各种吸波材料的比较

各种吸波材料的比较Christopher L Holloway沙斐翻译一前言最早暗室（全电波）建于50年代，用于天线测量。

吸波材料由动物毛发编制而成，外涂一层碳，厚2英寸（5.08cm）。

在2.4~10GHz正入射时，反射系数为-20dB。

60年代，以上的吸波材料被新一代、由一定形状的吸波材料所取代，正入射时反射系数为-40dB。

目前普遍使用的聚氨酯锥体40年代就开始研究，60年代才有产品。

正入射时的反射系数为-60dB。

然而可使用的频率围较高，要求锥体的厚度（尖顶到基座）至少是几个波长。

电-厚锥体的良好性能主要来源于锥体直接的良好多重反射。

由于锥体的厚度大于波长，锥体的周边反射入射波。

波在相邻的锥体间不断的反射，再反射很多次。

每次反射时总有一部分波被锥体吸收。

因此，仅有小部分抵达锥体基座。

基座吸收后到达金属板，金属板反射后又进入锥体，再通过多重反射和吸收。

最后从锥体的尖返回的波已是非常小了。

电-厚锥体的最佳性能的获得，依靠锥体渗碳加载的调节，要求碳负载足够小，以便每次波反射时进入锥体的波尽可能多，但渗碳加载又要足够大，以便充分吸收进入锥体的波的能量。

半电波暗室最早用于70年代，作为开阔场地的替代场地，测量辐射发射。

频率围为30－1000MHz。

但最早暗室中粘贴的典型的吸波材料厚度为3－6英尺（0.91－1.83m）。

显然在30MHz的频率上，厚度不可能是几个波长。

因此暗室的频率围被限制在90－1000MHz。

30－90MHz频段的吸波材料开发缓慢，因为无法预测和测量电-薄吸波材料（即厚度<14λ）的性能，只能安装上以后，测量暗室特性来判定。

直到80年代中期，计算和测量技术发展以后，对小型宽带吸波材料的评估才成为可能。

【4】－【6】中叙述了在理论模型中使用“均质化方法”可以精确地计算吸波材料的反射特性。

【7】－【10】中叙述了使用大测试装置直接测小型宽带吸波材料的反射特性。

在整个30－1000MHz的频段都要获得小的反射率，则小型宽带吸波材料必须使用锥形模型，它们在高频段是电-厚模型，但在低频段则是电-薄形材料。

电波入射到电-薄型吸波材料上时，它们并不在乎吸波材料的实际几何形状是锥型还是楔型。

相反，它们的行为就象照射到一固体媒质上，该媒质的有效ε和μ随进入媒质的距离而变化。

注意这是有效ε和有效μ和构成吸波材料的实际ε和μ是不同的。

最佳的吸波材料提供了从空气阻抗到吸波材料基座的波阻抗的逐渐过渡。

正确的渗碳加载可使大部分入射波穿透锥或楔，并在通过基座时被吸收。

更进一步调节渗碳可以使入射波被锥或楔反射的那一部分和从金属板反射后从吸波材料中透出来的那一部分那互相抵消，这种抵消可以获得非常小的反射率。

显然只能发生在较窄的频率围。

一般说来渗碳加载对电-厚和电-薄材料的要不同的，【6】因此对于工作频率在30－1000MHz的小型宽带吸波材料（锥或楔型），渗碳加载既要考虑高频时的电-厚，又要考虑低频时的电-薄情况。

这是极富于挑战性的。

60年代初期日本开发了电-薄型铁氧体瓦作为聚氨酯锥型和楔型的替代物。

由于瓦的吸波性能和空气比较接近，在空气－瓦片界面反射很小，入射波直接渗入瓦片。

又因为瓦片对磁场损耗大，所以渗入波被吸收。

如有穿过瓦片的，则被金属板反射，重又回到瓦片，被再次吸收。

如还有穿出瓦片回到空气中的，则可以象锥型和楔型吸波材料那样，调节瓦片厚度，在一定的较窄的频率围使其与瓦片直接反射到空气中的那一部分相抵消。

近年来，薄锥和楔（200－1000MHz ）＋铁氧体瓦＋介质层（30－600MHz ）构成了超小型宽带“混合”吸波材料在30－1000MHz 获得了很好的性能【14】【15】。

本文将叙述吸波材料的反射率，包括全锥、绞锥、楔、铁氧体瓦、铁氧体格混合吸波材料，将讨论它们的优缺点及其应用。

二．吸波材料的反射率反射系数（reflection coefficient ） riE E Γ=（1） 反射率（reflectivity ）1020log ()R =⋅Γ （dB ） （2） 对各种暗室需要什么样的吸波材料，反射率如何，与暗室大小、形状、用途有关。

最可靠方法是先进行预测分析。

【16】－【20】叙述了在暗室部进行麦克斯韦方程式的全三维解法。

这里绘出一般指导表格，是根据以往的设计和实践总结出来的。

吸波材料在斜入射时的反射率劣于正入射，所以暗室越窄长，对吸波材料的反射率要求越高（例，3m 法和110m 法比较）。

对吸波材料的反射率要求，发射>抗扰度>军标。

因为，NSA 是与开阔场地的理论值相比较，要求较严。

NSA 规定4dB ±的允许值中只有1dB ±是给暗室场地的。

抗扰度对均匀场要室场互相比较要求低一些，军标原本就没有硬性规定，测试距离又是1m ，所以要求更低些。

对于斜入射反射率的测试，原先的大测试装置【7】－【10】只能用作正入射测试（30－1000MHz ），如果用拱形架测试【26】【27】斜入射也只能测>600MHz 以上频段。

美国NIST （in Boulder CO ）已开发了一种装置，利用时域测量方法，可以测量30-1000MHz 的斜入射反射率【28】－【30】。

三．聚氨酯锥型吸波材料锥的反射率已经可以很精确地用数值模型来计算，已采用有限元法、矩量法和有限差分技术【16】【17】【31】－【39】。

这些技术计算精度高，但太精深，耗时长。

【4】－【6】和【40】中研究了低频段（即锥或楔型吸波材料的顶点之间的距离小于波长的频段）电磁波的相互作用，提出利用“均质化方法”把横截面为周期性变化的结构，看成是横截面是均匀的介质，从而可以用大家熟知的Riccati 方程式的数字解法来求出平面波入射到该介质上的反射率。

【4】【6】【14】【37】和【39】计算了锥型顶点间距小于1/2波长时的反射率。

计算结果和实测很符合。

Riccati 方程解法等效于计算一个分层区域的综合反射率，但是它需要一个微分方程的数值解法。

然而，分层区域的反射率本可以用经典传输线方法得到【41】。

本文将使用分层方法计算。

根据“均质化方法”，电波在锥型吸波材料区域中的传播可以看成波在平面分层区域中传播。

平面分层垂直于锥的轴向，设为Z 。

每层由周期性分布的吸波方块组成，如果吸波方块阵的周期小于波长和趋肤效应，于是各层可以被模拟为单轴向异性的材料，材料特性由【5】【40】给出。

(1)(1)2()1(1)(1)2()1(1)(1)z o a z o aa o t o o a a o t o o a g g g g g g g g g g εεεμμμεεεεεεμμμμμμ=-+=-+⎡⎤-=+⎢⎥++-⎣⎦⎡⎤-=+⎢⎥++-⎣⎦ （3）式中， o ε o μ真空中的参数a ε a μ 吸波材料的实际参数 z ε z μ各层 z 方向的参数（轴向） t ε t μ各层X 、Y 方向的参数（横向） ()2zg L =（注：当z L =时，zt a εεε==，z t a μμμ==）（3）式中，z ε、z μ是精确的t ε、t μ是近似的，称为 Hashin-Shtrikman 公式【42】以上方程精度为5％【43】。

平面波入射到一个轴向异性的分层区域时，各层的有效ε和μ由【5】【40】给出。

()2sino o eff y z eff xμεθεθεμμμ=-= 对于垂直极化 ( TE ) （4）式中，θ为入射角()2sin o o eff y z eff xμεθμθμεεε=-= 对于平行极化 ( TM ) （5）所谓垂直极化（TE ）是指电场与入射面垂直； 平行极化（TM ）是指电场与入射面平行。

图1 标准聚氨酯锥（氨基甲酸酯urethane ）示意图【41】（利用经典传输线理论）Kong 给出了分层区域的综合反射率()201oz o j k d e θΓ=Γ10011102()220121201111z z z z j k k d j k d j k d e e e +⎡⎤-⎢⎥Γ⎣⎦++Γ⎛⎫ ⎪Γ⎝⎭()()21111212()22122112111z z n n z z j k k d j k d j k d n n e e e --+-⎡⎤-⎢⎥Γ⎣⎦++⋅⋅⋅+Γ⎛⎫ ⎪Γ⎝⎭()()()1112()21221111nz n n z nz n nz n j k k d n n j k d nt j k d n n e e e---+--⎡⎤-⎢⎥Γ⎢⎥⎣⎦++Γ⎛⎫ ⎪Γ⎝⎭ （6）式中n d 是指从区0和区1到区n 和区1n +的总距离。

()1n n -Γ是区1n -和区n 间的反射系数，由下式给出：()() ()11111n nn nn npp----Γ=+（7）()()()111nzn zn nnz n zkpkμμ---=对于TE 波()()()111nzn zn nnz n zkpkεε---=对于TM 波式中nzk是Z 方向区n的传播常数，由下式给出()()()nz eff effkθϖμθεθ=（8）本文计算反射率时所用的材料参数来自于“附录”，请查阅。

图2，正入射时的反射率，锥为：1.22(4) 1.02(40.16)()0.2(7.87)()m ft m in L m in D=+图3，正入射时的反射率直径为：2.44(8) 2.10(82.67)()0.34(13.33)()m ft m in L m in D=+渗碳加载10％、26％、34％，频率30——1000MHz8ft 锥比4ft锥的反射率至少低10dB。

图2 1.22m (4ft) 聚氨酯锥阵、三种不同渗碳加载的正入射反射率图2和图3显示4ft锥最佳渗碳加载为34％，8ft锥为26％。

锥的作用象阻抗匹配网络。

渗碳负载量决定锥的有效特性阻抗。

碳负载过高则阻抗变化（从自由空间到吸波材料基座）太陡峭，引起入射波从锥尖附近区域反射。

反之，渗碳负载过低，则入射波透入锥体后不被吸收，从而被金属墙反射。

图4和图5是正入射和45o入射时的反射率，长度分别为4ft 和8ft ，渗碳加载为26％（典型值）。

图3 2.44m (8ft) 聚氨酯锥阵、三种不同渗碳加载的正入射反射率图4的反射率（4ft 锥）符合军标和抗扰度要求，在70－1000MHz 符合辐射测试要求。

这符合【3】German 报告的结果，该报告叙述了35个半电波暗室，暗室使用锥体厚度0.9(3)~2.0(6.6)m ft m ft 测得NSA 在90MHz 以上与开阔场地基本相符。

图4 1.22m (4ft) 聚氨酯锥阵、26％渗碳加载0o和45o斜入射时的反射率图5的反射率（8ft 锥）符合军标、抗扰度和3m 法辐射测试要求（40～1000MHz ）可见，锥体厚度以加一倍后，使40－70MHz 频段也符合了辐射测试要求。