1、各種吸波材料的比較christopher l holloway沙斐翻譯一 前言最早暗室（全電波）建于50年代，用于天線測量。吸波材料由動物毛發(fā)編制而成，外涂一層碳，厚2英寸（5.08cm）。在2.410ghz正入射時，反射系數(shù)為-20db。60年代，以上的吸波材料被新一代、由一定形狀的吸波材料所取代，正入射時反射系數(shù)為 -40db。目前普遍使用的聚氨酯錐體40年代就開始研究，60年代才有產(chǎn)品。正入射時的反射系數(shù)為 -60db。然而可使用的頻率范圍較高，要求錐體的厚度（尖頂?shù)交┲辽偈菐讉€波長。電-厚錐體的良好性能主要來源于錐體直接的良好多重反射。由于錐體的厚度大于波長，錐體的周邊反射入射波。

2、波在相鄰的錐體間不斷的反射，再反射很多次。每次反射時總有一部分波被錐體吸收。因此，僅有小部分抵達(dá)錐體基座?；蘸蟮竭_(dá)金屬板，金屬板反射后又進(jìn)入錐體，再通過多重反射和吸收。最后從錐體的尖返回的波已是非常小了。電-厚錐體的最佳性能的獲得，依靠錐體內(nèi)滲碳加載的調(diào)節(jié)，要求碳負(fù)載足夠小，以便每次波反射時進(jìn)入錐體的波盡可能多，但滲碳加載又要足夠大，以便充分吸收進(jìn)入錐體的波的能量。半電波暗室最早用于70年代，作為開闊場地的替代場地，測量輻射發(fā)射。頻率范圍為301000mhz。但最早暗室中粘貼的典型的吸波材料厚度為36英尺（0.911.83m）。顯然在30mhz的頻率上，厚度不可能是幾個波長。因此暗室的頻

3、率范圍被限制在901000mhz。3090mhz頻段的吸波材料開發(fā)緩慢，因?yàn)闊o法預(yù)測和測量電-薄吸波材料（即厚度250mhz抗擾度-18db，正入射，80-1000mhz符合場均勻性要求發(fā)射 3m 暗室-18db，正入射，30-1000mhz符合歸一化場地衰減nsa的要求-12db， 入射，30-1000mhz發(fā)射10m 暗室-20db，正入射，30-1000mhz-15db，入射，30-1000mhz由表可知： 吸波材料在斜入射時的反射率劣于正入射，所以暗室越窄長，對吸波材料的反射率要求越高（例，3m法和110m法比較）。對吸波材料的反射率要求，發(fā)射抗擾度軍標(biāo)。因?yàn)椋琻sa是與開闊場地的理論

4、值相比較，要求較嚴(yán)。nsa規(guī)定的允許值中只有是給暗室場地的?？箶_度對均勻場要求是室內(nèi)場互相比較要求低一些，軍標(biāo)原本就沒有硬性規(guī)定，測試距離又是1m，所以要求更低些。對于斜入射反射率的測試，原先的大測試裝置【7】【10】只能用作正入射測試（301000mhz），如果用拱形架測試【26】【27】斜入射也只能測600mhz以上頻段。美國nist（in boulder co）已開發(fā)了一種裝置，利用時域測量方法，可以測量30-1000mhz的斜入射反射率【28】【30】。三聚氨酯錐型吸波材料錐的反射率已經(jīng)可以很精確地用數(shù)值模型來計(jì)算，已采用有限元法、矩量法和有限差分技術(shù)【16】【17】【31】【39】。

5、這些技術(shù)計(jì)算精度高，但太精深，耗時長?！?】【6】和【40】中研究了低頻段（即錐或楔型吸波材料的頂點(diǎn)之間的距離小于波長的頻段）電磁波的相互作用，提出利用“均質(zhì)化方法”把橫截面為周期性變化的結(jié)構(gòu)，看成是橫截面是均勻的介質(zhì)，從而可以用大家熟知的riccati方程式的數(shù)字解法來求出平面波入射到該介質(zhì)上的反射率?！?】【6】【14】【37】和【39】計(jì)算了錐型頂點(diǎn)間距小于1/2波長時的反射率。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測很符合。riccati方程解法等效于計(jì)算一個分層區(qū)域的綜合反射率，但是它需要一個微分方程的數(shù)值解法。然而，分層區(qū)域的反射率本可以用經(jīng)典傳輸線方法得到【41】。本文將使用分層方法計(jì)算。根據(jù)“均質(zhì)化方法

6、”，電波在錐型吸波材料區(qū)域中的傳播可以看成波在平面分層區(qū)域中傳播。平面分層垂直于錐的軸向，設(shè)為z。每層由周期性分布的吸波方塊組成，如果吸波方塊陣的周期小于波長和趨膚效應(yīng)，于是各層可以被模擬為單軸向異性的材料，材料特性由【5】【40】給出。 （3）式中， 真空中的參數(shù) 吸波材料的實(shí)際參數(shù) 各層 z 方向的參數(shù)（軸向） 各層x、y 方向的參數(shù)（橫向）（注：當(dāng)時，）（3）式中，、是精確的、是近似的，稱為 hashin-shtrikman公式【42】以上方程精度為5【43】。平面波入射到一個軸向異性的分層區(qū)域時，各層的有效和由【5】【40】給出。 對于垂直極化 ( te ) （4）式中，為入射角 對于

7、平行極化 ( tm ) （5）所謂垂直極化（te）是指電場與入射面垂直；平行極化（tm）是指電場與入射面平行。圖1 標(biāo)準(zhǔn)聚氨酯錐（氨基甲酸酯urethane）示意圖【41】（利用經(jīng)典傳輸線理論）kong給出了分層區(qū)域的綜合反射率 （6）式中是指從區(qū)0和區(qū)1到區(qū)和區(qū)的總距離。是區(qū)和區(qū)間的反射系數(shù)，由下式給出： （7） 對于te 波對于tm 波式中 是z 方向區(qū)的傳播常數(shù)，由下式給出 （8）本文計(jì)算反射率時所用的材料參數(shù)來自于“附錄”，請查閱。圖2，正入射時的反射率，錐為：圖3，正入射時的反射率直徑為：滲碳加載10、26、34，頻率301000mhz8ft 錐比4ft錐的反射率至少低10db。圖2

8、 1.22m (4ft) 聚氨酯錐陣、三種不同滲碳加載的正入射反射率圖2和圖3顯示4ft錐最佳滲碳加載為34，8ft錐為26。錐的作用象阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。滲碳負(fù)載量決定錐的有效特性阻抗。碳負(fù)載過高則阻抗變化（從自由空間到吸波材料基座）太陡峭，引起入射波從錐尖附近區(qū)域反射。反之，滲碳負(fù)載過低，則入射波透入錐體后不被吸收，從而被金屬墻反射。圖4和圖5是正入射和入射時的反射率，長度分別為4ft和8ft，滲碳加載為26（典型值）。圖3 2.44m (8ft) 聚氨酯錐陣、三種不同滲碳加載的正入射反射率圖4的反射率（4ft錐）符合軍標(biāo)和抗擾度要求，在701000mhz符合輻射測試要求。這符合【3】germa

9、n報(bào)告的結(jié)果，該報(bào)告敘述了35個半電波暗室，暗室使用錐體厚度測得nsa在90mhz以上與開闊場地基本相符。圖4 1.22m (4ft) 聚氨酯錐陣、26滲碳加載和斜入射時的反射率圖5的反射率（8ft錐）符合軍標(biāo)、抗擾度和3m法輻射測試要求（401000mhz）可見，錐體厚度以加一倍后，使4070mhz頻段也符合了輻射測試要求。holloway和kuester【6】和gibbons【44】曾經(jīng)證明在3m半暗室安裝8ft（2.44m）甚至6ft（1.83m）的錐體就可以在301000mhz內(nèi)使nsa達(dá)到的要求，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整錐長l，而仍保證，這時滲碳負(fù)載為典型值26。圖6顯示了調(diào)整的結(jié)果，l的調(diào)整

10、在30-40mhz內(nèi)對反射率的影響很大。圖5 2.44m (8ft) 聚氨酯錐陣、26滲碳加載和斜入射時的反射率圖6 2.44m (8ft) 聚氨酯錐陣、各種傾斜長度（）、26滲碳加載的正入射反射率圖7 2.44m (8ft) 聚氨酯錐陣、l=2.08m (6.82ft)、26滲碳加載的和斜入射反射率圖7顯示了8ft錐當(dāng)時，26滲碳負(fù)載時無論是正入射和斜入射都符合軍標(biāo)、抗擾度、3m法（301000mhz）輻射測試的要求。圖8 聚氨酯絞錐圖示四 絞錐（twisted urethane ryrmids）絞錐即把錐體轉(zhuǎn)組成錐體群，如圖8所示，可以節(jié)省材料。其有效材料特性如下【43】： （9）式中對

11、：、 、對 ：、圖9和圖10分別為4ft（1.22m）和8ft（2.44m）絞錐，26滲碳負(fù)載的正入射和入射時的反射率，計(jì)算方法仍可采用第三節(jié)的分層法。由圖9可以看出4ft絞錐符合軍標(biāo)，但抗擾度和3m法輻射值在1351000mhz中符合要求；8ft絞錐符合軍標(biāo)，但抗擾度和3m法輻射值在701000mhz中符合要求；雖然絞錐不如正規(guī)錐體好（圖4，圖5），但gibbons【44】顯示采用不同幾何形狀和滲碳負(fù)載，絞錐可以優(yōu)化而獲得與標(biāo)準(zhǔn)錐同樣的反射率。gibbons還敘述了用2.74m (9ft) 絞錐可以達(dá)到軍標(biāo)、抗擾度、3m法、10m法的要求。圖9 1.22m(4ft) 聚氨酯絞錐、26滲碳加載

12、 和入射的反射率圖10 2.44m(8ft) 聚氨酯絞錐、26滲碳加載和入射的反射率五鐵氧體瓦和格鐵氧體瓦可以用經(jīng)典傳輸線方程來建模。背后為金屬墻的鐵氧體瓦的反射率為 （10）式中 （11） （12）式中為瓦厚度，式體傳播常數(shù) （13）鐵氧體格（亦成華夫格）見圖11，也可用【5】所述的“均質(zhì)化”方法建模，但與錐體不同的是有效，不隨波的傳播變化（即與軸向無關(guān)），而且材質(zhì)是空氣和鐵氧體。圖 11 鐵氧體格（華夫格）結(jié)構(gòu)圖示nakamura和hirasawa【45】進(jìn)行了相同周期結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)hashin-shtrikman上界（最大化）（由【42】【43】給出）與鐵氧體格的周期性結(jié)構(gòu)的有效材料

13、特性相關(guān)性很大，所以鐵氧體格的橫材料特性可以近似為： （14）式中： (格的尺寸)，填充系數(shù)、 為鐵氧體材料的實(shí)際復(fù)參數(shù)、與（3）式相同，即 （3）式中。以上橫截面參數(shù)可以代入（12）式求得鐵氧體格的反射率。如果（14）中的材料參數(shù)與keller定標(biāo)理論互相交換（？）則（3）就得到了（hashin-shtrikman下界，由【42】【43】給出）。圖12 6.38mm (0.25in) 鐵氧體瓦和入射的反射率圖12為鐵氧體瓦（材料特性見附錄）的反射率，600mhz以下性能很好，600mhz以上就變壞，可符合軍標(biāo)、抗擾度和3m法（600mhz）【28】【30】nist利用時域法測量斜入射反射率（301000mhz）【16】【17】，【31】【39】采用有限元法、矩量法、有限差分法計(jì)算錐的反射率【4】【6】【14】【37】【39】計(jì)算錐頂間距小于時的反射率【