Jauman吸收體的吸波特性

姜曉文, 黃大慶, 張 昳, 史有強(qiáng), 王智勇

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

Salisbury屏和Jauman（也寫(xiě)作Jaumann[1]）吸收體均為干涉型吸波材料，其中Salisbury屏為兩層結(jié)構(gòu)，第一層材料為支撐體（也叫隔離層），厚度為電磁波波長(zhǎng)的四分之一，第二層材料具有一定導(dǎo)電性，厚度非常薄，稱(chēng)為電阻屏[2-4]。Jauman吸收體是Salisbury吸收體的延伸，Salisbury屏屬于一種最簡(jiǎn)單的Jauman吸收體。Jauman吸收體可看作是將多個(gè)Salisbury吸收體復(fù)合疊加而形成[5]。Jauman型吸收體在能源利用、寬帶吸收體設(shè)計(jì)、吸收體電路模擬計(jì)算等多方面得到應(yīng)用和發(fā)展[6-8]。

NEO等運(yùn)用Smith圓圖詳細(xì)分析了Salisbury屏的吸波特性和電磁波零反射原理，即當(dāng)電阻屏表面電阻等于自由空間阻抗時(shí)（R= 377 Ω），隔離層厚度對(duì)應(yīng)的四分之一波長(zhǎng)的電磁波進(jìn)入Salisbury屏后會(huì)發(fā)生零反射現(xiàn)象；同時(shí)還分析了雙電阻屏Jauman吸收體和三電阻屏Jauman吸收體的電磁特性，并給出了在特定頻率下雙電阻屏Jauman吸收體和三電阻屏Jauman吸收體每一層電阻屏電阻值的計(jì)算方法[9]。Li等也運(yùn)用Smith圓圖分析并設(shè)計(jì)了吸波性能優(yōu)異、寬帶的三電阻屏Jauman吸收體，當(dāng)三個(gè)電阻屏的電阻分別為R1= 320 Ω，R2= 670 Ω，R3= 1560 Ω時(shí)，組成的Jauman吸收體在4～16 GHz頻率范圍內(nèi)反射率均小于–20 dB[10]。另外，KNOTT等設(shè)計(jì)并分析了圓柱形的五電阻屏Jauman吸收體的吸波特性（R1= 75.4 Ω，R2= 304 Ω，R3=679 Ω，R4= 1206 Ω，R5= 1885 Ω）[11]。

目前關(guān)于Jauman吸收體研究中主要采用通過(guò)調(diào)控電阻屏表面電阻進(jìn)行吸波性能設(shè)計(jì)，對(duì)電阻屏表面電阻關(guān)注較多，而在電阻屏材質(zhì)選擇上以及通過(guò)電阻屏的電磁參數(shù)分析Jauman吸收體的吸波特性方面報(bào)道較少，忽略了電阻屏本身厚度對(duì)材料輸入阻抗的影響，因而限制了用傳輸線方法研究Jauman吸收體以及Jauman吸收體的寬帶設(shè)計(jì)和應(yīng)用。本工作采用聚氨酯泡沫作為隔離層材料，有機(jī)導(dǎo)電涂層材料作為電阻屏，測(cè)試電阻屏的電磁參數(shù)，首先研究Salisbury屏吸波特性，包括不同電阻屏厚度對(duì)電磁波輸入阻抗、反射系數(shù)以及反射率的影響，然后計(jì)算雙電阻屏Jauman吸收體輸入阻抗，以及研究電阻屏厚度對(duì)Jauman吸收體反射系數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)及方法

1.1 材料

石蠟：工業(yè)級(jí)；導(dǎo)電金屬粉S，工業(yè)級(jí)，北京航空材料研究院；聚氨酯泡沫，工業(yè)級(jí)，北京航空材料研究院。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

材料在頻率為8～18 GHz的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率下，基于同軸法和波導(dǎo)法采用矢量網(wǎng)絡(luò)儀進(jìn)行測(cè)定；測(cè)試設(shè)備為HP8722ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)傳輸線理論模擬計(jì)算出Salisbury屏和Jauman吸收體輸入阻抗、反射系數(shù)和反射率等。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收劑電磁參數(shù)

選取導(dǎo)電金屬粉S，將金屬粉S與石蠟按質(zhì)量比為1∶1共混，制成有機(jī)導(dǎo)電涂層材料，然后測(cè)試其在電磁波頻率范圍為8～18 GHz時(shí)的電磁參數(shù)；另外測(cè)試聚氨酯泡沫在頻率范圍為8～18 GHz的電磁參數(shù)[12]。依據(jù)上述聚氨酯泡沫材料和有機(jī)導(dǎo)電涂層材料電磁參數(shù)運(yùn)用傳輸線理論計(jì)算Salisbury屏和Jauman吸收體的輸入阻抗、反射系數(shù)和反射率等數(shù)據(jù)。

圖1是導(dǎo)電材料和聚氨酯泡沫在8～18 GHz范圍內(nèi)的電磁參數(shù)曲線。從圖1（a）中可以看出，當(dāng)電磁波頻率為8 GHz時(shí)，有機(jī)導(dǎo)電材料的介電常數(shù)實(shí)部ε′值為89，介電常數(shù)虛部ε′′值高達(dá)209，頻率為18 GHz時(shí)，有機(jī)導(dǎo)電材料的ε′值為18.9，ε′′值高達(dá)116，具有很高的介電常數(shù)，而磁導(dǎo)率實(shí)部μ′和虛部μ′′在8～18 GHz范圍內(nèi)均很小。從圖1（b）中可以看出，聚氨酯泡沫的ε′值在頻率為8～18 GHz范圍內(nèi)基本保持不變，為1.6左右，μ′為1.0左右，ε′′和μ′′值均接近為零，與自由空間電磁參數(shù)接近，因此聚氨酯泡沫可以作為Salisbury屏和Jauman吸收體的隔離層材料。

圖1 兩種材料電磁參數(shù) （a）有機(jī)導(dǎo)電材料；（b）聚氨酯泡沫；Fig. 1 Electromagnetic parameters of two kinds of materials （a）conducting coating；（b）PU foam

2.2 Salisbury屏分析

采用上述聚氨酯泡沫和有機(jī)導(dǎo)電涂層材料可以制成Salisbury屏吸收體，其中氨酯泡沫作為隔離層，有機(jī)導(dǎo)電涂層材料作為電阻屏材料。圖2是Salisbury屏吸收體結(jié)構(gòu)示意圖，Salisbury屏的基底一般為金屬平板或金屬膜，可以近似看作是理想導(dǎo)體，第一層即底層為隔離層，第二層即面層為電阻屏。

圖2 Salisbury屏吸收體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Scheme of Salisbury screen absorber material

設(shè)定Salisbury屏底層材料聚氨酯泡沫厚度為4 mm，根據(jù)四分之一波長(zhǎng)原理，其對(duì)應(yīng)電磁波發(fā)生干涉相消時(shí)的波長(zhǎng)為16 mm，電磁波頻率為14.6 GHz，位于較為常見(jiàn)的Ku波段。研究當(dāng)?shù)诙硬牧虾穸仍?～0.1 mm范圍內(nèi)時(shí)，Salisbury屏的吸波特性。

式（1）是Salisbury屏吸收體的第一層輸入阻抗Zin1計(jì)算公式，其中η1是第一層材料特征阻抗，Γ1是電磁波在第一層材料中復(fù)傳播常數(shù)。式（2）是Salisbury屏吸收體的第二層輸入阻抗Zin2計(jì)算公式，其中η2是第二層材料特征阻抗，Γ2是電磁波在第二層材料中復(fù)傳播常數(shù)[13]。式（3）是歸一化輸入阻抗zin計(jì)算公式（歸一化常數(shù)為自由空間特征阻抗η0）。

根據(jù)式（1）和（2）可以計(jì)算Salisbury屏的輸入阻抗和歸一化輸入阻抗。圖3是Salisbury屏歸一化輸入阻抗絕對(duì)值|zin|隨材料厚度變化曲線。從圖3中可以看出，在材料厚度從0開(kāi)始逐漸增加至4.1 mm時(shí)，|zin|隨材料厚度增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。其中：（1）在材料厚度從0開(kāi)始逐漸增加至4 mm時(shí)（即在Salisbury屏的隔離層內(nèi)部區(qū)域），|zin|從0開(kāi)始緩慢增加，當(dāng)材料厚度接近4 mm時(shí)，|zin|急劇增加，材料厚度4 mm時(shí)（即在Salisbury屏底層與面層的界面處）|zin|達(dá)最大值31.3，而自由空間歸一化阻抗為1，表明材料的輸入阻抗與自由空間阻抗差距很大，阻抗匹配性很差。（2）當(dāng)材料厚度從4 mm逐漸增加至4.1 mm時(shí)（即在Salisbury屏的電阻屏內(nèi)部區(qū)域），|zin|隨厚度增加而急劇下降，當(dāng)厚度為4.1 mm時(shí)|zin|降至0.23，明顯小于1，表明材料的輸入阻抗與自由空間阻抗差距很大，阻抗匹配性很差。另外，當(dāng)材料厚度分別為2.3 mm和4.022 mm時(shí)，|zin| = 1；當(dāng)厚度為2.3 mm時(shí)，根據(jù)式（1）和（2），可得zin= 0.03 + j，而自由空間歸一化阻抗為1，表明材料的輸入阻抗與自由空間阻抗差距很大，因此在材料厚度為2.3 mm時(shí)，材料與自由空間阻抗匹配性仍然很差；當(dāng)材料厚度為4.022 mm時(shí)，zin= 0.98 + 0.19j，而自由空間歸一化阻抗為1，兩者較接近，表明材料輸入阻抗與自由空間阻抗匹配性較好。

圖3 Salisbury屏對(duì)電磁波的歸一化輸入阻抗絕對(duì)值（|zin|）Fig. 3 Absolute value of normalized input impedance（|zin|）of Salisbury screen on microwave

圖4是Salisbury屏的第二層厚度為0～100 μm時(shí)的反射系數(shù)Γ的Smith圓圖（其中第一層材料厚度為4 mm保持不變），圖中標(biāo)有?20.4 dB的圓圈代表在此圓圈上的點(diǎn)的|Γ|值所對(duì)應(yīng)的反射率均為?20.4 dB。從圖4中可以看出，對(duì)于頻率為14.6 GHz電磁波，Γ隨第二層厚度增加而變化明顯，Γ的絕對(duì)值|Γ|（即曲線上的點(diǎn)與圓心的距離）呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。當(dāng)?shù)诙雍穸葹?.5 μm時(shí)，|Γ|的值為0.9；當(dāng)?shù)诙雍穸戎饾u增加至22 μm時(shí)，|Γ|的值最小，為0.096，在此厚度下的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)反射率為?20.4 dB，表明在此厚度下材料的吸波性能優(yōu)異；當(dāng)?shù)诙雍穸壤^續(xù)增加至100 μm時(shí)，|Γ|的值逐漸升高至0.63，表明吸波性能逐漸變差。

圖4 Salisbury屏對(duì)電磁波的反射系數(shù)Γ的Smith圓圖Fig. 4 Reflection coefficient Γ of Salisbury screen

圖5是Salisbury屏的第二層（電阻屏）厚度為0～100 μm時(shí)對(duì)頻率為14.6 GHz電磁波反射率曲線（其中第一層材料厚度為4 mm保持不變）。從圖5中可以看出，隨著第二層厚度增加，材料反射率呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律，當(dāng)?shù)诙雍穸葹?.5 μm時(shí)，材料反射率為?0.92 dB，當(dāng)?shù)诙雍穸壤^續(xù)增加至22 μm時(shí)，材料反射率達(dá)最小值?20.4 dB，隨后當(dāng)?shù)诙雍穸壤^續(xù)增加至100 μm時(shí)，材料反射率由最小值逐漸升高至?3.99 dB。

圖5 不同厚度Salisbury屏對(duì)電磁波的反射率Fig. 5 Reflectivity of Salisbury screen with different thicknesses

2.3 Jauman吸收體分析

圖6是雙電阻屏四層Jauman吸收體結(jié)構(gòu)示意圖，其中第一層和第三層為隔離層，第二層和第四層為電阻屏。表1是雙屏Jauman吸收體各層數(shù)據(jù)，其中第一層和第三層材料均為聚氨酯泡沫，設(shè)定厚度均為4 mm不變；根據(jù)上述Salisbury屏結(jié)果將第二層厚度設(shè)定為22 μm，研究當(dāng)?shù)谒膶雍穸仍?～100 μm之間時(shí)的吸波特性。

圖6 雙屏Jauman吸收體示意圖Fig. 6 Scheme of double-screen Jauman microwave absorbing material with four layers

表1 雙屏Jauman吸收體的各層數(shù)據(jù)Table 1 Data of layers of double-screen Jauman absorber

圖7是雙屏Jauman吸收體的|zin|隨材料厚度變化曲線。從圖7中可以看出，在材料厚度從0開(kāi)始逐漸增加至8.122 mm時(shí)，|zin|隨材料厚度增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。在材料厚度從0開(kāi)始逐漸增加至4 mm（即在Jauman吸收體的第一層內(nèi)部區(qū)域）以及從4 mm增加至4.022 mm（即在Jauman吸收體的第二層內(nèi)部區(qū)域）時(shí)，|zin|的值與上述Salisbury屏的|zin|計(jì)算結(jié)果相同。在材料厚度從4.022 mm逐漸增加到8.022 mm（即在Jauman吸收體第三層內(nèi)部區(qū)域）時(shí)，|zin|從1開(kāi)始緩慢下降，當(dāng)材料厚度為8.022 mm時(shí)，|zin|為0.62。當(dāng)材料厚度從8.022 mm逐漸增加至8.122 mm（即在Jauman吸收體第四層內(nèi)部）時(shí)，|zin|進(jìn)一步降低，當(dāng)材料厚度為8.122 mm時(shí)，|zin|為0.17，表明材料與自由空間阻抗匹配性較差。因此需進(jìn)一步研究第二層電阻屏厚度變化對(duì)Jauman吸收體吸波性能的影響。

圖7 雙屏Jauman吸收體對(duì)電磁波的|zin|值Fig. 7 Absolute value of normalized input impedance（|zin|）of double-screen Jauman screen

表2 不同電阻屏厚度的雙屏Jauman吸收體各層數(shù)據(jù)Table 2 Data of layers of double-screen Jauman absorber

圖8 雙屏Jauman吸收體對(duì)電磁波的反射系數(shù)Smith圓圖Fig. 8 Reflection coefficient of double-screen Jauman screen

表2是不同電阻屏厚度的雙屏Jauman吸收體各層數(shù)據(jù)，其中第二層厚度范圍為12～82 μm，第四層厚度為0 ～100 μm。圖8是不同電阻屏厚度的Jauman吸收體的Γ的Smith圓圖。從圖8中可以看出，當(dāng)?shù)诙雍穸葹?2 μm時(shí)，|Γ|的最小值為0.48（此時(shí)第四層厚度接近為零）。隨著第二層厚度逐漸增加，|Γ|的最小值逐漸降低，當(dāng)?shù)诙雍穸仍黾又?2 μm時(shí)，|Γ|的最小值為0.00157（此時(shí)第四層厚度為11 μm），表明反射系數(shù)逐漸變小，吸波性能逐漸變好。當(dāng)?shù)诙雍穸仍黾又?2 μm時(shí)，|Γ|的最小值為0.0134（此時(shí)第四層厚度為13.5 μm），因此第二層厚度優(yōu)選72 μm。

表3為Salisbury屏和經(jīng)過(guò)厚度設(shè)計(jì)得到的雙屏Jauman吸收體各層數(shù)據(jù)。圖9是Salisbury屏和雙屏Jauman吸收體對(duì)不同頻率電磁波的反射率性能曲線。從圖9中可以看出，雙屏Jauman吸收體在頻率為10.3～18 GHz范圍內(nèi)反射率小于?15 dB，吸收帶寬為7.7 GHz，而Salisbury屏在10.2～16.1 GHz范圍內(nèi)反射率小于?15 dB，吸收帶寬為5.9 GHz；雙屏Jauman吸收體在頻率為4.9～18 GHz小于?10 dB，吸收帶寬為13.1 GHz，Salisbury屏在8.9～18 GHz范圍內(nèi)反射率小于?10 dB，吸收帶寬9.1 GHz，表明雙屏Jauman吸收體吸收帶寬明顯大于Salisbury屏吸收體。

表3 Salisbury屏和雙屏Jauman吸收體各層數(shù)據(jù)Table 3 Layers of Salisbury screen material and doublescreen Jauman screen material

圖9 Salisbury屏和雙屏Jauman吸收體對(duì)電磁波的反射率Fig. 9 Reflectivity of Salisbury screen and double-screen Jauman absorber

3 結(jié)論

（1）Salisbury屏吸收體第二層厚度對(duì)電磁波輸入阻抗及反射率均影響很大。反射系數(shù)Γ隨第二層厚度增加而明顯變化，Γ的絕對(duì)值|Γ|呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。當(dāng)?shù)诙雍穸葹?2 μm時(shí)，|Γ|最小，為0.096，在此厚度下的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)反射率為?20.4 dB，表明在此厚度下材料的吸波性能優(yōu)異。

（2）雙屏Jauman吸收體的第二層厚度對(duì)反射率影響較大。反射系數(shù)Γ隨Jauman吸收體第二層厚度增加而明顯變化，|Γ|的最小值呈現(xiàn)先減小后變大的規(guī)律。當(dāng)?shù)诙雍穸葹?2 μm，第四層厚度為11 μm時(shí)，反射|Γ|最小值為0.00157，對(duì)應(yīng)反射率為-56 dB，吸波性能最優(yōu)。

（3）經(jīng)過(guò)阻抗匹配設(shè)計(jì)，雙屏Jauman吸收體在頻率為10.3～18 GHz小于?15 dB，帶寬為7.7 GHz，Salisbury屏在10.2～16.1 GHz范圍內(nèi)反射率小于?15 dB，帶寬為5.9 GHz；雙屏Jauman吸收體在頻率為4.9～18 GHz小于?10 dB，帶寬為13.1 GHz，Salisbury屏在8.9～18 GHz范圍內(nèi)反射率小于?10 dB，帶寬9.1 GHz，表明雙屏Jauman吸收體吸收帶寬明顯大于Salisbury屏吸收體。