有機(jī)抗電磁輻射材料在Salisbury屏優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張志明，于安琪，張海豐，邢濤濤，劉金龍，付常偉，王東方

（1.佳木斯大學(xué)理學(xué)院，黑龍江佳木斯154007；2.佳木斯大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，黑龍江佳木斯154004）

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有機(jī)抗電磁輻射材料在Salisbury屏優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張志明1，于安琪2，張海豐1，邢濤濤1，劉金龍1，付常偉1，王東方1

（1.佳木斯大學(xué)理學(xué)院，黑龍江佳木斯154007；2.佳木斯大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，黑龍江佳木斯154004）

摘 要：文中將有機(jī)抗電磁輻射材料作為Salisbury屏的隔離層，代替了經(jīng)典Salisbury屏的隔離層材料。通過三維網(wǎng)格法進(jìn)行設(shè)計(jì)和討論，給出較為直觀的電磁參數(shù)匹配規(guī)律。從而使得問題的討論站在全局的高度，符合全貌分析的方法要求，解決了單獨(dú)討論或者強(qiáng)調(diào)某一參量所帶來的片面性影響。

關(guān)鍵詞：有機(jī)抗電磁輻射材料；Salisbury屏；三維網(wǎng)格法

Salisbury屏是一種經(jīng)典的電磁波吸收體，在對(duì)抗電磁輻射時(shí)，能夠很好地吸收一定頻率范圍內(nèi)電磁波。然而，在早期的研究中，它的吸收帶寬較窄，應(yīng)用范圍有限，所以沒有得到更好的發(fā)展［1-5］。

近20年，隨著抗電磁輻射材料研究的進(jìn)展，人們開始對(duì)Salisbury屏加以改造，提高其吸波性能，例如將損耗涂層材料添加到經(jīng)典的Salisbury屏的設(shè)計(jì)之中，對(duì)其厚度進(jìn)行了改進(jìn)，使其滿足了當(dāng)前電磁屏蔽領(lǐng)域?qū)Σ牧稀氨?、輕、寬”的要求［3-8］。同時(shí)在電磁屏蔽材料的研究中，高磁導(dǎo)率的電磁屏蔽材料的吸波性能是較好的。通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，近些年來磁性高分子有機(jī)材料的研究進(jìn)展迅速，這使得將磁性有機(jī)材料引入到Salisbury屏的研究中成為可能，也為抗電磁輻射吸波性能的研究提供了新的方向［9-16］。多篇文獻(xiàn)中提到三維網(wǎng)格法在涂層吸波材料理論設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，被多數(shù)理論研究者所認(rèn)可［10-12］。本文主要是將有機(jī)抗電磁輻射材料引入到Salisbury的研究之中，利用三維網(wǎng)格法進(jìn)行分析，為Salisbury屏的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo)性手段，從而提高設(shè)計(jì)的效率和效果。

1　經(jīng)典Salisbury屏的電磁波吸收機(jī)理

經(jīng)典Salisbury屏的電磁波吸收機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖1所示，在理想導(dǎo)體的前面是厚度為d的介質(zhì)屏，d的取值接近于0，并且由介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ在z方向是任意的隔離層隔開，滿足邊界條件［1-2］

當(dāng)頻率為f的電磁波以任意角度入射到Salisbury屏?xí)r，總的后向反射率可以表示為

圖1　基底為金屬導(dǎo)體的Salisbury屏電磁波吸收機(jī)理機(jī)構(gòu)圖

2　隔離層為有機(jī)抗電磁輻射材料的Salisbury屏的電磁特性

將有機(jī)抗電磁輻射材料做成平板形狀，填充到Salisbury屏的隔離層中，此時(shí)隔離層的相對(duì)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)由原來的μr=1，εr=實(shí)數(shù)，變成μr= μr1-iμr2，εr=εr1-iεr2的復(fù)數(shù)形式。接下來的研究中，就是將復(fù)數(shù)形式的相對(duì)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)帶入到總后向反射率的公式中，通過網(wǎng)格法討論電磁參數(shù)、隔離層厚度、頻率與后向反射率之間的關(guān)系，進(jìn)而給出優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3　利用三維網(wǎng)格法討論優(yōu)化設(shè)計(jì)中參數(shù)之間的關(guān)系

3.1隔離層為損耗介質(zhì)的Salisbury屏

圖2、圖3所示為純電屏且隔離層為損耗介質(zhì)情況下，εr1=εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω時(shí)，隔離層厚度d1（mm）、頻率f（GHz）和總反射率R（dB）之間的網(wǎng)格圖。

圖2　εr1=εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω時(shí)，f-d1-R網(wǎng)格圖

圖3　εr1=εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω時(shí)，f-d1-R等高線

從圖2、圖3可以看出，當(dāng)ze=400Ω，厚度大于1mm，頻率為8～18GHz的電磁波入射到屏上時(shí)，都能獲得大于5dB的總反射率，同時(shí)隨著屏的厚度增加在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的總反射率大于7dB；對(duì)于某一頻率的電磁波，隨著屏的厚度增加，總反射率的dB值將增加，即屏吸收電磁波的效果增強(qiáng)。另外，對(duì)于總反射率為一定值時(shí)，只要保證低頻對(duì)屏厚度的要求就可以了。

從圖4、圖5可以看出，當(dāng)頻率取8GHz，電磁波入射到屏上時(shí)，獲得了大于3dB的總反射率，同時(shí)隨著屏的厚度和屏阻抗的增加，總反射率大于10dB；對(duì)于某一厚度，隨著屏阻抗的增加，總反射率有明顯的增加。

圖4　f=8GHz，εr1=εr2=4，μr1=μr2=2時(shí)，d1-ze-R網(wǎng)格圖

圖5　f=8GHz，εr1=εr2=4，μr1=μr2=2時(shí)，d1-ze-R等高線

3.2隔離層為有機(jī)抗電磁輻射材料的Salisbury屏

為了更好地提高Salisbury屏的吸波性能，將隔離層的材料換成有機(jī)抗電磁輻射材料，通過網(wǎng)格法，找到隔離層厚度變化對(duì)總后向反射率的影響，找到較為合適的隔離層厚度，同時(shí)保證在8～18GHz帶寬內(nèi)有較好的dB反射率，同時(shí)還可以大大降低Salisbury屏的重量。如圖5所示，用εr1= εr2=4，μr1=μr2=2的材料作為隔離層。

3.3利用三維網(wǎng)格法討論有機(jī)抗電磁輻射材料的

電磁參數(shù)的匹配特性

從以前的工作中可以看到，對(duì)于多參數(shù)的討論，三維網(wǎng)格法能夠直觀地反映參數(shù)之間的相互關(guān)系。下面取有機(jī)抗電磁輻射材料厚度為5mm，電磁波頻率為8GHz，利用三維網(wǎng)格法討論各個(gè)參數(shù)的匹配問題。

從圖6、圖7可以看出，對(duì)于d1=5 mm，f= 8GHz時(shí)，有機(jī)抗電磁輻射材料作為隔離層的屏，要達(dá)到10～40dB值，介電常數(shù)εr1和εr2應(yīng)取較小的值，這和文獻(xiàn)［5］中提到的減小表面反射以提高總后向反射率的要求是一致的。另外圖7給出，對(duì)后向反射率起主要作用的是εr1。

類似以上的討論，從圖8、圖9可以看出三維網(wǎng)格的Salisbury屏的磁導(dǎo)率的變化趨勢(shì)。當(dāng)μr1和 μr2取值較小時(shí)，就能夠得到較高的dB值，這樣的μr1和μr2取值在實(shí)際材料設(shè)計(jì)中也是可以實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)在μr1和μr2中，對(duì)后向反射率起主要作用的是μr2，這和文獻(xiàn)的表述是一致的。

圖6　d1=5mm，f=8GHz時(shí)，有機(jī)磁性材料作為隔離層時(shí)，εr1-εr2-R網(wǎng)格圖

圖7　d=5mm，f=8GHz時(shí)，有機(jī)磁性材料作為隔離層時(shí)，εr1-εr2-R等高線

圖8　d1=5mm，f=8GHz時(shí)，有機(jī)磁性材料作為隔離層時(shí)，μr1-μr2-R網(wǎng)格圖

3.4有機(jī)抗電磁輻射材料作為隔離層的具體優(yōu)化實(shí)例

根據(jù)以上電磁參數(shù)之間的匹配關(guān)系，取εr1= εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω，繪制了d=1∶0.5∶20mm，f=8∶2∶18GHz的Salisbury屏的優(yōu)化設(shè)計(jì)曲線，d1-R（dB）曲線如圖10所示。

由以上的設(shè)計(jì)可以看出，當(dāng)d1=1mm時(shí)，8～18GHz頻率帶寬內(nèi)都能獲得5.5dB以上的后向反射率，這在實(shí)際應(yīng)用中是允許的，說明設(shè)計(jì)結(jié)果是可行的。

圖9　d1=5mm，f=8GHz時(shí)，有機(jī)磁性材料作為隔離層時(shí)，μr1-μr2-R等高線

圖10　d1=1mm，εr1=εr2=10，μr1=μr2=2，損耗材料作為隔離層時(shí)，f-R（dB）曲線

4　結(jié) 論

從以上的討論和設(shè)計(jì)可以看出，將有機(jī)抗電磁輻射材料作為Salisbury屏的優(yōu)化隔離層材料，在很薄的情況下就能使后向反射率獲得很好的衰減，而且利用網(wǎng)格法使得參數(shù)之間匹配關(guān)系的討論更加直觀和方便，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的理論支持。

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［責(zé)任編輯：劉文霞］

Application of organic materials resisting to electromagnetic radiation in Salisbury screen optimized design

ZHANG Zhiming1，YU Anqi2，ZHANG Haifeng1，XING Taotao1，LIU Jinlong1，F(xiàn)U Changwei1，WANG Dongfang1
（1.College of Science，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China；2.Oral Cavity Medical College，Jiamusi University，Jiamusi 154004，China）

Abstract：In this paper，the organic materials resisting to electromagnetic radiation are used as isolation layer of Salisbury screen，to substitute for the isolation layer of the classic Salisbury screen.Through the design and discussion using three dimensional lattice method，a more intuitive electromagnetic parameter matching rule is given.From the consideration in panorama analysis method，the one-sidedness to separate discussion or to emphasize a particular parameter will be reduced.

Key words：organic materials resisting to electromagnetic radiation；Salisbury screen；three dimensional lattice method

中圖分類號(hào)：TN972+.44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679（2016）02-0042-04

收稿日期：2015-12-13

基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃課題（2012sj019）；佳木斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究面上項(xiàng)目（Lz2013-017；Ljz2012-14；12Z1201516；cxtd2013-03）；黑龍江省高教學(xué)會(huì)規(guī)劃課題（HGJXHB1110104）

作者簡介：張志明（1989-），男，本科生，研究方向：高分子磁性材料的應(yīng)用研究.