X帶吸波涂層的無反射曲線法設計

摘 要:本文根據電磁波吸收原理，以環氧樹脂為基材，炭黑為吸收劑，采用無反射曲線方法對X帶單涂層電磁波吸收材料進行了設計與制備。研究表明，炭黑濃度為0.086g/ml，厚度為2.6mm的涂層，在X帶(8～12GHz)，-10dB吸收帶寬達到55%以上，最大吸收為-17dB。本研究對設計與制備不同頻帶電磁波吸收涂層具有重要的參考價值。

關鍵詞:吸波涂料X帶無反射曲線設計

中圖分類號:TB文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0008-03

伴隨著信息技術和電子工業的迅速發展，各種電子設備日益增多，電磁頻帶使用逐漸加寬，電磁波污染也日益嚴重，電磁波控制材料尤其是吸收材料的研究與應用已經成為國內外科技與產業的熱點問題[1，2，3]。目前，針對雷達波段電磁輻射的控制一般采用涂料和板材形式。涂料以其附著結構表面，與結構一體化和少占空間等特點被廣泛使用。吸收涂料主要采用樹脂基材與吸收劑復合進行制備，吸收劑非常重要，一般采用介電材料或者磁性材料[4，5，6]。

根據電磁波吸收理論進行電磁波吸收材料的設計與制備是新材料制備能有效縮短吸波材料研制的周期，提高實驗工作的效率，是吸收材料制備的技術關鍵[7]。傳統方法一般先測量吸收劑的電磁參數，然后進行間接計算，設計缺乏準確性。本文對此進行改進，直接測試電磁波吸收涂層的介電常數，然后采用電磁波吸收的無反射曲線方法進行涂層設計[8，9]，并制備出新材料。研究表明，摻炭黑濃度為0.086g/ml，厚度為2.6mm的涂層在X帶(8～12GHz)，-10dB吸收帶寬達到55%以上，最大吸收為-17dB。本研究對設計與制備不同頻帶電磁波吸收涂層具有重要的實際意義。

1 電磁波吸收理論

1.1 阻抗匹配設計原理

從電磁學原理可知，電磁波從自由空間進入介質材料內部，要想實現好的吸波性能不僅需要材料具有大的介電損耗，還要求各層材料的阻抗實現相互匹配，達到最佳的電磁波吸收效果，這就是阻抗匹配原理。在數學處理上，一般采用電磁場傳輸線理論來模擬計算[8，9]。當電磁波垂直人射時，多層吸波材料(見圖1)的第與第層界面處的輸入阻抗為

由多層材料的輸入阻抗可計算反射率吸收量(dB):g

1.2 無反射曲線方法[9]

1.2.1 無反射曲線理論

當時，則電磁波無反射，對單層吸收體有

(1)式為垂直入射時的無反射方程

我們可以得到實部和虛部的兩個方程

解得得到到多次解，即無反射曲線，如圖2所示。

圖2曲線上標出的數字是的值。可以看出出，電磁波無反射時，介電常數虛部與實部同增同減，即無反射時隨頻率的增加介電常數實虛部分都要相應的增大。所對應的值隨介電常數的增大而變小，即在厚度d一定的情況下，頻率越大越易于高頻段的吸收。同時N最小值是1，表明某一頻率對應一個厚度最小值，若小于這一值則不可能實現無反射。

另外，從圖中可看出隨著無反射曲線條數的增加，相同所對應的逐漸減少，而逐漸增加，增加后所對應的厚度就會增加，尤其是在低頻段，會得到很大的厚度，這在實際應用上是行不通的，在高頻段很小相應厚度要小一些，一般來說，高頻段的吸收要比低頻段的吸收體要薄，在實際設計過程中可以注意這其中的變化。

設計電波吸收體時，首先要確定需要吸收的頻帶，然后在無反射曲線上查找材料的電磁參數，然后進行材料實驗配比，調制材料實際電磁參數符合設計要求。實驗時測定出，并求平面軌跡，然后求出軌跡與無反射曲線的交點。同時從公式中的的值可決定材料的厚度，從而獲得了滿足無反射條件之下的電波吸收體。圖3為單層介電材料模型[12]。采用環氧樹脂為基材，炭黑為吸收劑，介電常數為、厚度為d進行設計。采用涂刷法，根據GB/TI1927-1992標準，在大小為180mm×180mm的金屬板材上，分別制備厚度2.5mm的涂層樣品A，B，C，炭黑濃度分別為0.057g/ml，0.086g/ml，0.114g/ml。利用同軸管法分別測出10GHz時的電磁參數，并在無反射曲線上確定最近的點，如圖4所示。

其中，★點代表測出在10GHz頻率下，不同摻碳量環氧樹脂的電磁參數。由圖可知，當摻碳黑濃度0.086g/ml時黑點和無反射曲線最接近，此時。由于我們針對的是8～12GHz的波段，所以根據可計算確定出在1.2mm和3.0mm之間[10，11]。為了在整個X波段取得較好的吸波效果，我們選擇2.5mm的厚度。利用Agilent E8363B矢量網絡分析儀對制備好的試樣采用平板反射法進行測試。結果如圖5所示。在8～12GHz波段整體都有一定吸收，但樣品B的效果最好，在-10dB以下，帶寬達60%以上，最大吸波峰為-17dB。圖中也可看出，理論模擬值和實驗值基本吻合。

按照樣品B的配比，制備不同厚度d的吸波涂料樣品D，E，F，厚度分別為2.2mm，2.5mm，2.7mm。電磁波吸收測試結果如6所示。圖上可知E，F樣品在X波帶的吸收效果都較好，-10dB以下帶寬都在55% 以上。隨著厚度的增加峰值向低頻移動，D樣品由于厚度不足，吸收峰偏離X帶中心。

2 10GHz電磁波吸收材料的設計

從前面的研究結果可以看出，模擬設計與實驗相當吻合。因此，以此方法，可以很容易地設計出主峰在X帶上任意位置的吸收材料。考慮X帶在8～12GHz，中心在10GHz，我們進行吸收主頻率在F=10GHz的單層電磁波吸收體設計，為下一步制備X帶寬頻電磁波吸收材料打下基礎。

在不改變基體材料的條件下，只需要調整材料的厚度就可進行設計。計算表明，10GHz吸收材料厚度為0.26mm。模擬吸收圖如圖5所示，-10dB以下吸收寬度達到55%，中心在10GHz。

3 結語

本論文采用電磁波吸收無反射曲線方法進行了X帶吸波涂層的設計與制備，研究表明;

(1)無反射曲線方法理論明確，容易操作，簡單實用。

(2)無反射曲線方法的關鍵是對電磁波全吸收時，要盡可能調節材料的電磁參數使其與無反射曲線進行擬合，偏離無反射曲線則吸波效能就差。

(3)實驗測試表明，炭黑摻雜濃度為0.086g/ml時涂層的介電常數，接近無反射曲線，制備的吸收樣品在X帶吸收較好，-10dB吸收帶寬達到55%以上，最大吸收為-17dB。

(4)采用無反射曲線方法，可以很容易地設計出主峰在X帶上任意位置的吸收材料。即可進行任意固定頻率吸收涂層的設計。

本研究只是提出新的方法，并進行了初步設計與制備。對單層電磁波吸收體，還需要進一步提高材料的吸收性能，材質方面也還需要進一步調整，并降低產品成本。

參考文獻

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