船用VHF頻段選擇性吸波技術研究*

楊　偉　金華標　魏柳新　喻方平　趙海鷗

(武漢理工大學能源與動力工程學院　武漢　430063)

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船用VHF頻段選擇性吸波技術研究*

楊偉金華標魏柳新喻方平趙海鷗

(武漢理工大學能源與動力工程學院武漢430063)

摘要：為了保證船舶航行安全，船用電子設備應該滿足電磁兼容要求.針對船舶甚高頻(very high frequency，VHF)通信頻段輻射限值的特殊要求，研究了吸波材料的吸波機理，利用三維電磁場仿真軟件(CST)，從鐵氧體的相對介電常數、相對磁導率，以及吸波體的結構參數等方面，研究了鐵氧體柵格狀吸波體各參數對選擇性吸波頻率和吸波效果的影響.利用所得結論，設計了一種鐵氧體柵格狀吸波結構，并利用CST驗證了該結構在VHF頻段具有較好吸波效果.

關鍵詞：船用電子設備；電磁兼容；甚高頻；吸波體

0引言

隨著船舶自動化程度的提高，越來越多的電子設備被用于船舶通信、導航、監測診斷及控制.駕駛臺布置有雷達、GPS、船舶自動識別系統(automatic identification system，AIS)、電羅經，以及甚高頻(very high frequency，VHF)等通信設備.文獻[1]規定：各國主管機關應確保安裝在2002年7月1日或以后建造的船舶上，位于駕駛臺或鄰近駕駛臺的所有電氣和電子設備必須滿足電磁兼容性要求.

VHF具有高靈敏度，同時也易受外部設備的電磁干擾.為此，文獻[2]中船用設備外殼端口輻射騷擾限值對其工作頻段156～165 MHz進行了特別保護，輻射限值由54 dB μV/m驟降至24 dB μV/m.考慮到船用電子設備在VHF頻段輻射限值的特殊要求[3]，進行選擇性吸波不失為一種高效低費的技術手段.為了實現對VHF頻段特殊保護這一目標，本文將研究吸波體材料、結構對選擇性吸波頻率和吸波效果的影響，進而設計一種在VHF頻段具有良好的吸波效果的吸波結構.

1吸波材料作用機理與選擇

1.1吸波材料的作用機理

電磁波入射到吸波材料表面時會發生反射，其中吸波材料的反射系數可表示為[4-5]

(1)

電磁波進入吸波材料后將會產生衰減，可以用衰減參數α表示單位長度上電磁波的衰減量.

(2)

式中：ω為入射波角頻率；c為電磁波在真空中的傳播速度；μ=μ′-jμ″，ε=ε′-jε″分別為材料的復磁導率和復介電常數.從式(2)可看出μ″，ε″越大，其損耗越大，說明吸波材料的吸波性能越好.

1.2吸波材料的選擇

根據吸波材料的吸波機理，通過調節吸波材料的電磁參數，可以實現吸波效果的優化.從介質對電磁波吸收的角度來考慮，由上述分析可知μ″、ε″越大電磁波的損耗越大，但在設計中還需要考慮阻抗匹配的問題.因此，ε和μ的虛部并不是越大越好，而應當根據具體情況來確定電磁參數的最佳值.與傳統吸波材料相比，結構型吸波材料有更明顯的優勢，能通過模型結構尺寸的調整實現對磁諧振與電諧振調節，從而調節ε和μ，實現μ″，ε″的調節，進而使吸波體與自由空間的阻抗匹配變得更容易，達到更好的吸波效果[6-9].

本文選擇鐵氧體材料作為吸波材料.鐵氧體電磁參數可調節性好，可以很好地滿足設計需求.文獻[10]介紹了一種改變Ni-Zn鐵氧體相對介電常數的方法，通過摻雜Co離子，可以改變晶粒尺寸，并且晶粒大小趨于一致，促進晶粒均勻生長，阻止晶粒的異常長大，使鐵氧體相對介電常數的高頻特性較好，并且在較寬頻率范圍內穩定，由此可得到相對介電常數穩定的Ni-Zn鐵氧體.另外通過調節PZT/Ni-Zn鐵氧體復合材料的成分可以同時調節相對磁導率和相對介電常數.

2吸波結構研究與優化設計

2.1吸波體建模與仿真

本文提出一種鐵氧體柵格結構，見圖1.其中單元格參數設置為高度m=20 mm，厚度d和壁厚t作為2個變量，研究其變化對吸波效果和有效吸波頻率的影響，d變化范圍為10～30 mm，t變化范圍為：3～5.5 mm.圖1為CST中的仿真布局，激勵源為無限遠處的平面波，探針距離吸波體近源面為20 mm.

圖1　柵格狀鐵氧體吸波結構與CST仿真布局

2.2相對磁導率變化的影響

圖2為相對介電常數εr=12.7，吸波體厚度d=20 mm，單元格高度m=20 mm，單元格壁厚t=4 mm時吸波體有效吸波頻段和吸波效果隨相對磁導率的變化規律.從圖中可以看出，隨著相對磁導率的增加吸波體的有效吸波頻段降低，在相對磁導率μr=500時吸波效果達到最大.

圖2　不同磁導率下屏蔽效能與頻率的關系

2.3相對介電常數變化的影響

圖3為相對磁導率μr=740，吸波體厚度d=20 mm，單元格高度m=20 mm，單元格壁厚t=4 mm時吸波體有效吸波頻段和吸波效果隨相對介電常數的變化規律.由圖3可見，隨著相對介電常數的增加吸波體的有效吸波頻段降低，吸波效果在相對介電常數εr=14時最優.

圖3　不同介電常數下屏蔽效能與頻率的關系

2.4吸波體厚度的影響

圖4為相對磁導率μr=740，相對介電常數εr=12.7，單元格高度m=20 mm，單元格壁厚t=4 mm時吸波體有效吸波頻段和吸波效果隨吸波體厚度的變化規律.由圖4可見，隨著吸波體厚度的增加吸波體的有效吸波頻段降低，在d=25 mm時具有很好的吸波效果.

圖4　不同吸波體厚度下屏蔽效能與頻率的關系

2.5單元格壁厚變化的影響

圖5為相對磁導率μr=740，相對介電常數εr=12.7，單元格高度m=20 mm，吸波體厚度d=20 mm時吸波體有效吸波頻段和吸波效果隨單元格壁厚的變化規律.由圖5可見，隨著吸波體單元格壁厚的增加吸波體的有效吸波頻段降低，吸波效果與吸波體單元格壁厚關系不大.

圖5　不同單元格壁厚下屏蔽效能與頻率的關系

2.6吸波體優化設計

通過上述研究可以得出，四種因素都對鐵氧體柵格狀吸波體的有效吸波頻段有很大的影響，且影響有規律可循.增加鐵氧體相對磁導率、相對介電常數、吸波體厚度，以及吸波體單元格壁厚均可降低吸波體的有效吸波頻段.其中，鐵氧體相對磁導率、相對介電常數、吸波體厚度還很大程度上影響著吸波體的吸波效果，而吸波體單元格壁厚對吸波效果影響很小.

根據上述結論，在設計吸波體時可以優先考慮吸波體的吸波效果，然后再通過調節吸波體單元格壁厚，使吸波體的有效吸波頻段滿足156～165 MHz的要求.最后，通過大量仿真試驗，設計了一種滿足船用電子設備VHF頻段特殊要求的鐵氧體柵格狀吸波體，其各參數為εr=12.7，μr=500，d=m=20 mm，t=5.5 mm，圖6為該吸波體的吸波效果曲線.

圖6　鐵氧體柵格狀吸波結構的優化設計

3結 束 語

通過對鐵氧體柵格狀吸波體的數值仿真研究，得到了鐵氧體參數和吸波體結構參數對有效吸波頻段和吸波效果的影響.研究表明，隨著相對磁導率和相對介電常數的增加吸波體的有效吸波頻段降低，增加吸波體的厚度和吸波體單元格壁厚同樣可以使吸波體的有效吸波頻段降低；相對介電常數、相對磁導率以及吸波體的厚度對吸波體的吸波效果有很大影響，而吸波體單元格壁厚對吸波效果的影響不明顯.

根據所得結論，利用CST仿真軟件，通過大量仿真試驗，設計了εr=12.7、μr=500、d=m=20 mm、t=5.5 mm的鐵氧體柵格狀吸波體.該吸波體在156～165 MHz頻段具有良好的吸波效果，其中在157 MHz吸波效果達到了31.129 dB.本文的研究成果可為船用電子設備VHF頻段電磁波吸波體的設計提供參考.

參 考 文 獻

[1]IMO. Solas consolidated edition 2009[S]. ISBN 978-92-801-1505-5.

[2]Korean Standards Association.Maritime navigation and radio communication equipment and systems general requirement methods of testing and required test results[S].Korean Standards Association，IEC-60945 ed.4.0,2002.

[3]金華標,劉太龍,喻方平.甚高頻頻段電磁騷擾轉移技術[J]. 中國航海, 2013,36(3):1-4.

[4]胡長壽.可調諧超材料吸波體的數值仿真研究[D].武漢：湖北工業大學,2011.

[5]楊陽.電磁超材料吸波結構的研究及優化[D].西安：西安電子科技大學,2012.

[6]BILOTTI F, TOSCANO A, ALICI K B, et al. Design of miniaturized narrowband absorbers based on resonant magnetic inclusions[J]. Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions，2011,53(1):63-72.

[7]ARANEO R, CELOZZI S, LOVAT G. Shielding effectiveness of artificial magnetic screens in the VHF band[C]. Electromagnetic Compatibility，EMC 2009，IEEE International Symposium on IEEE, 2009:72-77.

[8]劉順華，劉軍民，董星龍.電磁波屏蔽及吸波材料[M].北京：化學工業出版社,2007.

[9]WANG Linbiao, SEE Kye-yak.Tri-band frequency selective band-stop shield using screen printing technique[C]. Electromagnetic Compatibility (APEMC),2012 Asia-Pacific Symposium on IEEE, 2012:661-664.

[10]文雯,張懷武,鐘慧.Co離子添加對Ni-Zn鐵氧體電磁性能的影響[J].磁性材料及器件,2005,36(3):24-25.

Study on Selective Absorbing Technology for Marine VHF Band

YANG WeiJIN HuabiaoWEI LiuxinYU FangpingZHAO Haiou

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：In order to ensure the safety of navigation, marine electronic equipment should satisfy the requirement of electromagnetic compatibility (EMC). For the special requirements of marine very high frequency (VHF) communication band radiation limitation, the research on the absorbing mechanism of absorbing materials is carried out. By using the three dimensional electromagnetic field simulation software CST, this study investigates the effects of key factors of the ferrite grid electromagnetic wave absorber (such as relative dielectric constant, relative magnetic permeability and structural parameter) on the selective absorption band and absorption effectiveness. Based on the analysis, one ferrite grid electromagnetic wave absorber is designed and the shielding effectiveness at VHF communication band is proved by CST.

Key words：marine electronic equipment; electromagnetic compatibility; very high frequency; electromagnetic wave absorber

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.031

中圖法分類號：U665.26

收稿日期：2016-02-04

楊偉(1990- )：男, 碩士生，主要研究領域為輪機工程

*國家自然科學基金項目資助(51109172)