入射角和极化方式对吸波材料反射率的影响计算

电子机械工程

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E lectro -M echan ical Engineering

2005年第21卷第4期2005. V o. l 21N o . 4

入射角和极化方式对吸波材料反射率的影响计算

景莘慧

(东南大学电磁兼容研究室, 江苏南京210096)

*

摘 要:分析了角锥型吸波材料在暗室中的应用特点, 论述了现有的角锥材料仿真计算方法的原理及其

应用局限性, 介绍了一种根据垂直入射的反射率测试值所确立的角锥材料简化计算模型-平板近似法; 根据该计算模型, 文章给出了吸波材料在不同入射角、不同极化方式下的反射率计算公式。分析比较了平板近似法、均匀化模型法以及矩量法对角锥材料垂直入射反射率的计算结果; 并以600mm 高角锥材料为例, 计算了不同入射角和极化方式对角锥材料反射率的影响。这种方法对于相关工程设计人员进行角锥型吸波材料和电波暗室的仿真计算具有参考意义。关键词:吸波材料; 角锥; 电波暗室; 反射率; 入射角; 极化

中图分类号:TN 03 文献标识码:B 文章编号:1008-5300(2005) 04-0010-04

A S m i p l e M ethod t o Eval uate the Effects of I nci dent Angle and Polarizati on on t he Absorber Perf or m ance

J I N G Shen hui

(Electro magnetic C o mpatibilit y Laboratory, Southeast University , Nanjing 210096, Ch i n a)

Abst ract :A d i e lectric plane m odel fo r si m ulati n g the pyra m i d absorber is deve l o ped basing on the reflectiv ity

data m easured at ob lique i n cidence . The reflectivity a t oblique i n cidence is calcu lated usi n g the presented m ethod and is co m pared w ith the results of ho m ogenen izati o n m ethod and m o m entm ethod . The degradation o f re flectiv ity w ith respect to ang le of i n cidence , po lar izati o n is ill u strated using this d ielectric plane m ode. l The dielectric p lane m odel and deri v ed equa ti o ns reco mm ended here cou l d pr ov i d e a si m ulati o n too l for desi g n o f anechoic cha m bers . K ey w ords :absorber ; pyra m id ; anecho ic c ha m ber ; reflectiv ity ; inc i d ent ang le ; polarization

0 引 言

目前电磁波吸收材料获得了日益广泛的应用:吸波材料一方面应用于各种军用装备或民用电子产品的机壳结构中, 以控制设备或分系统的电磁谐振辐射; 另一方面用于微波暗室和电磁兼容(E MC ) 暗室(以下统称为:电波暗室) 壁面, 使得室内尽可能无反射波存在, 以模拟理想的开阔试验场或自由空间。电磁波吸收材料的性能对电波暗室内场的均匀性指标有至关重要的影响。

目前暗室贴用的国产吸波材料通常有三种:铁氧体吸收瓦、传统泡沫渗碳型角锥材料以及较为新颖的无纺布难燃角锥材料。通常情况下, 欲吸收的电磁波频率越低, 角锥长度越长。但是从暗室投资成本和占

:用空间的角度, 希望尽可能缩短角锥材料的高度。但所选用的吸波材料能否在足够宽的频带内保证电波暗

室的性能指标满足要求, 往往需要根据角锥材料的吸波性能和暗室结构尺寸进行空间场分布的前期仿真计算。完成上述仿真计算必须明确吸波材料在不同入射角、不同极化方式下的反射率(吸波材料外空间某一点的反射波能量与入射波能量之比, 通常用分贝表示) 。

已发布实施的国家军用标准GJB5239-2004《射频吸波材料吸波性能测试方法》规定:吸波材料的吸波性能测试方法根据测试频率范围分为三种:低频同轴反射法(30MH z~600MH z); 波导法(600MH z~1GH z) 和拱形法(1GH z~18GH z) 。拱形测试法相对较为成熟并且已在国内外得到广泛应用, 该方法可以

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通过改变发射、接收喇叭天线的空间相对位置和极化方式来改变电磁波的入射角度与极化条件。低频同轴反射法和波导测试法, 由于受到相对封闭的测试区域的限制, 一般只能提供吸波材料在平面波垂直入射情况下的反射率(波导法可以有较小的入射偏角) 。

为满足工程设计人员在暗室建设之前对吸波材料和测试场地的性能指标进行预评估的要求, 这里描述了一种根据垂直入射的反射率测试值所确立的泡沫渗碳角锥材料简化计算模型-平板近似法, 并给出了如何利用该计算模型求得角锥材料在不同入射角、不同极化方式下的反射率的计算方法。

产品的介质参数信息往往被吸波材料生产厂商视为企业专有的技术信息, 不便公开。

另外, 角锥材料在实际使用中并非单片孤立而是排成阵列, 因此, 工程设计人员更需了解的是吸波材料阵列的吸波性能。考虑到材料介质参数的多变性、角锥材料阵列排布情况以及材料安装过程中难以避免的接触面缝隙、粘结剂厚度、安装支架等等影响因素, 数值仿真计算的结果很难准确地模拟实际的情况。此

外, 暗室中局部的吸波材料可能受到近场球面波的投射, 这使得上述仿真计算中平面波投射的前提假设失去适用性。

综上所述, 根据目前的测试技术, 吸波材料在不同入射角、不同极化方式下的低频段反射率的数值仿真结果仍然无法通过试验进行验证, 因此, 考虑到在吸波材料实际使用过程中诸多不确定因素的影响, 更为复杂的计算模型对于近似精度的提高没有太大的意义。介绍一种根据材料的垂直入射反射率测试值所确立的简化计算模型, 以及根据该计算模型推算角锥材料在不同入射角、不同极化方式下的反射率的简单计算方法。

电磁波投射到角锥材料表面时, 一部分被反(散) 射回到自由空间, 一部分则吸波材料吸收, 另外还有部分能量穿透吸波材料到达金属底板, 反射后再经过材料返回自由空间。在角锥材料的高度低于四分之一波长的低频段, 材料的吸波性能较差, 这时, 经由金属底板反射而回到自由空间的能量远大于直接被角锥表面反(散) 射的能量, 因此, 角锥材料及其金属底板可近似为一个等效介质参数分别为 eff 的平板, 如图2eff 、

所示。由于电磁波在该平板内部的折射情况不作要求, 故认为平板厚度无限。于是, 该平板的等效复介电常数为:

e ff 0

[5]

1 角锥型吸波材料的仿真计算模型

有关角锥型吸波材料的仿真计算方法有很多。通常是根据角锥材料阵列在某一截面处的材

料/空气占用面积比例关系计算出该截面的等效电磁参数(介电常数 和电导率 ), 由于吸波材料对电磁波的传播呈现非均匀媒质的特性, 故这种等效方法具有一定的局限性。Kuester 和H o ll o w ay 在文献[1]中提出了另一种角锥型材料的均匀化模型, 将从锥顶到锥底阻抗渐变的角锥材料近似为许多极薄层面的叠加, 每一层平面是由若干个方形的吸波材料块间隔均匀排列而成, 如图1所示, 每一个单元层面相当于一段具有一定特性阻抗和损耗的传输线, 利用传输线理论,

最终可以求得角锥材料在平面波投射下的反射率。

[1, 2]

图1 角锥型吸波材料的均匀化模型

r = eff -j

[3]

(1)

其他电磁场数值计算的方法, 如矩量法以用于角锥材料的建模仿真计算。

, 也可

其中, 0为自由空间介电常数, 为角频率。 。首先eff 和 eff 的值可通过迭代优化算法获得

设定初值, 根据公式(2) 计算得出该平板在平面波垂直入射下不同频率点的反射率 ( eff , eff , i ), 再根据公式(3) 将计算结果与角锥材料在上述频率点的反射率测量值 m ( i ) 进行方差运算, 根据最小方差的迭代优化算法, 最终求得 eff 和 eff 的最佳值。

( eff , eff , ) =

1-1+

eff -j eff / 0(2)

上述计算方法均需要确定吸波材料的介质参数。利用测量填充有吸波材料的传输线(波导或同轴线) 两端口的S 11、S 21参数可以求得被测材料的相对复介电常数、复磁导率和电导率等参数

[4]

, 但对于泡沫渗

碳型材料和同轴测试系统, 取样和测试比较困难; 并且角锥材料在不同位置处介质特性有所不同, 因此应多

点、多次取样以保证测试结果最大程度接近实际情况。

,

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电子机械工程第21卷

= =

2cos t - 1cos i 2cos t + 1cos i 2cos i - 1cos t 2cos i + 1cos t

(4) (5)

式中, 为平行极化波(电场分量与入射面平行) 反射率; 为垂直极化波(电场分量与入射面垂直) 反射

率; 1为自由空间波阻抗, ; 2为吸波材料介质的波阻抗, ; i 为平面波入射角, ( ); t 为平面波折射角,

图2 角锥型吸波材料的平板近似等效示意图

K

2 = [| (3) m ( i ) |-| ( eff , eff , i ) |]

K i=1

( ) 。并且:

sin t =

1r

sin i

(6)

根据以上计算方法

[5]

, 编写了迭代优化程序, 根

为:

根据角锥材料的平板近似模型, 上述公式可表述

( eff , eff , ) =

( eff -j eff / 0) cos t e ff -j eff / 0) -sin i -( ( e ff -j eff / 0) -sin i +( eff -j eff / 0) cos i

(7)

( e ff , e ff , ) =

cos t -cos t +

( e ff -j eff / 0) -sin i ( e ff -j eff / 0) -sin i

据角锥材料在某一频段内反射率的测试值, 迭代求出近似平板的等效电磁参数 eff 。图3所示为利用e ff 、

该方法计算的角锥材料垂直入射反射率与均匀化模型法、

矩量法的计算结果的对比。

(8)

至此, 角锥型吸波材料在不同入射角、不同极化方式下的反射率即可根据公式(7) 、(8) 计算得出, 式中

的等效介质参数 eff 和 eff 则根据平板近似模型由吸波材料垂直入射反射率的测试值通过迭代优化算法获得。

[6]

根据吸波材料的相关测试标准, 吸波材料在低频段的垂直入射反射率可通过 低频同轴反射法 和 波导测试法 获得, 这里所介绍的平板近似模型基于上述测试数据, 对于角锥型吸波材料的仿真计算具有较强的可操作性。

图4所示为某厂商提供的600mm 高泡沫渗碳角锥材料在500MH z 、不同入射角及不同极化方式下反射率的数值计算结果。根据平板近似法确定的等效介质参数分别为 . 006和 e ff =0. 03S /m。如图所e ff =1示, 小角度入射时入射角和极化状态对吸波材料吸收性能的影响很小; 而当入射角逐渐增大时, 极化方式和入射角对吸波材料吸收性能的影响显著增加; 电场与入射面垂直时, 反射系数随着入射角的增大而增大, 而当电场与入射面平行时, 反射系数先是随着入射角的增加而减小, 在某一角度(布鲁斯特角) 达到极值后, 又随着入射角的继续增大而增大。

图3 角锥材料的垂直入射反射率近似计算结果[5]

从图3中可以看出, 相比于均匀化模型法、矩量法的计算结果, 提出的简化方法的计算结果较好地拟合了吸波材料的反射率变化趋势, 但未能反映出由于不同路径反射波的相互叠加或抵消而造成的反射率曲线局部起伏等细节信息, 由于这些局部的起伏对于吸波材料实际的应用性能无太大影响, 因此, 认为这里提出的近似算法能够满足角锥材料和暗室的仿真计算要求。

此外, 由于该简化模型假设由金属底板反射、并穿过吸波材料返回投射空间的能量远大于角锥表面的反(散) 射能量, 故该方法尤其适用于低频段角锥材料的高度小于

的情况。4

2 入射角和极化方式对吸波材料反射率的影响

角锥材料在不同入射角、不同极化方式下的反射:

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对于相关工程设计人员进行角锥型吸波材料和电波暗室的仿真计算具有参考意义。参考文献:

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图4 电磁波入射角和极化方式对角锥材料反射率的影响

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文献[5]中分别给出了利用该方法所计算的吸波材料反射率随入射角、极化方式的变化规律与均匀化模型法、矩量法计算结果的对比曲线, 还给出了利用该

简化模型对某暗室归一化场地衰减(NSA ) 的计算结果。

3 结束语

分析了角锥型吸波材料在暗室中的应用特点, 论述了现有的角锥材料仿真计算方法的原理及其应用局限性, 介绍了一种根据垂直入射的反射率测试值所确立的角锥材料简化计算模型-平板近似法; 根据该计算模型, 给出了吸波材料在不同入射角、不同极化方式下的反射率计算公式。还比较了应用平板近似法、均匀化模型法以及矩量法对角锥材料垂直入射反射率的计算结果; 并以600mm 高泡沫渗碳角锥材料为例, 分析了不同入射角和极化方式对角锥材料反射率的影响趋势。(上接第9页)

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[K o 作者简介:景莘慧(1977-), 女, 讲师, 硕士, 研究方向为电子设备的电磁兼容与热设计。

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作者简介:杨秀芸(1968-), 女, 北京城市学院理工学部副主任, 副教授, 硕士。