吸波材料

吸波材料在解決高頻電磁干擾技術(shù)上，完全采用屏蔽的解決方式越來(lái)越不能滿足規(guī)則了。因?yàn)橹T多設(shè)備中，端口的設(shè)置及通風(fēng)、視窗等的需求使得實(shí)際的屏蔽方法不可能形成像法拉第電籠那樣的全屏蔽電籠，端口尺寸技術(shù)是設(shè)備高頻化的一大威脅。另外，困擾人們的還有另外一個(gè)技術(shù)，在設(shè)備實(shí)施了有效的屏蔽后，對(duì)外干擾技術(shù)雖然解決了，但電磁波干擾技術(shù)在屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部仍然存在，甚至因?yàn)槠帘螌?dǎo)致干擾加劇，甚至引發(fā)設(shè)備不能正常工作。這些都是屏蔽存在的技術(shù)，也正是因?yàn)檫@些技術(shù)的存在，吸波材料有了用武之地。

吸波材料是指能夠有效吸收入射電磁波并使其散射衰減的一類材料，它通過(guò)材料的各種不同的損耗機(jī)制將入射電磁波轉(zhuǎn)化成熱能或者是其它能量形式而達(dá)到吸收電磁波目的。不同于屏蔽解決方案，其功效性在于減少干擾電磁波的數(shù)量。既可以單獨(dú)使用吸收電磁波，也可以和屏蔽體系配合，提高設(shè)備高頻功效。 

目前常用的吸波材料可以對(duì)付的電磁干擾頻段范圍從0.72GHz到40GHz。當(dāng)然應(yīng)用在更高和更低頻段上的吸波材料也是有的。吸波材料大體可以分成涂層型、板材型和結(jié)構(gòu)型；從吸波機(jī)理上可以分成電吸收型、磁吸收型；從結(jié)構(gòu)上可以分為吸收型、干涉型和諧振型等吸波結(jié)構(gòu)。吸波材料的吸波效果是由介質(zhì)內(nèi)部各種電磁機(jī)制來(lái)決定，如電介質(zhì)的德拜弛豫、共振吸收、界面弛豫磁介質(zhì)疇壁的共振弛豫、電子擴(kuò)散和微渦流等。 

吸波材料的損耗機(jī)制大致可以分為以下幾類：其一，電阻型損耗，此類吸收機(jī)制和材料的導(dǎo)電率有關(guān)的電阻性損耗，即導(dǎo)電率越大，載流子引起的宏觀電流（包括電場(chǎng)變化引起的電流以及磁場(chǎng)變化引起的渦流）越大，從而有利于電磁能轉(zhuǎn)化成為熱能。其二，電介質(zhì)損耗，它是一類和電極有關(guān)的介質(zhì)損耗吸收機(jī)制，即通過(guò)介質(zhì)反復(fù)極化產(chǎn)生的“摩擦”作用將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉。電介質(zhì)極化過(guò)程包括：電子云位移極化，極性介質(zhì)電矩轉(zhuǎn)向極化，電鐵體電疇轉(zhuǎn)向極化以及壁位移等。其三，磁損耗，此類吸收機(jī)制是一類和鐵磁性介質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程有關(guān)的磁損耗，此類損耗可以細(xì)化為：磁滯損耗，旋磁渦流、阻尼損耗以及磁后效效應(yīng)等，其主要來(lái)源是和磁滯機(jī)制相似的磁疇轉(zhuǎn)向、磁疇壁位移以及磁疇自然共振等。此外，最新的納米材料微波損耗機(jī)制是目前吸波材料分析的一大熱點(diǎn)。 

由于篇幅所限，本文對(duì)吸波材料的損耗機(jī)制僅做了最為簡(jiǎn)約的敘述，對(duì)其詳述及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)對(duì)吸波效能的干擾等方面將在以后的文章中做出解釋。 

總之，高速趨勢(shì)的新科技正引領(lǐng)著世界范圍內(nèi)的各行各類電氣、電子設(shè)備向高頻化、小型化方向趨勢(shì)，高頻電磁干擾技術(shù)必將越發(fā)突顯，吸波材料必然有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用空間。 

吸波材料的損耗型吸波機(jī)制

上一篇文章，我們只是粗略地說(shuō)明了一下吸波材料的類型和和吸波原理相關(guān)的知識(shí)。那么您可能會(huì)問(wèn)：吸波材料為什么會(huì)吸收電磁波？在接下來(lái)的文章中，我們會(huì)向您較詳細(xì)地說(shuō)明吸波材料的兩大類吸波機(jī)制。今天我們向您說(shuō)明損耗型吸波機(jī)制。 

材料損耗是指電磁波進(jìn)入吸波材料內(nèi)部，其能量被材料有效吸收，轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式能量而耗散掉。設(shè)計(jì)這種類型的吸波材料一般需要考慮兩個(gè)方面：阻抗匹配設(shè)計(jì)和衰減設(shè)計(jì)。阻抗匹配設(shè)計(jì)是指創(chuàng)造特殊的邊界條件使入射電磁波在材料介質(zhì)表面的反射系數(shù)R 最小(理想情況R = 0)，從而使電磁波最大程度地進(jìn)入材料內(nèi)部。 

根據(jù)電磁場(chǎng)理論[1] ，當(dāng)電磁波由阻抗為Z0 的自由空間垂直入射到阻抗為Z 的半無(wú)限介質(zhì)表面時(shí)，其反射系數(shù)R 滿足： 
 
----------- (1) 

式中：為介質(zhì)波阻抗： ， 為自由空間波阻抗。在使盡可能多的電磁波入射進(jìn)入吸波材料內(nèi)部，我們就是要盡可能降低反射系數(shù)R。
 
當(dāng)介質(zhì)有損耗時(shí),相對(duì)磁導(dǎo)率 和相對(duì)介電常數(shù) 表示為復(fù)數(shù)： 
 , 

其中，實(shí)部 和 表征了材料的儲(chǔ)能容量，如磁化能和電容；而虛部 和 為極化損耗。由公式(1) 很容易推得,理想情況下的阻抗匹配公式： 
--------(2) 
        然而,由于u和e都是和頻率 有關(guān)的函數(shù),同一介質(zhì)某個(gè)頻率 的 和 難以都滿足公式(2) ,因此該公式是相當(dāng)苛刻的。為此， 秦柏、秦汝虎等人提出說(shuō)說(shuō)更容易讓人接受的阻抗匹配公式： 
         即“廣義匹配定律”[2 ]:  ，并且指出該公式可以作為有效地選購(gòu)材料和材料厚度的判據(jù)， 利用該公式容易獲得展寬、減輕、減薄的吸收劑。 

衰減設(shè)計(jì)是指選用合理的損耗介質(zhì)(吸收劑)以及合理的材料結(jié)構(gòu)特征，以便使進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波迅速地最大限度地衰減掉。損耗介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減能力常用電損耗角正切 和磁損耗角正切來(lái)表示,其值越大,衰減能力越強(qiáng)。從這一點(diǎn)來(lái)看, 似乎意味著介質(zhì)的和越大,吸波能力越強(qiáng)。然而,損耗介質(zhì)的選用和材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是緊密聯(lián)系在一起的。實(shí)際工作中，常常根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案來(lái)選用具有合適電磁參數(shù)的損耗介質(zhì)。因此，一心追求大的 或 的做法是不對(duì)的。 
 
        簡(jiǎn)而言之，損耗型吸波機(jī)制就是盡可能增大入射電磁波量，盡可能加強(qiáng)熱轉(zhuǎn)換率，從而達(dá)到盡可能大的電磁波吸收功效。 

吸波材料的結(jié)構(gòu)型吸波機(jī)制

結(jié)構(gòu)型吸波材料主要是依靠相消原理【1】來(lái)吸收電磁波的。相位相消型吸波材料是按照電磁波的干涉原理來(lái)設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)以單層吸波材料為例加以說(shuō)明。把吸波材料放置在金屬基體上，當(dāng)厚度和入射電磁波長(zhǎng)的關(guān)系滿足：時(shí)，我們參看下圖： 
 
 
這列平行的電磁波入射到吸波材料表面時(shí)，發(fā)生折射和反射。入射部分電磁波經(jīng)底部金屬板反射，再?gòu)奈ú牧系谋砻嫘纬沙錾洳?，且傳播方向不發(fā)生變化。由于吸波材料的厚度是四分之一波長(zhǎng)，所以出射波將和入射波的相位差正好是180度，波的干涉原理告訴我們此刻它們會(huì)發(fā)生完全相消，從而使得總反射波的發(fā)生大大衰減。這便是吸波材料的四分之一波長(zhǎng)吸波原理。 

吸波原理是說(shuō)說(shuō)很有效的微波吸收理論，利用這一原理，我們可以設(shè)計(jì)出任一頻率電磁波的吸收材料。但事實(shí)上，我們還需考慮更深層次的技術(shù)，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)單憑這一原理是很難制造出實(shí)用的吸波材料。原因很簡(jiǎn)單，假設(shè)入射電磁波是1GHz頻率的電磁波，根據(jù)公式，我們不難得到其波長(zhǎng)為300mm,其四分之一是75mm，對(duì)于這么厚的吸波材料在絕大多數(shù)場(chǎng)合我們是很難應(yīng)用的，且價(jià)格也是接受不了的。 

這時(shí)我們不得不更深層次地討論技術(shù)。 

根據(jù)波的折射、反射原理，我們發(fā)現(xiàn)波的折射和反射系數(shù)跟空氣和入射材料介質(zhì)的性質(zhì)有很大關(guān)系。假定空氣的介電常數(shù) 和磁導(dǎo)率 為1，則可以得到1式： 

               --------------------（1） 

這時(shí)的 就是電磁波在介質(zhì)中的實(shí)際傳播波長(zhǎng)。因此我們只需要控制材料的介電常數(shù) 和磁導(dǎo)率 ，使其乘積值大于1，就可以減少材料的厚度，制成我們實(shí)際可以應(yīng)用的吸波材料。因而真正的吸波材料技術(shù)也就成了控制材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的技術(shù)。 

當(dāng)吸波材料的有效厚度d 一定時(shí), 則一定能吸收一定頻率的波長(zhǎng)，然而人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，吸波材料的總反射率就會(huì)急速上升， 使得這種吸波材料工作頻帶很窄。如“Salisbury screen”，這是說(shuō)說(shuō)單波段吸波材料，其吸波特點(diǎn)是在某一對(duì)應(yīng)的中心頻率有一強(qiáng)吸收峰,而這個(gè)有效吸波頻帶的寬度是很窄的。許多薄層吸波涂層以公式(1) 進(jìn)行設(shè)計(jì)，同樣干涉原理也可以在結(jié)構(gòu)吸波材料的設(shè)計(jì)。例如,在幾層夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料(由復(fù)合面板、夾芯和衰減片組成) 中,控制衰減片(起主要的吸波作用) 的阻抗和衰減片之間的距離,使各次反射波相位相反,就可以產(chǎn)生相消干涉,從而衰減反射波的能量。 

最后，我們不妨指明一下，對(duì)于任何材料的可應(yīng)用性還包裹材料的物理和機(jī)械性能，吸波材料也不例外。對(duì)于這種有效性，人們的常用辦法是在不同基體材料添加有效粒子成份的辦法來(lái)制造吸波材料，因而吸波材料制造技術(shù)的分析實(shí)際上在分析填充粒子的種類、密度同使用電磁波頻段的關(guān)系，輔以結(jié)構(gòu)性和基材的分析以及在窄頻和寬頻應(yīng)用時(shí)吸收能效考慮的綜合的實(shí)驗(yàn)型技術(shù)。