姜曉文 黃大慶 何 山 王智勇 周 淳

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，高效吸波材料研制成為研究熱點(diǎn)［1-5］。在種類繁多的吸波材料中，磁損耗型吸波材料應(yīng)用最廣泛和成熟。由羰基鐵粉作為吸收劑填料制備的涂覆型吸波涂層，是應(yīng)用較早的一類磁損耗微波吸收材料，具有磁導(dǎo)率高，磁損耗大等優(yōu)點(diǎn)，是薄層吸波材料的主要吸收劑之一［6-7］。

剛駿濤等［8］制備SiO2包覆羰基鐵粉復(fù)合吸波劑，用Agilent/HP-8720ET 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣品進(jìn)行吸波性能分析，當(dāng)吸波劑的涂覆層厚度為d=1.9 mm時(shí)，在6.4～11.4 GHz 波段范圍的反射吸收率小于-10 dB，最低反射率達(dá)到-58.6 dB。胡晶等［9］用多元助劑有效降低羰基鐵粉的復(fù)介電常數(shù)，增加復(fù)磁導(dǎo)率虛部，提高吸波材料的電磁匹配性能，改善吸收劑的低頻吸收效果，在厚度為2 mm 時(shí)，三元助劑改性羰基鐵粉的反射損耗峰值在2 GHz附近達(dá)到-15 dB。WEI 等［10］利用高能球磨制備了納米片狀羰基鐵粉并測(cè)試了材料電磁參數(shù)，結(jié)果表明頻率為2 GHz 時(shí)，磁導(dǎo)率實(shí)部達(dá)到3.2。YOO 等［11］制備了尖晶石型鐵氧體NixZn1-xFe2O4（x=0.4，0.5，0.6），并模擬計(jì)算了材料吸波性能，結(jié)果表明吸波材料厚度為5.6 mm 時(shí)，對(duì)頻率為2.9 GHz的電磁波反射率達(dá)到-60 dB。

目前關(guān)于吸波涂層電磁參數(shù)和涂層反射率方面研究較多，但在吸波涂層衰減常數(shù)、衰減率，以及Re（Zin）對(duì)反射率影響方面報(bào)道較少。本文測(cè)試磁損耗吸收劑電磁參數(shù)，分析吸波涂層對(duì)電磁波的衰減常數(shù)和衰減率，計(jì)算了電磁波在吸波涂層中的相位常數(shù)和波長(zhǎng)，然后研究吸波涂層對(duì)電磁波的輸入阻抗，以及輸入阻抗對(duì)涂層反射率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

石蠟：工業(yè)級(jí)；微波吸收劑X，工業(yè)級(jí)，北京航空材料研究院；微波吸收劑S、微波吸收劑K，工業(yè)級(jí)，南京大學(xué)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

材料的頻率為1～18 GHz 復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率基于同軸法采用矢量網(wǎng)絡(luò)儀進(jìn)行測(cè)定；測(cè)試設(shè)備為HP8722ES 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)傳輸線理論模擬計(jì)算出吸波涂層對(duì)電磁波的衰減常數(shù)、衰減率，電磁波在涂層中的波長(zhǎng)、相位常數(shù)，以及涂層對(duì)電磁波的輸入阻抗、反射損耗等。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收劑電磁參數(shù)

選取了三種磁損耗型吸收劑，其中S型和X型屬于羰基鐵粉類吸收劑，K型屬于鐵氧體類吸收劑。將上述吸收劑按比例與石蠟共混，制備成吸波材料，并測(cè)試電磁參數(shù)，然后依據(jù)電磁參數(shù)計(jì)算吸波材料及吸波涂層的各種性能數(shù)據(jù)。表1是三種磁性吸收劑添加含量。

表1 三種吸波材料中吸收劑的種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Lossy materials and mass percent in the three kinds of radar absorbing materials

圖1是吸收劑在電磁波頻率為1～18 GHz 的電磁參數(shù)曲線。從圖1（a）可以看出，三種吸收劑的ε′隨頻率變化而基本保持不變，其中S 型吸收劑ε′最大，為17 左右，K 型吸收劑ε′最小，為5 左右。對(duì)于X型吸收劑，介電常數(shù)實(shí)部ε′隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大，表明材料儲(chǔ)存電磁波能量能力變大［8］。從圖1（c）可以看到，三種吸收劑的μ′在1～18 GHz范圍內(nèi)均隨頻率增大而逐漸減小，表明三種吸收劑的磁存儲(chǔ)能力隨頻率增加而逐漸下降［9］。從圖1（d）可以看到，三種吸收劑的μ′′在1～18 GHz 范圍內(nèi)均隨頻率增大而呈先增大后減小的規(guī)律，其中S 型、X 型吸收劑μ′′極大值均在頻率為5 GHz 附近，而K 型吸收劑μ′′極大值在11 GHz附近。

圖1 三種吸波涂層電磁參數(shù)Fig.1 Electromagnetic parameters of the microwave absorbing coatings

2.2 電磁波在吸波涂層中的復(fù)波數(shù)

分析時(shí)諧平面電磁波（以下簡(jiǎn)稱電磁波）進(jìn)入吸波涂層并在其中傳播的情況，圖2是電磁波在涂層表面以及內(nèi)部發(fā)生傳播的過程示意圖［12］，其中吸波涂層涂覆于金屬基材表面（近似為理想導(dǎo)體）。

圖2 電磁波在吸波涂層表面以及內(nèi)部發(fā)生傳播的過程示意圖Fig.2 Scheme of propagation of plane wave in the microwave absorbing coating

根據(jù)麥克斯韋方程和亥姆霍茲方程，求解得到沿z方向傳播的電磁波在吸波涂層中總電場(chǎng)為

其中復(fù)波數(shù)γ為：

式中，α為衰減常數(shù)，β為相位常數(shù)［12］，j 為虛數(shù)，ω為角頻率。E+和E-分別為正向、反向傳播的電磁波電場(chǎng)振幅。

對(duì)于圖2中的透射波T1，其在吸波涂層中傳播d距離（d為涂層厚度）后到達(dá)金屬基材，在金屬基材表面發(fā)生完全反射，傳播方向發(fā)生180°改變，并繼續(xù)在吸波涂層中傳播d距離后到達(dá)涂層表面。在此過程中，電磁波發(fā)生衰減，根據(jù)公式（3）可由衰減常數(shù)求得衰減后的電場(chǎng)振幅E+′，根據(jù)公式（4）可求得電磁波在吸波涂層中的衰減率Rα。

電磁波在吸波涂層中衰減是決定涂層吸波性能的重要因素［9］。圖3（a）是頻率為1～18 GHz 的電磁波在涂層內(nèi)的衰減常數(shù)，從圖中可以看出，S 型、X 型吸波涂層的衰減常數(shù)隨頻率增加而逐漸增大，表明吸波涂層衰減電磁波能力逐漸增大。對(duì)于X 型吸波涂層，衰減常數(shù)隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大，表明材料衰減電磁波能量能力隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸變大。

圖3 電磁波在三種吸波涂層中衰減常數(shù)與衰減率Fig.3 Attenuation constant and energy loss of the microwave in microwave absorbing coatings

圖3（b）是電磁波在厚度為2 mm 涂層內(nèi)的衰減率計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，頻率為18 GHz的電磁波在S型吸波涂層中衰減率為-24.9 dB，由于電磁波能量與電場(chǎng)振幅平方成正比，即電磁波場(chǎng)強(qiáng)振幅降為原振幅的5.7%，電磁波能量下降為原來(lái)的0.3%，衰減效果非常明顯。

圖4（a）是頻率為1～18 GHz 的電磁波在涂層內(nèi)的相位常數(shù)，從圖中可以看出，相位常數(shù)在隨頻率增加而逐漸增大，且均大于在自由空間中的相位常數(shù)。根據(jù)公式（5）可以由相位常數(shù)β求得電磁波在材料中的波長(zhǎng)［12］；

圖4（b）是頻率為1～18 GHz 的電磁波在吸波涂層內(nèi)的波長(zhǎng)，從圖中可以看出，電磁波吸波涂層的波長(zhǎng)在1～18 GHz范圍內(nèi)隨頻率增加而逐漸減小；電磁波在S型吸波涂層中波長(zhǎng)最小，在K 型吸波涂層中波長(zhǎng)最大。對(duì)于X 型吸波涂層，電磁波波長(zhǎng)隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸減小。

圖4 電磁波在三種吸波涂層中相位常數(shù)與波長(zhǎng)Fig.4 Phase constant and wavelength of microwave in microwave absorbing coatings

2.3 吸波涂層阻抗性能

阻抗匹配是決定吸波材料吸波性能的另一重要因素［13］。公式（6）為涂覆于金屬基板上的吸波涂層輸入阻抗計(jì)算公式。從公式可以看出，材料輸入阻抗與厚度有關(guān)，根據(jù)公式（6）計(jì)算了吸波涂層在厚度2 mm 時(shí)的輸入阻抗，并計(jì)算了X-1 型吸波涂層不同厚度下的輸入阻抗。

圖5（a）是吸波涂層在厚度2 mm 時(shí)的輸入阻抗實(shí)部Re（Zin）曲線，可以看出，S 型、X 型吸波涂層Re（Zin）在1～18 GHz范圍內(nèi)隨頻率增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。X-1 型吸波涂層對(duì)頻率為12.73 GHz 的電磁波Re（Zin）達(dá)到578.2 Ω，明顯高于自由空間本征阻抗值376.7 Ω。對(duì)于X 型吸波涂層，吸波涂層輸入阻抗實(shí)部最大值隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加逐漸減??；同時(shí)，吸波涂層Re（Zin）最大值隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加逐漸向低頻移動(dòng)。圖5（b）是不同厚度下X-1 型吸波涂層Re（Zin），可以看出，Re（Zin）最大值隨吸波涂層厚度增加逐漸向低頻移動(dòng)。

圖5 三種吸波涂層對(duì)電磁波輸入阻抗實(shí)部Fig.5 The real part of input impedance of microwave absorbing coatings

2.4 吸波涂層反射率

圖6（a）是利用電磁參數(shù)計(jì)算得到的厚度為2 mm 的涂層對(duì)電磁波的反射率，可以看出，S型吸波涂層反射率最大值對(duì)應(yīng)頻率最低，在5 GHz附近。對(duì)于X型吸波涂層，反射率最大值隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加逐漸變大。圖6（b）是不同厚度下X-1 型吸波涂層對(duì)電磁波的反射率，可以看出，X-1 型吸波涂層反射率最大值隨吸波涂層厚度增加逐漸向低頻移動(dòng)。將圖6（a）與圖5（a）對(duì)比可以看出，S 型吸波涂層Re（Zin）最大值與反射率最大值均在5 GHz附近，兩者對(duì)應(yīng)頻率值基本相等，對(duì)于X型吸波涂層和K型吸波涂層均有類似規(guī)律。

圖6 三種吸波涂層的反射率Fig.6 Reflection loss of three kinds of microwave absorbing coatings

表2是吸波涂層的Re（Zin）與在自由空間中本征阻抗匹配情況，從表中可以看出，S 型吸波涂層對(duì)頻率為4.83 GHz 的電磁波的Re（Zin）為321.5 Ω，與自由空間中本征阻抗376.7 Ω 差值最小，匹配最好；對(duì)于S 型、X 型吸波涂層，其對(duì)電磁波Re（Zin）均可與自由空間中本征阻抗實(shí)現(xiàn)完全匹配。另外，對(duì)于X 型吸波涂層，當(dāng)Re（Zin）與η0匹配較好或者完全相等時(shí)，涂層反射率并不是最大值，表明電磁波Re（Zin）與自由空間中本征阻抗匹配性能不是決定涂層反射率的唯一重要因素。

表2 電磁波在吸波涂層的Re（Zin）與在自由空間中本征阻抗（η0）匹配情況Tab.2 Impedance matching between real part of input impedance（Zin）and wave impedance（η0）of free space

3 結(jié)論

（1）三種吸收劑的ε′隨頻率變化而基本保持不變，其中S型吸收劑ε′最大，為17左右，K型吸收劑ε′值最小，為5 左右。對(duì)于X 型吸收劑，介電常數(shù)實(shí)部ε′隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大。

（2）S 型、X 型吸波涂層的衰減常數(shù)在1～18 GHz范圍內(nèi)隨頻率增加而逐漸增大。對(duì)于X 型吸波涂層，衰減常數(shù)隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大。對(duì)于S 型吸波涂層，頻率為18 GHz 的電磁波在其中衰減率為-24.9 dB，衰減效果非常明顯。

（3）S 型、X 型吸波涂層對(duì)電磁波的輸入阻抗實(shí)部在1～18 GHz 范圍內(nèi)隨頻率增加而呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。X-1 型吸波涂層輸入阻抗實(shí)部最大值隨吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加逐漸向低頻移動(dòng)。X-1 型吸波涂層輸入阻抗實(shí)部最大值隨吸波涂層厚度增加逐漸向低頻移動(dòng)。

（4）三種吸波涂層輸入阻抗實(shí)部最大值對(duì)應(yīng)頻率與反射率最大值對(duì)應(yīng)頻率值基本相等。三種吸波涂層對(duì)電磁波輸入阻抗Zin實(shí)部與自由空間中本征阻抗匹配性能不是決定涂層反射率的唯一重要因素。