姜曉文, 黃大慶, 張 昳, 史有強, 王智勇

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

Salisbury屏和Jauman（也寫作Jaumann[1]）吸收體均為干涉型吸波材料，其中Salisbury屏為兩層結構，第一層材料為支撐體（也叫隔離層），厚度為電磁波波長的四分之一，第二層材料具有一定導電性，厚度非常薄，稱為電阻屏[2-4]。Jauman吸收體是Salisbury吸收體的延伸，Salisbury屏屬于一種最簡單的Jauman吸收體。Jauman吸收體可看作是將多個Salisbury吸收體復合疊加而形成[5]。Jauman型吸收體在能源利用、寬帶吸收體設計、吸收體電路模擬計算等多方面得到應用和發(fā)展[6-8]。

NEO等運用Smith圓圖詳細分析了Salisbury屏的吸波特性和電磁波零反射原理，即當電阻屏表面電阻等于自由空間阻抗時（R= 377 Ω），隔離層厚度對應的四分之一波長的電磁波進入Salisbury屏后會發(fā)生零反射現象；同時還分析了雙電阻屏Jauman吸收體和三電阻屏Jauman吸收體的電磁特性，并給出了在特定頻率下雙電阻屏Jauman吸收體和三電阻屏Jauman吸收體每一層電阻屏電阻值的計算方法[9]。Li等也運用Smith圓圖分析并設計了吸波性能優(yōu)異、寬帶的三電阻屏Jauman吸收體，當三個電阻屏的電阻分別為R1= 320 Ω，R2= 670 Ω，R3= 1560 Ω時，組成的Jauman吸收體在4～16 GHz頻率范圍內反射率均小于–20 dB[10]。另外，KNOTT等設計并分析了圓柱形的五電阻屏Jauman吸收體的吸波特性（R1= 75.4 Ω，R2= 304 Ω，R3=679 Ω，R4= 1206 Ω，R5= 1885 Ω）[11]。

目前關于Jauman吸收體研究中主要采用通過調控電阻屏表面電阻進行吸波性能設計，對電阻屏表面電阻關注較多，而在電阻屏材質選擇上以及通過電阻屏的電磁參數分析Jauman吸收體的吸波特性方面報道較少，忽略了電阻屏本身厚度對材料輸入阻抗的影響，因而限制了用傳輸線方法研究Jauman吸收體以及Jauman吸收體的寬帶設計和應用。本工作采用聚氨酯泡沫作為隔離層材料，有機導電涂層材料作為電阻屏，測試電阻屏的電磁參數，首先研究Salisbury屏吸波特性，包括不同電阻屏厚度對電磁波輸入阻抗、反射系數以及反射率的影響，然后計算雙電阻屏Jauman吸收體輸入阻抗，以及研究電阻屏厚度對Jauman吸收體反射系數的影響。

1 實驗及方法

1.1 材料

石蠟：工業(yè)級；導電金屬粉S，工業(yè)級，北京航空材料研究院；聚氨酯泡沫，工業(yè)級，北京航空材料研究院。

1.2 實驗方法

材料在頻率為8～18 GHz的復介電常數和復磁導率下，基于同軸法和波導法采用矢量網絡儀進行測定；測試設備為HP8722ES矢量網絡分析儀，根據傳輸線理論模擬計算出Salisbury屏和Jauman吸收體輸入阻抗、反射系數和反射率等。

2 結果與討論

2.1 吸收劑電磁參數

選取導電金屬粉S，將金屬粉S與石蠟按質量比為1∶1共混，制成有機導電涂層材料，然后測試其在電磁波頻率范圍為8～18 GHz時的電磁參數；另外測試聚氨酯泡沫在頻率范圍為8～18 GHz的電磁參數[12]。依據上述聚氨酯泡沫材料和有機導電涂層材料電磁參數運用傳輸線理論計算Salisbury屏和Jauman吸收體的輸入阻抗、反射系數和反射率等數據。

圖1是導電材料和聚氨酯泡沫在8～18 GHz范圍內的電磁參數曲線。從圖1（a）中可以看出，當電磁波頻率為8 GHz時，有機導電材料的介電常數實部ε′值為89，介電常數虛部ε′′值高達209，頻率為18 GHz時，有機導電材料的ε′值為18.9，ε′′值高達116，具有很高的介電常數，而磁導率實部μ′和虛部μ′′在8～18 GHz范圍內均很小。從圖1（b）中可以看出，聚氨酯泡沫的ε′值在頻率為8～18 GHz范圍內基本保持不變，為1.6左右，μ′為1.0左右，ε′′和μ′′值均接近為零，與自由空間電磁參數接近，因此聚氨酯泡沫可以作為Salisbury屏和Jauman吸收體的隔離層材料。

圖1 兩種材料電磁參數 （a）有機導電材料；（b）聚氨酯泡沫；Fig. 1 Electromagnetic parameters of two kinds of materials （a）conducting coating；（b）PU foam

2.2 Salisbury屏分析

采用上述聚氨酯泡沫和有機導電涂層材料可以制成Salisbury屏吸收體，其中氨酯泡沫作為隔離層，有機導電涂層材料作為電阻屏材料。圖2是Salisbury屏吸收體結構示意圖，Salisbury屏的基底一般為金屬平板或金屬膜，可以近似看作是理想導體，第一層即底層為隔離層，第二層即面層為電阻屏。

圖2 Salisbury屏吸收體結構示意圖Fig. 2 Scheme of Salisbury screen absorber material

設定Salisbury屏底層材料聚氨酯泡沫厚度為4 mm，根據四分之一波長原理，其對應電磁波發(fā)生干涉相消時的波長為16 mm，電磁波頻率為14.6 GHz，位于較為常見的Ku波段。研究當第二層材料厚度在0～0.1 mm范圍內時，Salisbury屏的吸波特性。

式（1）是Salisbury屏吸收體的第一層輸入阻抗Zin1計算公式，其中η1是第一層材料特征阻抗，Γ1是電磁波在第一層材料中復傳播常數。式（2）是Salisbury屏吸收體的第二層輸入阻抗Zin2計算公式，其中η2是第二層材料特征阻抗，Γ2是電磁波在第二層材料中復傳播常數[13]。式（3）是歸一化輸入阻抗zin計算公式（歸一化常數為自由空間特征阻抗η0）。

根據式（1）和（2）可以計算Salisbury屏的輸入阻抗和歸一化輸入阻抗。圖3是Salisbury屏歸一化輸入阻抗絕對值|zin|隨材料厚度變化曲線。從圖3中可以看出，在材料厚度從0開始逐漸增加至4.1 mm時，|zin|隨材料厚度增加呈現先增大后減小的規(guī)律。其中：（1）在材料厚度從0開始逐漸增加至4 mm時（即在Salisbury屏的隔離層內部區(qū)域），|zin|從0開始緩慢增加，當材料厚度接近4 mm時，|zin|急劇增加，材料厚度4 mm時（即在Salisbury屏底層與面層的界面處）|zin|達最大值31.3，而自由空間歸一化阻抗為1，表明材料的輸入阻抗與自由空間阻抗差距很大，阻抗匹配性很差。（2）當材料厚度從4 mm逐漸增加至4.1 mm時（即在Salisbury屏的電阻屏內部區(qū)域），|zin|隨厚度增加而急劇下降，當厚度為4.1 mm時|zin|降至0.23，明顯小于1，表明材料的輸入阻抗與自由空間阻抗差距很大，阻抗匹配性很差。另外，當材料厚度分別為2.3 mm和4.022 mm時，|zin| = 1；當厚度為2.3 mm時，根據式（1）和（2），可得zin= 0.03 + j，而自由空間歸一化阻抗為1，表明材料的輸入阻抗與自由空間阻抗差距很大，因此在材料厚度為2.3 mm時，材料與自由空間阻抗匹配性仍然很差；當材料厚度為4.022 mm時，zin= 0.98 + 0.19j，而自由空間歸一化阻抗為1，兩者較接近，表明材料輸入阻抗與自由空間阻抗匹配性較好。

圖3 Salisbury屏對電磁波的歸一化輸入阻抗絕對值（|zin|）Fig. 3 Absolute value of normalized input impedance（|zin|）of Salisbury screen on microwave

圖4是Salisbury屏的第二層厚度為0～100 μm時的反射系數Γ的Smith圓圖（其中第一層材料厚度為4 mm保持不變），圖中標有?20.4 dB的圓圈代表在此圓圈上的點的|Γ|值所對應的反射率均為?20.4 dB。從圖4中可以看出，對于頻率為14.6 GHz電磁波，Γ隨第二層厚度增加而變化明顯，Γ的絕對值|Γ|（即曲線上的點與圓心的距離）呈現先減小后增大的規(guī)律。當第二層厚度為0.5 μm時，|Γ|的值為0.9；當第二層厚度逐漸增加至22 μm時，|Γ|的值最小，為0.096，在此厚度下的反射系數對應反射率為?20.4 dB，表明在此厚度下材料的吸波性能優(yōu)異；當第二層厚度繼續(xù)增加至100 μm時，|Γ|的值逐漸升高至0.63，表明吸波性能逐漸變差。

圖4 Salisbury屏對電磁波的反射系數Γ的Smith圓圖Fig. 4 Reflection coefficient Γ of Salisbury screen

圖5是Salisbury屏的第二層（電阻屏）厚度為0～100 μm時對頻率為14.6 GHz電磁波反射率曲線（其中第一層材料厚度為4 mm保持不變）。從圖5中可以看出，隨著第二層厚度增加，材料反射率呈現先降低后升高的規(guī)律，當第二層厚度為0.5 μm時，材料反射率為?0.92 dB，當第二層厚度繼續(xù)增加至22 μm時，材料反射率達最小值?20.4 dB，隨后當第二層厚度繼續(xù)增加至100 μm時，材料反射率由最小值逐漸升高至?3.99 dB。

圖5 不同厚度Salisbury屏對電磁波的反射率Fig. 5 Reflectivity of Salisbury screen with different thicknesses

2.3 Jauman吸收體分析

圖6是雙電阻屏四層Jauman吸收體結構示意圖，其中第一層和第三層為隔離層，第二層和第四層為電阻屏。表1是雙屏Jauman吸收體各層數據，其中第一層和第三層材料均為聚氨酯泡沫，設定厚度均為4 mm不變；根據上述Salisbury屏結果將第二層厚度設定為22 μm，研究當第四層厚度在0～100 μm之間時的吸波特性。

圖6 雙屏Jauman吸收體示意圖Fig. 6 Scheme of double-screen Jauman microwave absorbing material with four layers

表1 雙屏Jauman吸收體的各層數據Table 1 Data of layers of double-screen Jauman absorber

圖7是雙屏Jauman吸收體的|zin|隨材料厚度變化曲線。從圖7中可以看出，在材料厚度從0開始逐漸增加至8.122 mm時，|zin|隨材料厚度增加呈現先增大后減小的規(guī)律。在材料厚度從0開始逐漸增加至4 mm（即在Jauman吸收體的第一層內部區(qū)域）以及從4 mm增加至4.022 mm（即在Jauman吸收體的第二層內部區(qū)域）時，|zin|的值與上述Salisbury屏的|zin|計算結果相同。在材料厚度從4.022 mm逐漸增加到8.022 mm（即在Jauman吸收體第三層內部區(qū)域）時，|zin|從1開始緩慢下降，當材料厚度為8.022 mm時，|zin|為0.62。當材料厚度從8.022 mm逐漸增加至8.122 mm（即在Jauman吸收體第四層內部）時，|zin|進一步降低，當材料厚度為8.122 mm時，|zin|為0.17，表明材料與自由空間阻抗匹配性較差。因此需進一步研究第二層電阻屏厚度變化對Jauman吸收體吸波性能的影響。

圖7 雙屏Jauman吸收體對電磁波的|zin|值Fig. 7 Absolute value of normalized input impedance（|zin|）of double-screen Jauman screen

表2 不同電阻屏厚度的雙屏Jauman吸收體各層數據Table 2 Data of layers of double-screen Jauman absorber

圖8 雙屏Jauman吸收體對電磁波的反射系數Smith圓圖Fig. 8 Reflection coefficient of double-screen Jauman screen

表2是不同電阻屏厚度的雙屏Jauman吸收體各層數據，其中第二層厚度范圍為12～82 μm，第四層厚度為0 ～100 μm。圖8是不同電阻屏厚度的Jauman吸收體的Γ的Smith圓圖。從圖8中可以看出，當第二層厚度為12 μm時，|Γ|的最小值為0.48（此時第四層厚度接近為零）。隨著第二層厚度逐漸增加，|Γ|的最小值逐漸降低，當第二層厚度增加至72 μm時，|Γ|的最小值為0.00157（此時第四層厚度為11 μm），表明反射系數逐漸變小，吸波性能逐漸變好。當第二層厚度增加至82 μm時，|Γ|的最小值為0.0134（此時第四層厚度為13.5 μm），因此第二層厚度優(yōu)選72 μm。

表3為Salisbury屏和經過厚度設計得到的雙屏Jauman吸收體各層數據。圖9是Salisbury屏和雙屏Jauman吸收體對不同頻率電磁波的反射率性能曲線。從圖9中可以看出，雙屏Jauman吸收體在頻率為10.3～18 GHz范圍內反射率小于?15 dB，吸收帶寬為7.7 GHz，而Salisbury屏在10.2～16.1 GHz范圍內反射率小于?15 dB，吸收帶寬為5.9 GHz；雙屏Jauman吸收體在頻率為4.9～18 GHz小于?10 dB，吸收帶寬為13.1 GHz，Salisbury屏在8.9～18 GHz范圍內反射率小于?10 dB，吸收帶寬9.1 GHz，表明雙屏Jauman吸收體吸收帶寬明顯大于Salisbury屏吸收體。

表3 Salisbury屏和雙屏Jauman吸收體各層數據Table 3 Layers of Salisbury screen material and doublescreen Jauman screen material

圖9 Salisbury屏和雙屏Jauman吸收體對電磁波的反射率Fig. 9 Reflectivity of Salisbury screen and double-screen Jauman absorber

3 結論

（1）Salisbury屏吸收體第二層厚度對電磁波輸入阻抗及反射率均影響很大。反射系數Γ隨第二層厚度增加而明顯變化，Γ的絕對值|Γ|呈現先減小后增大的規(guī)律。當第二層厚度為22 μm時，|Γ|最小，為0.096，在此厚度下的反射系數對應反射率為?20.4 dB，表明在此厚度下材料的吸波性能優(yōu)異。

（2）雙屏Jauman吸收體的第二層厚度對反射率影響較大。反射系數Γ隨Jauman吸收體第二層厚度增加而明顯變化，|Γ|的最小值呈現先減小后變大的規(guī)律。當第二層厚度為72 μm，第四層厚度為11 μm時，反射|Γ|最小值為0.00157，對應反射率為-56 dB，吸波性能最優(yōu)。

（3）經過阻抗匹配設計，雙屏Jauman吸收體在頻率為10.3～18 GHz小于?15 dB，帶寬為7.7 GHz，Salisbury屏在10.2～16.1 GHz范圍內反射率小于?15 dB，帶寬為5.9 GHz；雙屏Jauman吸收體在頻率為4.9～18 GHz小于?10 dB，帶寬為13.1 GHz，Salisbury屏在8.9～18 GHz范圍內反射率小于?10 dB，帶寬9.1 GHz，表明雙屏Jauman吸收體吸收帶寬明顯大于Salisbury屏吸收體。