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  • 国内电磁波吸收材料在进步中寻找差距-

  • 新闻来源:电磁兼容与干扰  发布时间:2009-4-4 16:47:14  点击[
  • 现代电子技术的高速发展,空间电磁环境日益复杂,涉及到电磁波传播、辐射(含近区场)的场合往往需要使用电磁波吸收材料。本文就此类材料在国内外研发情况做一简单介绍。
        八十年前德国哥廷根(Gottingen)大学就着手研制这类材料,是此类材料的开拓者。至今国内外许多单位方兴未艾大力研制取得了许多有效的成果。
        电磁波吸收材料的主要用途是改善环境,用于电波暗室(含天线测量暗室、RCS测量暗室及EMC测试暗室)、仿真室、开阔场部分区、机箱内为减小近旁噪声的吸收片、终端负载以及伪装用的吸波涂料都属于此类材料。近年来一些特种场合如ETC(Electronic Toll Collection)通道,RFID(Radio Frequency Identification)调试室也必须使用它。

    目前材料最大用量就是暗室用材料,它多是以泡沫聚氨脂或无纺布为载体含吸收剂的材料,形式多为角锥、平板(单层或多层)及其变形,如为向低频端扩展而与铁氧体吸收材料复合。国内角锥吸收材料产量占吸收材料产量的绝大部分,因而是研发重点。根据使用频率不同,锥高从3cm到2.4m。对如此高的角锥当然有空心锥。性能从-20dB至-50dB。
        平板材料基材有泡沫塑料板和橡胶平板,为了展宽频带又可做成多层。如果用磁性材料与树脂制成还可以机械加工,如用于波导或同轴线负载。
        如果用无纺布等糊成角锥(空心)而底部又加以栅格竖井展宽频带,电性能也是很好的。由于载体是难燃材料,氧指数高达90以上(而普通泡沫塑料载体很难超过30),耐火灾性好,而且重量轻,机械特性好—不易变形(垂尖)。挂装方便,可拆卸更新,灵活性好。有相当大优越性。洛普公司专门生产此种材料。
    吸收剂的研制也相当关键,为此许多单位做了许多工作。吸收剂除常用的电阻型、电介质型、磁介质型外还有纳米型、手形材料、多晶纤维、导电高聚物和席夫碱等。
        总之,近年来我国吸收材料研制从分析、设计、制作、测试和新技术应用都有很大进展。基本上都满足用户要求。但还应在这些方面继续努力。
       建议成立同业公会,在主管单位领导下制定吸收材料国家标准。
    国外吸收材料目前水平
        国外材料研制比国内起步早三十年,而产品水平越领先二十年左右。国外材料电性能领先不多,而它的产品一致性、稳定性和可靠性很好。这主要是设计严格,广泛使用CAD,工艺先进而完备,尺寸形状严格,使用CAM加工保证了质量,各种检测严格,因而除电性能必保外,材料的附加性能(机械性能、化学性能和老化特性)极好。从外观上看远远超过国内产品。而国内产品随意性很大,批次不一致性很大。加工方法老化而不肯改进,如吸收剂浸渍,国外是先浸后切割来保证不形变,而国内相反,追求下脚料清白可再卖废品——蝇头小利。国外载体选材密度适中,以保证不形变。而国内追求成本低,密度不够——这是形变——垂尖的根本原因。老化试验除一两家外都未做过,拿不出老化测试数据报告。原因非常简单——这种实验费力费钱。
        产品设计国外厂家精心计算,如等效不均匀传输线法、FDTD法、几何光学散射法同时并用相互验算保证设计正确。而国内缺乏精心设计的精神。国内产品单价只是国外产品三分之一,还是有市场的。各厂家恶性竟争更是造成成本下降,产品质量难以保证。国外产品规格繁多,可选性好。新品种多,如ETS研制了纺锤型园角锥极大的改进了材料的反射和散射特性。
        尽管进口材料价格昂贵,但综合性能优越,重要单位仍然是采用进口材料。
    国外近年来新开发的材料有如下几种:
    1. 透明玻璃型吸收体:常用于一些特殊场合,如ETC系统的观察窗等处。这种材料是把玻璃两表面分别蒸发上反射膜和导电膜,导电膜采用分割膜,外皮再涂复保护膜。适当选取单位面积电阻值即可达到所需的吸收值(反射系数)。受玻璃厚度限制,它的适用频率较高,在5.8GHz频带时,入射角在10度至70度时吸收性能维持在15dB以上。
    2. 传统的泡沫塑料材料:大部分都是角锥材料,如上所述,除在形状、尺寸、工艺、吸收剂加以研究外还可以在材料内部开空洞或填充特殊物质,可以减少重量而无损性能,这对大型角锥尤其重要。
    3. 毫米波铁氧体吸收体:适用于30GHz以上移动通信或手机,使用材料是钡盐或锶盐永磁材料,各向磁场异向,能起强共振作用,性能从数GHz至80GHz。
    4. 噪声抑制吸收片:机箱内信号产生的寄生噪声和非放电噪声必须处理,最有效的方法是在电路片间和机箱内放置吸收片,此片是可弯曲的。性能从100MHz至10GHz,分宽带、高绝缘性、难燃、耐热等。它是吸收近区场波,这种干扰源的磁场强度远大于电场强度,因而吸收片主要是靠磁损耗起作用。
    5. 超轻量无纺布型吸收材料:玻璃纤维或合成纤维做成的无纺布其内部含有不锈钢纤维,在拉伸切削时扭曲成卷曲形,因而无极化特性。此不锈钢纤维含量极小,因而整体无纺布比重很小,变化纤维含量就能做出很柔软的产品。如果玻璃纤维含量多即有难燃性,所以无纺布有绝热性、吸音性。其吸收原理是加电场后能激励起偶极矩中电荷,如果电磁波波长接近此等效金属棒长二倍时就会产生共振,从而产生很大热电流,电磁波能量变成热能即吸收电磁波。等效介电常数与不锈钢丝含量有关,含量大介电常数就大。对园极化波,吸收系数在3-10GHz时约-20~-30dB。常用于轻便、耐候、耐热、难燃环境场合。也可以成为角锥材料的基材。南京洛普公司微波暗室事业部研制的难燃吸收材料电性能保持了传统的聚氨脂泡沫塑料吸收材料的吸收性能外,还有大功率承受能力、安全环保、洁净卫生、结构稳定等显著特点,1999年国家专利。
    6. 微小孔型吸收体:由于铁氧体制造过程中受到透磁率频率离散性及材料厚度的限制往往不能在同一铁氧体上实现二个或三个高阶匹配频率,解决此问题的方法就是在铁氧体上开小孔,依据孔的形态、尺寸的变化,材料的等效参数就能等效变化,使原有的频率向高端变化。用激光加工钻孔能达到精确的设计值。此外在原有的吸收材料表面裝上各种导体元,产生容性或导波性技能,能使原有匹配频率反向向 变化,结果能达到材料薄层化。
    7. 由人工材料制成的吸收体:早先就有过一种称为亚元材料(Meta-Material)的材料,此处即用此概念。国外已有研究成果,而国内尚未起步。此材料是有高频受动回路构成。
    a) 基于高频集成电路概念的吸收体:过去吸收材料广泛应用介电材料和铁氧体磁性材料。无论如何也不会无缺陷。然而,目前电波的利用频率急速向高频化发展,已从毫米波向丝米波进展。进行了电子德拜效应(Debye effect)的研究。材料参数有频率离散效应,在几十GHz的毫米波领域内特性消失殆尽,为此,排除过去材料的概念导入高频集成电路的概念,把等效于RCL电路体载入到吸收体上就能实现输入阻抗匹配,做一些所有波长的规格化设计就能做出宽带化吸收体(相对带宽50%)。
    b) 计算机控制的人工材料吸收体:发现了固体物质构造晶格种种物质的生物细胞晶格相似,因而就构成了新型人工材料——电磁场感应机能材料(EMCM:Electromagnetic Cell Material),有各种方案,最基本的是三维构造单元,由有源主动回路单元和无源受动回路单元按结晶体空间格位排列组成。原理也是LCR电路,在基板上裝上主动回路单元,变化其基极电压就能调节回路参数。把这种EMCM材料裝在磁性或介电材料表面或埋在它里面,材料的参数能等效变化,这种材料依据变化二极管基极电压就能分别控制介电常数、磁导率而实现各向异性,是可控性的电介质。能够计算机化和网络链路化,称为计算机控制型人工材料(CCMM:Computer Controllable Meta-Material)。电波吸收量可以调节,在5.2GHz时最大吸收量有35dB。

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