散射,散射率電平采用與反射率電平相似的定義,只是必須用散射波取代反射波。

散射率隨接收角起伏變化,它明顯地小于沿幾何光學的反射率。通常電磁波吸收體的散射率電平約比反射率電平低一個數(shù)量級左右。

3)比吸收功率

比吸收功率定義為吸收體每一單位面積上所能耗散掉的最大入射到它上面的電磁波功率。單位為w/cm2。

吸波材料從能量守恒的理論分析,實際是一種能量轉(zhuǎn)換,即把電磁能轉(zhuǎn)換為熱能,并耗散掉。為了提高吸波材料的比吸收功率,就要求吸波材料不僅耐高溫,而且具有很好的導熱率。

4)工作頻率

工作頻率定義為對電磁波的反射率電平低于某一給定最小值的頻率范圍。

5)允許入射角范圍

入射角范圍定義為反射率電平低于某一特定最小值時入射角可取的區(qū)域。入射角系指電磁波入射方向與吸收體所在平面法線之間的夾角。

根據(jù)微波暗室的設計要求,可以進行吸波材料的設計,采用復合吸波材料和異形結(jié)構(gòu),這樣可以提高吸波性能,以滿足暗室設計要求。

現(xiàn)代微波暗室采用微波、毫米波超寬帶微波吸波體,超寬帶吸波體一般采用多層結(jié)構(gòu),其形狀一般為楔形或錐形,這樣能使入射波能量逐漸被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。這些吸波體材料一般選用碳、聚氨基甲酸乙脂、聚乙烯、聚丙烯等配方生產(chǎn),使用厚度從5cm到200cm不等。

其設計原則根據(jù)吸波體中各層的復導電率、復導磁率以及厚度來考慮,如對錐形吸波體來說,就可以近似于多層平面吸波體來分析,如圖1所示。等效為平面多層吸波體后,就可以計算其反射系數(shù)。例如在平面垂直入射的情況下,由式(5)就可以求出第1層到第2層的阻抗。

式中:Zc1為第1層特性阻抗;r1為第1層傳輸系數(shù);d1為第1層厚度。

那么,第n層的輸入阻抗Zn亦可用式(6)表示,即可求出錐形吸波體的輸入阻抗。

式中:Zcn為第n層特性阻抗;rn為第n層傳輸系數(shù);dn為第n層厚度。

圖1 錐形吸波體等效為平面多層吸波體

如圖1所示,在吸波體的 xy介電損耗體的橫截平面內(nèi),介電常數(shù)近似為不變,即為εeq,就可以用式(7)表示:

式中:εr為復導電率;εe q為介電常數(shù);a為錐形吸波材料長度。

如果把與XY平面平行的所有橫截面都等價其介電常數(shù)為εeq,復導電率為εr,式(7)就可用式(8)表示:

2.2 電波吸收特性

仍舊以錐形吸波體來討論,如果設錐形吸波體的長度為d,波長為λ,在垂直入射時,其電波吸收性能與d/λ之關系由圖2黑色實線所示。

由圖可知,當 d/λ=0.5時,反射量為-20dB左右,當 d/λ=1時,反射量變成-30dB左右,當d/λ超過 3～4時,反射量已達最小,一般為-50dB～-60dB。

當入射波斜射時,錐形吸波體吸波特性比垂直入射要差,這是因為斜射時源的位置或高或低,暗室的地面、頂棚、墻壁以及門等因素引起散射,而使其吸波特性降低,如圖2的虛線所示。

3 寬頻帶吸波材料的吸波特性

寬頻帶吸波材料將是今后的發(fā)展方向,許多的微波暗室都得承擔毫米波的電子設備的研制與試驗,在毫米波頻段內(nèi),對吸波材料的性能要求更高。在這里仍用錐形吸波體進行分析,錐體高為6cm,錐長為4cm,底部長為2cm。一個錐形體的尖到另一個錐形體的尖為其周期,即錐尖到錐尖的距離為1cm。并用二種含碳量不同導電性發(fā)泡聚乙烯材料A和B,在10GHz和100GHz頻率段進行測試,其復比導電率如表1所示。

圖2 錐形吸波體的電波吸收特性

表1 材料A和B的復比導電率

當10GHz和100GHz垂直照射時,材料A和材料B錐形吸波體在亞毫米波的頻段里,其反射量均在-40dB以下,其曲線與用時間領域差分(FDTD)方法理論計算的頻率特性相吻合[2]。如果從材料來比較吸波特性,在10Hz～50Hz的范圍內(nèi),復導電率大的材料A在20GHz頻率下測量,反射量為-50dB,但復導電率小的材料 B只有-30dB。但當頻率上升到50dB,材料A和材料B的反射量差不多,都在-40Hz～-50Hz之間變化。

4 微波暗室及測試方法

4.1 微波暗室設計要求

微波暗室設計對頻率范圍,物理尺寸,屏蔽有效性,吸收體功耗以及可拆卸性都有嚴格要求。由于吸波材料的不斷發(fā)展,根據(jù)暗室的用途與設計要求選用不同的吸波材料,對暗室的屏蔽提供有利條件。如美國KEENE公司的86/3系統(tǒng),暗室尺寸為10.6×3.9×4.4(m)。靜區(qū)尺寸為 6.0×2.4×3.0(m),測試距離為3m,被測物體的尺寸為6.0×2.4×3.0(m),頻率范圍為25MHz～1000MHz,測量不確定度為±3dB[3]。一般來說,微波暗室設計要求有:

1)測量距離

測量距離R,我們希望盡可能的小,這樣暗室體積也就要求小,但不能隨心所欲地選擇,要根據(jù)被測物體的大小來決定。如圖3所示被測天線口徑或試驗物體為D,D中心與邊緣電波傳播存在路程差δ,其測量距離由路程差來決定。δ的標準是λ/16,這樣測量距離為R=2D/λ。其測量誤差保持在2%左右。根據(jù)此式,無法滿足C、X、Ku波段,只能采取近場理論來實現(xiàn)測量距離R。如日本的微波暗室長度在4m～14m占80%,而長為7m的又占多數(shù),此種暗室的測量距離一般為3m。

圖3 微波暗室尺寸

2)微波暗室的尺寸

微波暗室的尺寸,決定收發(fā)天線之間的距離,也就是說收發(fā)之間電波傳輸至少滿足在菲涅爾區(qū)的空間內(nèi)進行。這就需要對微波暗室的墻壁、頂柵、地面等選用吸波材料提出嚴格要求。而第一菲涅爾區(qū)的大小,一般由測量距離和測試對象所需下限頻率來決定,如果從發(fā)射天線到第一菲涅爾區(qū)端,從第一菲涅爾區(qū)端到接收天線的路程為d,收發(fā)之間的距離為R,如圖3所示,可以用式d-R≥λ/2來確定收發(fā)之間的距離。

還要考慮電波吸收體當電波存在一定角度輻射時的吸波持性,設計要求入射角度在70°以下。另外對發(fā)射、接收天線背后墻壁的距離至少保持1m,如大于2m更好。

因此,綜上所述,影響微波暗室的尺寸的因素有:下限工作頻率的電波傳輸;地面、屋頂、墻壁的吸波材料的入射角度;發(fā)射、接收天線與背后吸波體的距離以及暗室各面所選用的吸波體材料。

3)反射電平

反射電平由微波暗室的尺寸,測量距離和室內(nèi)的選用的吸波材料有關。如果我們不考慮多重輻射的情況,即一次輻射,到接收天線的反射電場強度EA可用式(9)表示[1]:

式中:Gt(φi,θi)為自 φ至θ方向發(fā)射天線特性;Gr(φi,θi)為自φ至θ方向接收天線特性;1/Ri為根據(jù)電波行程的距離度衰減系數(shù);Γ(θi)為對入射角θ電波吸收體對TE波和TM波的反射系數(shù)合成的復比反射系數(shù);exp(-j2πRi/λ)為相位項;i為壁面的序號。

根據(jù)以往經(jīng)驗,理論計算與實際測量的反射電平存在一定的誤差。但誤差不大,這樣就可以為設計提供一些依據(jù)。如果要考慮多次輻射,計算要復雜多了。

4)靜區(qū)

靜區(qū)的大小是微波暗室的一個重要性能指標。靜區(qū)指的是在暗室軸線周圍將形成一個場幅度起伏最小,直射波極化純度最好的區(qū)域,亦稱無回波區(qū)。

靜區(qū)與許多因素有關,如暗室的設計尺寸、結(jié)構(gòu)還有吸波材料等。如果周圍的吸波材料鋪設均勻連續(xù),對結(jié)構(gòu)勻稱的矩形暗室而言,天線在室軸一端輻射,如果對前、后、左、右壁是垂直極化波,則相對頂柵和地面來說就是水平極化波,反之亦然。在室軸上不論輻射的是垂直極化波或水平極化波,這六個面的反射波極化都在直射的極化面內(nèi),方向有正有負。如果該矩形室橫截面為正方形,則其中上、下、左、右壁面反射將是程差相等同時到達室軸,合成后場幅度部分相消。同時由于空間衰減,使反射波能量隨著遠離壁面而減小。所以在軸線形成一個無回波區(qū)。

因此,在暗室設計中就要求選用性能高的吸波材料,并在施工中,講究科學,嚴格按工藝要求實施,達到量化的要求。

當考慮屏蔽層時,應考慮屏蔽隔離度,總隔離度一般在-60dB～-150dB之內(nèi)選擇。

4.2 微波暗室性能測試方法

決定微波暗室性能的指標有很多,如對靜區(qū)大小、頻率工作范圍、交叉極化特性、振幅均勻性、通路損耗均勻性和反射率電平等,其中反射率電平是衡量微波暗室的關鍵指標。

這里所指的反射率電平并不是構(gòu)成其壁面所用電磁波吸收體的反射率電平。如微波暗室靜區(qū)的反射率電平通常要比吸收體的反射率低10dB以上,這是因為室內(nèi)各點的反射波是各部分室壁的不同反射和繞射在該點干涉疊加的結(jié)果。因這里所指的反射率電平取決于吸波材料的特性,工作頻率;暗室結(jié)構(gòu)形狀,設計工藝,接收天線和發(fā)射天線的方向性,場的極化狀態(tài),測試平面位置,天線座架特性,天線在空中的位置,記錄干涉圖的數(shù)目,干涉圖的判讀,記錄干涉圖所沿行程線以及所用測量設備的性能等因素[4]。

由于電波暗室中反射與繞射相當復雜,如果通過計算求得反射率電平,存在許多困難,一般通過實際測試獲得反射率電平。測試暗室中的反射率電平的方法常見的有五種:天線方向圖比較法,簡稱APC法;自由空間電壓駐波比法,簡稱VSWR法;場-探針繪制法;等效雷達橫截面測量法;偽隨機碼調(diào)制載波法。

但在實際測試中常用的方法只有二種,一種天線方向圖比較(APC)法,另一種為電壓駐波比(VSWR)法。APC法只能在離散的點上記錄數(shù)據(jù),要想不漏掉所需反射率電壓,就得測試大量的方向圖進行分析綜合比較,其工作量很大。而VSWR法則可以克服APC法的缺點,比較簡便,還準確直觀。

1)VSWR法

VSWR法是測試微波暗室性能應用最廣的方法之一,具體測試如圖3所示,選擇好幾條接收天線移動路線,使接收、發(fā)射天線主瓣相互對準,再移動接收天線,直射信號與反射信號之間相位差不斷改變,所記錄下來的信號曲成是一條周期性變化的曲線,即為空間駐波比曲線。曲線反映了室內(nèi)反射電平隨取向角而變化,根據(jù)曲線的包絡和接收天線的方向圖就可以計算出暗室的反射率電平。

如圖3中,接收天線在靜區(qū)中沿Z軸移動,這時所測得接收信號強度為E0。當接收天線在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)θ角度之后,再沿Z軸方向移動,這時測得的接收信號強度為Eθ,Eθ有直射信號和反射信號的疊加合成,那么用式(10)可求出駐波比:

同理,接收天線可以沿X軸方向移動時,因為地面、頂柵、后壁反射波行程差變化小,與Z軸方向測試結(jié)果比較,要好-5dB～-10dB。

圖4 空間駐波曲線

2)APC法

此方法是在暗室的被測區(qū)域內(nèi)選擇若干個離散點測量并記錄天線的方向圖,由于反射波、繞射波與直射波的相位干涉,使天線方向圖不重合,這樣從方向圖不重合的偏差電平計算出反射率電平,并且從一組不同角度的方向圖中觀測得到最大偏差值,即可確定室壁各個角度的反射率電平的定量值。

具體作法須把靜區(qū)分成 M行N例,間隔為λ g/4,λ g為橫越暗室軸線所測的空間波長,在每個點上測方向圖一張,每例M個方向圖為一組,繪制在方位角重合的同一直角坐標系內(nèi),以0°線上方向圖為基準,進行電平歸一化,然后比較同一方位角的偏離量,確定靜區(qū)反射率電平。

在APC方法中,天線方向圖歸一化有兩種方法,一種是改變接收機增益,使各方向圖電平在0°重合。因這種方法帶來誤差較大,很少采用。第二種方法是取軸線上測得方向圖零度電平為基準,其它方向圖電平都對它歸一化,這是常用的一種方法。如圖5所示,為APC法所測一組天線方向圖。圖中b0為上限值,c0為下限值,即有:

由式(12)、(13)可求得反射率電平為:

式中的j為每一角度的平均值。

APC法數(shù)據(jù)處理較繁雜,此處不討論。

圖5 APC法方向圖

5 結(jié)語

微波暗室與吸波材料有著密切的關系,吸波材料的吸波特性往往決定微波暗室的性能,當然微波暗室性能的優(yōu)劣還與許多因素有關,在這里只討論了幾個主要因素,有些問題要結(jié)合具體設計進行討論才行。

微波暗室在未來的電子領域、電子對抗領域和武器裝備研究領域?qū)⒃絹碓街匾?越來越受到人們的關注和重視,將是一個很有研究價值的的課題。特別在吸波材料研究方面,這幾年有了大的發(fā)展,各種新材料層出不窮,許多隱身材料應用于各種新式武器裝備上,為未來戰(zhàn)爭開辟了新的戰(zhàn)場。為此我們應該對其性能與發(fā)展進行了解和研究。

[1]計量測試技術(shù)手冊[M].第8卷,北京:中國計量出版社,1997,2

[2]邱琴,張晏清,張雄.電磁吸波材料研究進程[J].電子元件與材料,2009(8):78～81

[3]周永江,陳朝輝,等.用FDTD方法研究顆粒型復合材料微波等效節(jié)電常數(shù)[J].材料科學與工程學報,2006,24(4):830～834

[4]蔣譜成.室內(nèi)建材與電磁波傳輸特性[J].電子對抗試驗,1999(2):45～48

[5]李琦,趙京城.吸波材料反射率測試曲線平滑方法[J].電子測量技術(shù),2007,30(12):10～12

[6]王晨,顧佳琳,康飛宇.吸波材料理論設計的研究成果[J].材料導報,2009,23(5):5～8