吸波材料以及电磁参数的测试

吸波材料以及吸波性能的分析报告内容

一、概述

二、吸波涂层的设计

三、电磁参数的测试方法

四、数据处理

五、材料的吸波机理一、概述

吸波材料是一种重要的军事隐身功能材料，其作用是减少或消除雷达、红外线等对目标的探测。此外，在环保工程中，为了防止电磁污染，吸波材料也具有重要应用价值。

所谓吸波材料是指能够吸收、衰减入射的电磁波，并将电磁能转化成热能或其它形式的能量而耗散掉的一类材料。什么是吸波材料？？

反射损失（Reflection

L

oss）

根据传输线理论(transmission

line

theory)，反射损失的计算公式为：Zin

Z0R(dB)

20

lg

Zin

Z0反射损失是反射能量与入射能量比的dB表示形式。

其中，Z0

是自由空间的阻抗(impedance

offree

space)，表示形式为：000

Z

μ0

和ε0

分别为自由空间的复磁导率和复介电常数。

Zin称为输入阻抗(input

impedance)，表示形式为：

r

r

r0inZ

Z

rctanh

j

2fd

μr

和εr

分别是吸波材料的相对复磁导率和相对复介电常数，c是自由空间中的光速，

f电磁波频率，d是吸波材料(层)厚度。

信号强度的衰减分贝(dB)与吸收率的对照：dB衰减的百分比1

09

02

09

93

09

9

.94

09

9

.9

95

09

9

.9

9

96

09

9

.9

9

9

97

09

9

.9

9

9

9

9dB评价0

～1

0屏蔽很少1

0

～3

0有意义的屏蔽下限3

0

～6

0平均屏蔽量6

0

～9

0屏蔽较好9

0

～1

2

0屏蔽很好1

2

0以上现有技术的极限表1信号强度的衰减表2屏蔽衰减极限值

电磁参数复介电常数

complex

permittivity表示形式:ε=ε′-j

ε′′电磁参数是描述材料与电磁场相互作用最基本的两个特征参数。无论电磁波在界面处的反射还是在介质中的衰减均与材料的电磁参数有关。电磁参数electromagneticparameters复磁导率complex

permeability表示形式:μ=μ′-j

μ′′ε′,μ′为两个电磁参数的实部，分别表示吸波材料在电场或磁场作用下储存电能或磁能的能力；ε′′,μ′′为两个电磁参数的虚部，表示材料在电场或磁场中引起能量损耗的能力；tgδe=ε′′/ε′和tgδm=μ′′/μ′分别称为介电损耗角正切

和磁损耗角正切，用来表

征介质的电磁损耗的大小。

所以，能量损耗是由复介电常数和复磁导率的虚部（

ε′′,μ′′）决定的。二、吸波涂层的设计

设计吸波涂层必须要注意两个基本条件：1.♂波阻抗匹配条件。目的是入射到介质表面的电磁波能最大限度地透入介质进而被吸收。

由电磁理论可知,垂直入射介质时的反射系数为：Z1

Z0Z1

Z0Γ

波阻抗定为：。当Z1=Z0时，Z1

Z0Z1

Z0Γ111

r

1

0r

1

0

Z

Γ=0，即

1

。

r1

r

1所以，考虑波阻抗匹配，当

r

1

r1

时介质表面反射系数为0。也就是需选择复磁导率与复介电常数基本相等的材料。

另外,

r

r

1

是设计宽频吸波材料的一个基本原则。2.♂衰减条件。目的是进入介质的电磁波能最大限度地衰减掉。

电磁波的衰减与下文将要讨论到的吸波（损耗）机制密切相关。

通过对反射损失的讨论，我们可以知道衰减性能可以通过电磁参数推算。综合前面的内容，很明显我们可以看出，吸波剂的电磁参数对材料的吸波性能至关重要，准确测量电磁参数对判断材料与电磁波的相互作用是必要的。三、电磁参数的测试方法

在微米及毫米波段，电磁参数的测试方法按测量原理可分为网络参数法和谐振腔法两大类。

网络参数法将样品及其传感器视为单口或双口网络，利用时域法、传输/反射法、多厚度法、多状态法以及自由空间法等测量该网络参数（散射参数、复反射参数），推算出介质材料的电磁参数。

谐振腔法将介质材料放入封闭或开放的谐振腔中，根据放入前后其谐振频率和品质因数

Q值的变化来确定样品电磁参数的方法。

它通常将样品置于谐振腔中电场最大磁场最小处测量样品的复介电常数；将样品置于谐振腔中电场最小磁场最大处测量复磁导率。

谐振腔法的局限性在于一般只能用于点频或窄频测量，且操作和分析都比较复杂。其优点在于目前它具有最高的测量精度，尤其适合测量低损耗材料的电磁参数。1.传输/反射法Transmission/Reflection

Method

在众多的测量方法中，传输/反射法最简单且具有较高的精度。这种方法是用一种双端口传输线，它将均匀、线性、各向同性材料的被测样品填充在材料传输线（同轴线、波导等）内，通过测量含有样品传输线段的传输系数和反射系数来确定电磁参数。

在已有的传输/反射法中，由Nicolson,Ross和Weir等人提出的NRW法最为常用。

传输/反射法按样品夹具不同，可分为同轴型、矩形波导型、带线型和微带线型。波导夹具

其中，矩形波导型传输/反射法的测量频带相对较窄，一般用于测量厘米波段的电磁参数，其样品为块状，用料较多。

同轴传输/反射法的测量频带很宽，一般用于测量

0.1～18GHz频率范围的电磁参数，样品为环状，用料较少。同轴夹具D=7

mmd=3

mm同轴传输/反射法transmission/r

eflection

coaxial

method矢量网络分析仪同轴夹具剖面图同轴传输/反射法中，相对复介电常数和相对复磁导率分别为εr，μr，厚度为L的环状样品被安装在一段同轴空气传输线中(左上图)。图中Z0和Z1分别代表空气段和样品段的特性阻抗。

本方法直接测量端口面的散射参数(S

11，S

21)，再由散射参数得到传输系数和反射系数，进而确定样品的电磁参数。待测样品对电磁波的反射和传输散射参数

(S

11，S

21

)NRW法电磁参数相对复介电常数:εr

=εr

′-j

εr

′′相对复磁导率:μr

=μr

′-j

μr

′′2.自由空间法(Free

Space

Method)

利用聚焦透镜喇叭天线模拟平面电磁波，将电磁波辐射到自由空间，当遇到测试样品时，将发生反射和透射现象，利用天线接收这些反射和透射信号，计算介质材料的电磁参数。

自由空间法的样品制作容易，只要求是一块平坦的、双面平行的、相对面积足够大的样品，以保证电磁波能够全面入射到试样上，避免电磁波绕射的影响。

该法也可以测量材料的反射率。微机网络分析仪端口1端口2模式模式样品架微波信号由微波扫频源产生，发射和接收天线均为聚焦透镜天线，两天线的间距为天线焦距的2倍，被测样品放在两天线的共焦面处。微波信号从矢量网络分析仪的端口1输出，由模式转换器出来的波进入聚焦透镜天线后向空间发射，然后在透镜天线的焦平面处会聚。测量原理同轴电缆同轴电缆SS模式转换器模式转换器发射天线接收天线自由空间法测试系统将被测样品置于焦平面处，电磁波信号透过样品板，经接收天线和模式转换器后，进入矢量网络分析仪的端口2进行S

21散射参数的测量。将被测样品输出端用良导金属平板短路，电磁波在金属短路板处将产生全反射，反射信号将返回矢量网络分析仪的端口1，通过对反射信号的测试便可测得

S

11散射参数。四、数据处理

下面是我们由同轴法测得的一组电磁参数。频率相对介电常数实部相对介电常数虚部相对磁导

相对磁导率实部

率虚部

全选TXT文档中的数据，复制；

打开“吸波性能模拟”文件；

在指定位置粘贴数据。介电损耗

磁损耗角角正切

正切涂层的厚度可以按照要求任意更改，最终都能体现在吸波性能模拟曲线中不同厚度涂层的反射损失数据

需要说明的是，︱μr-εr︱以及︱Z︱(Z=(μr/εr)^0.5)并没有十分特殊的意义。

r

r

1

是设计宽频吸波材料的基本原则；

而︱Z︱是否接近1可以作为电磁波入射进材料的参考。五、材料的吸波机理

一般来讲，损耗的机制可分为3类：电阻损耗、介电损耗和磁损耗。电阻损耗与材料电导率有关；介电损耗与电极化有关；而磁损耗与动态磁化过程有关。1.电阻损耗电磁波在材料里感应产生电流，电流在材料内部传输受阻而转化为内能。材料电导率越大，载流子引起的宏观电流（电场引起的电流变化和磁场引起的涡流）越大，有利于电磁能转变为热能。

载流子：指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，电子、离子、空穴等都可以做为载流子。

涡流(eddy

current)：块状导体在变化的磁场中或在磁场中运动时产生的在导体块内自成闭合回路的感应电流，叫涡电流，简称涡流。

导体的电阻越小，涡流就越大，发热也就越厉害，伴随的导电损耗就越大。2.介电损耗（

dielectric

loss

）

对于电导率低的材料，在外电场的作用下，

材料不会形成宏观电流，但是材料中具有多

种有着固有振动频率的电偶极子将受到影响。当外加电场的频率与材料中偶极子的固有频

率相同时，材料的介电常数的虚部将出现峰

值，也就是发生了介电损耗。

电介质分子的极化需要一定的时间，而在交变电场的作用下，当这种极化落后于外电场频率的变化时，便产生了极化的滞后，从而产生介电损耗。

电极化(electr

ic

polarization)：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心分离，使其转变成偶极子的过程。E±无外加电场+q偶极子☆q偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。电子极化±－

＋E在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生相对位移形成的极化。无外电场电子极化±离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。无外电场离子极化E－

＋离子极化电极化机制E具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，整体表现为宏观偶极矩。无外电场

取向极化取向极化E在不均匀介质中，介质中的晶界、相界、晶格畸变、杂质和气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在此处，自由电子积聚，形成空间电荷层，在外电场做用下形成空间电荷极化。界面极化

另外，电极化还还包括离子松弛极化和电子松弛极化，统称为松弛极化。

松弛极化：当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，在外加电场下这些质点按电场规律分布，发生极化。松驰极化是一种不可逆的过程，多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。

下面简要总结一下各种极化形式及它们之间的比较。各种极化形式的比较极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子极化一切陶瓷直流——光频无关无离子极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流——超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化高价金属氧化物直流——超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有超高频：波长10cm～1cm，频率由3GHz到30GHz的电磁波；高频：频率由3MHz到30MHz的无线电波；3.磁损耗(magnetic

loss)

磁性材料在磁化过程和反磁化过程中有一部分能量不可逆地转变为热能，所损耗的能量称磁损耗。

形成磁损耗的途径有磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗等三种形式。

3.1

涡流损耗:

因为电场磁场的作用本来就不可分割，所以在导体材料中涡流损耗同时兼具电损耗和磁损耗，已有报导中对于涡流损耗也没有明确地将其归入电阻损耗或者是磁损耗。3.2磁滞损耗

磁滞损耗主要是磁化过程中克服矫顽力所消耗的能量，材料的矫顽力越大在交变电磁场下的磁滞损耗越大。磁滞:当铁磁材料达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的磁化强度B并不沿着起始磁化曲线减小，B的变化滞后于H的变化。如果要使材料的磁化强度回到零，就要再加一个反向的磁场，其磁场强度Hc

就称为矫顽力。3.3剩余损耗

剩余损耗指除了涡流损耗和磁滞损耗以外的其他所有损耗。

它是由具有不同机制的磁弛豫过程所导致的。在低频和弱磁场中，剩余损耗主要是磁后效损耗，且与频率无关。高频下剩余损耗主要包括尺寸共振、畴壁共振和自然共振等引起的损耗。

在铁氧体中剩余损耗占优势。3.3.1尺寸共振损耗

相对于电磁波的波长λ，当材料的尺寸为的

1/2

λ整数倍大小时，其内部会产生驻波而吸收能量。

驻波:

频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。3.3.2畴壁共振损耗

畴壁共振：指当外磁场的频率与畴壁固有的频率一致时产生的共振。

磁畴：是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列。

畴壁：在两个相邻磁畴之间原子层的自旋取向由于交换作用的缘