電波暗室用吸波材料的優(yōu)化選擇方案

龍圣

（ 中認(rèn)尚動(dòng)（上海）檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200031 ）

電波暗室用吸波材料的優(yōu)化選擇方案

龍圣

（ 中認(rèn)尚動(dòng)（上海）檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200031 ）

介紹吸波材料的性能參數(shù)，對(duì)錐型、鐵氧體瓦片、復(fù)合型吸波材料的反射率差異進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用實(shí)例比較聚氨酯海綿和聚苯乙烯硬質(zhì)吸波材料的性能差異。通過(guò)對(duì)比闡述每種吸波材料的優(yōu)缺點(diǎn)，制定優(yōu)化的選擇方案。

電波暗室；吸波材料；鐵氧體；聚氨酯；聚苯乙烯；優(yōu)化

0 引言

吸波材料種類(lèi)繁多，從結(jié)構(gòu)形式上可分為：錐型、楔型、鐵氧體瓦片、鐵氧體格和錐型/楔型與鐵氧體瓦/格組合的復(fù)合型。按其材質(zhì)可區(qū)分為聚氨酯海綿、無(wú)紡布以及聚苯乙烯硬質(zhì)。對(duì)于籌建中的電波暗室而言，吸波材料的選擇將直接關(guān)系到電波暗室的吸波效能。本文結(jié)合中認(rèn)尚動(dòng)（上海）檢測(cè)技術(shù)公司最新投入使用的電波暗室為例，重點(diǎn)討論錐型、鐵氧體瓦和復(fù)合型三種結(jié)構(gòu)，以及聚氨酯海綿和聚苯乙烯硬質(zhì)兩種材質(zhì)，對(duì)比分析其各自性能，給出優(yōu)化后的吸波材料選擇方案。

1 性能要求

吸波材料是建造電波暗室的關(guān)鍵材料，可有效吸收入射的電磁波，降低目標(biāo)的回波強(qiáng)度，從而顯著減少影響測(cè)量精度的雜散干擾。因此，對(duì)電磁波吸波材料的基本要求為：

第一，入射波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部而不在其前表面反射，即：材料應(yīng)具有較好的阻抗匹配特性；

第二，進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能量迅速地被材料吸收并衰減，即：材料應(yīng)具有較好的衰減特性。

從定量角度分析，吸波材料電性能要求如下：

1）反射率，作為吸波材料最重要的指標(biāo)，其定義為

式中，Ei和Pi分別為入射平面波的場(chǎng)強(qiáng)和功率，Er和Pr，分別為反射波的場(chǎng)強(qiáng)和功率，而Ei/Er和Pi/Pr，分別表示電壓反射系數(shù)和功率反射系數(shù)。式（1）表明，反射率均為負(fù)值，反射率越小，吸波材料的性能越好。

電波暗室用吸波材料要求見(jiàn)表1。

表1 電波暗室用吸波材料要求

表1給出了幾種不同暗室對(duì)于吸波材料反射率的最低要求，輻射發(fā)射測(cè)試要求最高，抗擾度測(cè)試其次，軍用標(biāo)準(zhǔn)最低。

2）頻帶寬度，指反射率低于某一給定最小值(如-20 dB)的頻率范圍。

3）入射角敏感性，指反射率隨入射角變化的依賴關(guān)系。

正入射和斜入射反射率的對(duì)比（參考）見(jiàn)圖1。

圖1 正入射和斜入射反射率的對(duì)比（參考）

由圖1可見(jiàn)，吸波材料的反射率在正入射時(shí)最好，隨著入射角的增加，反射率逐漸變差。在設(shè)計(jì)暗室時(shí)，應(yīng)考慮到斜入射時(shí)吸波材料的反射率變差情況。

4）極化特性，指電磁場(chǎng)對(duì)于入射平面的指向。吸波材料的吸收特性因極化而異。

5）品質(zhì)因素，指吸波材料厚度d與其所覆蓋的最大波長(zhǎng)λmax之比，即d/λmax，該值越小，表明材料性能越好。

另外，在工程上還要求吸波材料具有相應(yīng)的力學(xué)、熱力學(xué)性能及低廉的成本，如厚度薄、重量輕、緊固耐用、阻燃、散熱性好以及易于施加和價(jià)格適中等特點(diǎn)。

上述要求往往是相互矛盾的，因而在設(shè)計(jì)和研制吸波材料時(shí)，必須對(duì)其厚度、結(jié)構(gòu)和材料等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)吸波頻帶寬度和材料性能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

2 材料分類(lèi)

電波暗室用吸波材料按損耗機(jī)制分為電損耗型和磁損耗型。

常見(jiàn)的電損耗型吸波材料包括錐型和楔型。磁損耗型吸波材料如鐵氧體瓦片和華夫格，都是以鐵氧體材料為主的吸波體。除此之外，自上世紀(jì)90年代起，一種將錐型吸波材質(zhì)與鐵氧體瓦片結(jié)合的復(fù)合型吸波材料在市場(chǎng)出現(xiàn)。

2.1 錐型吸波材料

目前，被電波暗室廣泛采用的電損耗型吸波材料是一種海綿狀的錐型吸收體，如圖2所示。

圖2 聚氨酯錐型吸波材料

棱錐型設(shè)計(jì)使吸收體的傳輸阻抗盡可能與周?chē)臻g空氣介質(zhì)的阻抗相接近。錐型吸波材料通常采用聚胺脂類(lèi)發(fā)泡海綿在碳(或石墨)膠體溶液和各種助劑（如阻燃劑）的溶液中浸漬，使海綿結(jié)構(gòu)中留下均勻、足夠的碳粒，晾干后，在其表面涂覆一種低反射率的涂料作為保護(hù)層即可。

圖3為2.44 m聚氨酯錐陣、26%滲碳加載0°和45°斜入射時(shí)的反射率。

圖3 聚氨酯海綿吸波材料反射率

如圖3所示，聚氨酯海綿吸波材料（也稱尖劈，2.44 m聚氨酯錐陣、26%滲碳加載0°和45°入射）在30 MHz～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)，反射率隨頻率的增加而降低。在200 MHz頻率點(diǎn)，反射率已經(jīng)優(yōu)于-20 dB，但在30 MHz低頻部分，反射率高達(dá)-12 dB左右，可見(jiàn)該型吸波材料性能在高頻部分表現(xiàn)更好。

錐型吸波材料的高度與欲吸收的電磁波頻率有關(guān)。欲吸收的電磁波頻率越低, 則錐體的高度越高。根據(jù)λ/4吸收層理論，錐體的高度應(yīng)力大于、等于最低吸收頻率的λ/4波長(zhǎng)。以實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中經(jīng)常使用的30 MHz～1 000 MHz頻率范圍為例，為使吸波材料在30 MHz的頻率下正常工作，錐體的高度不應(yīng)低于2.5 m。如此高度的尖劈不僅在安裝時(shí)略顯困難，其維護(hù)成本也同比增加，使用壽命短。

2.2 鐵氧體瓦片吸波材料

電波暗室用鐵氧體吸波材料主要以薄片型為主，少量通風(fēng)波導(dǎo)窗應(yīng)用柵格型。薄片型鐵氧體吸波材料通稱為鐵氧體瓦，主要以Fe3O4、Ni、Zn、Co、Cu等磁性材料通過(guò)磨粉、燒結(jié)等工藝成型。二十世紀(jì)70年代，日本開(kāi)發(fā)了鐵氧體瓦作為聚氨酯錐型的替代物。瓦的吸波性能和空氣較接近，界面反射小，入射波直接滲入瓦片。瓦片對(duì)磁場(chǎng)損耗大，滲入波被吸收，如有穿過(guò)瓦片的則被金屬板反射重又回到瓦片，被再次吸收。

圖4為鐵氧體瓦（6.38 mm鐵氧體瓦0°和45°入射）的反射率，600 MHz以下性能較好，600 MHz以上性能較差，可見(jiàn)其在低頻范圍內(nèi)性能表現(xiàn)更好。

圖4 鐵氧體瓦反射率

使用鐵氧體瓦作為吸波材料，低頻吸收性能高，體積小。另外，鐵氧體瓦片使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)氣味、不燃燒、防火防潮性能好且不易老化，安裝簡(jiǎn)便，且一次安裝后無(wú)需維護(hù)。缺點(diǎn)：重量大，價(jià)格相比尖劈更高，高頻性能差。

3.3 復(fù)合型吸波材料

尖劈在200 MHz以上有很小的反射率，而鐵氧體瓦在600 MHz以下有較好的性能，所以可把二者結(jié)合起來(lái)，鐵氧體瓦片吸波材料主要是在低頻段吸波，而尖劈介質(zhì)吸波材料是在高頻段吸波，從而在全頻段都可達(dá)到較好的反射率，稱為復(fù)合型吸波材料，其組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)合型吸波材料結(jié)構(gòu)

圖6為復(fù)合型吸波材料（61 cm錐/鐵氧體瓦復(fù)合吸波材料（瓦厚6 mm）0°和45°入射）的反射率曲線圖，對(duì)比可見(jiàn)，在30 M～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)，復(fù)合型吸波材料的反射率性能表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

圖6 復(fù)合型吸波材料反射率

通常，鐵氧體瓦吸收體反射率為-20 dB以下的頻率范圍為30 MHz～400 MHz。當(dāng)使用鐵氧體瓦吸收體時(shí)，錐體總高度為350 mm。因此，復(fù)合吸波材料的高度相比單一聚氨酯錐型吸波材料大大降低，增加了暗室的有效空間。

在圖4中顯示了鐵氧體瓦在600 MH～1 000 MHz時(shí)存在反射率惡化問(wèn)題，但只要在鐵氧體和金屬板之間加一層介質(zhì)，即可解決該問(wèn)題，以減小反射率。為了進(jìn)一步改善該結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了在錐和瓦之間加若干層聚氨脂材料，最終形成了圖7所示的復(fù)合型吸波材料。

圖7 錐/過(guò)渡層/鐵氧體瓦/介質(zhì)層復(fù)合吸波材料

中認(rèn)尚動(dòng)（上海）檢測(cè)技術(shù)有限公司最新投入使用的暗室中，采用的正是該結(jié)構(gòu)復(fù)合吸波材料，其反射率性能見(jiàn)圖8。

圖8 錐/鐵氧體瓦/介質(zhì)層（在錐和鐵氧體瓦間加入三層聚氨酯）的復(fù)合吸波材料的反射率

3 材料對(duì)比

在供應(yīng)商提供的兩種復(fù)合型吸波材料（聚氨酯材質(zhì)的海綿吸波材料和聚苯乙烯材質(zhì)的硬質(zhì)吸波材料）方案中，所用的鐵氧體瓦型號(hào)均為FT-100，以此為例，對(duì)這兩不同材質(zhì)尖劈的電性能和物理性能進(jìn)行比較。

3.1 聚氨酯海綿吸波材料

聚氨酯海綿基的錐型吸波材料通常被認(rèn)為是第一代暗室吸波材料。以供應(yīng)商提供的型號(hào)為FS-300的吸波材料為例，F(xiàn)S系列吸波材料是該供應(yīng)商FAA吸波材料同鐵氧體瓦組合的復(fù)合型吸波材料，F(xiàn)S-300示意圖和反射率曲線見(jiàn)圖9。

圖9 FS-300 吸波材料圖片及反射曲線

吸波材料的反射曲線滿足70 MHz以上大于-6 dB和200 MHz以上大于-10 dB的條件，符合CISPR25標(biāo)準(zhǔn)和ISO 11452-2的標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)供應(yīng)商提供的資料性能如下：

1）頻率范圍：30 MHz～40 GHz或更高頻段；

2）阻燃性滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：NRL 8093 Tests 1、2和3， MIT MS-8-21，UL 94系列和DIN4102-B2等標(biāo)準(zhǔn)；

3）防水性：在95%的濕度條件下放置200 h，其物理性能和電磁吸收性能基本不變。

聚氨酯海綿吸波材料因其材料特性可揉捏壓縮變形而不會(huì)損壞，特別適用于需要經(jīng)常搬運(yùn)和容易接觸碰撞的場(chǎng)合。

海綿吸波材料缺點(diǎn)：受自身力學(xué)性能的限制，尺寸較難做大，高度過(guò)高時(shí)尖劈易下垂變形；海綿的開(kāi)孔泡沫結(jié)構(gòu)易吸水而受潮，從而影響其反射率性能；中后期出現(xiàn)掉粉（負(fù)載碳粉）現(xiàn)象，使用壽命短。

3.2 聚苯乙烯硬質(zhì)吸波材料

聚苯乙烯硬質(zhì)吸波材料是近幾年興起的新一代吸波材料，采用含有納米炭粉吸收劑以及環(huán)保型阻燃劑的聚苯乙烯原料，通過(guò)一系列復(fù)雜工藝制成由閉孔泡沫組成的尖劈。

以供應(yīng)商提供的型號(hào)DS-600H吸波材料為例，在工廠制作完成聚苯乙烯尖劈后，尖劈會(huì)運(yùn)至暗室安裝現(xiàn)場(chǎng)，與聚苯乙烯材質(zhì)的通用安裝底座組裝在一起，通過(guò)膠水與已固定在暗室墻面上的鐵氧體瓦緊密粘貼。該種方法可以保證吸波材料的整齊排列。

DS系列吸波材料結(jié)合了高性能碳載泡沫吸波材料與精密制造的鐵氧體瓦片，使自由空間阻抗平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換到損耗鐵氧體基底，更多的射頻能量進(jìn)入到鐵氧體，得到有效吸收。

作為最優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，圖10顯示出DS-600H在低頻和高頻都表現(xiàn)出不錯(cuò)的性能。在60 MHz～3 GHz頻率范圍內(nèi)，反射率小于-17 dB，在40 GHz以上的高頻，反射率更是低于-20 dB。

其性能如下：

1）頻率范圍：30 MHz～18 GHz，最高頻率上限可延展至40 GHz或更高頻段；

2）阻燃性滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：NRL 8093 Tests 1、2和3，TI 2693066，MIT MS-8-21，UL 94系列和DIN 4102-B2等標(biāo)準(zhǔn)；

3）防水性：聚苯乙烯材質(zhì)，DS材料其閉孔式設(shè)計(jì)使其本身不吸水。

聚苯乙烯硬質(zhì)吸波材料采用的閉孔結(jié)構(gòu)在同等密度下的電損耗高于開(kāi)孔型海綿材料。因此，同樣的吸波性能條件下，尖劈更低以增加暗室空間。同時(shí)，聚苯乙烯硬質(zhì)材料的耐磨和耐沖擊等機(jī)械性能更好，不易變形，使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年。其缺點(diǎn)是由于其硬質(zhì)的材料特性，此類(lèi)吸波材料搬運(yùn)不便，缺少柔韌性，遭遇撞擊可致斷裂。

圖10 DS-600H參考示意和反射率曲線

4 結(jié)語(yǔ)

吸波材料是電波暗室中最為重要的部分，選用不同吸波材料的性能也不盡相同。對(duì)于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室而言，在滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，盡量發(fā)揮各種不同吸波材料的優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到增加測(cè)試空間，優(yōu)化測(cè)試流程，減少維護(hù)成本，提高使用壽命以及降低建造費(fèi)用等效果?？紤]到建造電波暗室的資金投入大，對(duì)于一些僅進(jìn)行電子產(chǎn)品預(yù)測(cè)試的電波暗室，可適當(dāng)放寬對(duì)吸波材料的要求。

以中認(rèn)尚動(dòng)（上海）檢測(cè)技術(shù)有限公司最新投入使用的電波暗室為例，綜合考慮性能、使用壽命、維護(hù)成本和美觀度等方面因素后，在除地面外的五個(gè)面上使用了DS-600H型聚苯乙烯硬質(zhì)復(fù)合吸波材料，使電波暗室的使用壽命得以提高，間接降低使用成本。另外，其在寬頻段范圍內(nèi)的優(yōu)異反射率性能，可滿足實(shí)驗(yàn)室不同測(cè)試項(xiàng)目的需求。

考慮到地面吸波材料需要經(jīng)常搬移，屏蔽門(mén)吸波材料易碰撞，該處改用可揉捏壓縮變形而不會(huì)損壞的FS-300型聚氨酯海綿型復(fù)合吸波材料，其中地面所使用的為帶輪可移動(dòng)吸波材料。在單獨(dú)進(jìn)行高頻（1 GHz～18 GHz）SVSWR測(cè)試時(shí)則無(wú)需考慮吸波材料的低頻性能，不借助鐵氧體瓦也能達(dá)到良好的反射率，因此暗室地面選擇使用不帶鐵氧體瓦的可移動(dòng)式EHP-12PCL聚氨酯海綿吸波材料，重量進(jìn)一步減輕，方便測(cè)試人員進(jìn)行搬移。

[1]孟東林,肖恒杰,沙斐,等.電波暗室用吸波材料的性能優(yōu)化和選用[J].安全與電磁兼容,2005(1):59-63.

[2]姚世全,王素英,楊盛祥,等.電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

[3]劉維新.電波暗室用吸波材料的工藝和性能[J].安全與電磁兼容,2007(2):84-87.

[4]Christopher L. Holloway, Ronald R. DeLyser, Robert F. German, Paul MeKenna and Motohisa Kanda,“Electromagnetic Absorbers Used in Anechoic and Semi-Anechoic Chambers for Emissions and Immunity Testing of Digital Devices”, IEEE TRANSACTIONS Vol. 39 NO. 1 Feb. 1997.

[5]劉列.暗室用新型吸波材料的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)[J].安全與電磁兼容,2016(5):39-46.

Optimization Selection Scheme of Absorbers in Anechoic Chamber

Long Sheng
(CQC Standard (Shanghai) Testing Technology Co., Ltd. Shanghai 200233, China)

The performance parameters of absorbers have been briefly introduced, with the reflectivity differences of pyramidal absorber, ferrite tiles and hybrid absorber being described in detail, while performance differences between polyurethane composite and polystyrene composite absorber are compared through examples. By comparing the advantages and disadvantages of each absorber, an optimization selection scheme is worked out.

Anechoic chamber; Absorber; Ferrite; Polyurethane; Polystyrene; Optimization

TM25

A

1674-2796（2017）04-0018-06

2017-05-10

龍圣（1990—），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事電磁兼容測(cè)試技術(shù)與研究。