CN103399975B - 一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，该方法包括以下步骤：A、获取吸波材料的复数磁导率和复数介电常数；B、根据匹配厚度公式分别计算该吸波材料在每个电磁波频率下的一、三、五级匹配厚度；C、根据输入阻抗计算公式计算上述匹配厚度下每个电磁波频率对应的输入阻抗；D、根据反射损耗强度计算公式和/或上述步骤B或C的计算结果计算吸收特性，进而制备吸波材料。本发明运用匹配厚度模型结合传输线理论，使得电磁波吸波材料的阻抗匹配优化更高效，使得吸波材料的制备能够快速准确完成，且适用多种电磁波吸波复合材料。本发明作为一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法可以广泛应用于吸波材料技术领域。

Description

一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法

技术领域

本发明涉及电磁吸波材料技术领域，尤其是一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法。

背景技术

术语解释：

①金属背衬雷达波吸波材料：如图1所示，吸波材料的电磁特性用磁导率μ′、μ″(μ′为实部，μ″为虚部)表征，和介电常数ε′、ε″(ε′为实部，ε″为虚部)表征；底层为金属背衬，材料厚度为t。

②吸波特性：如图2所示，吸波特性曲线包含的重要参数有：

1)峰值频率f₀，单位吉赫兹(GHz)；2)反射损耗RL，即电磁波的反射功率和入射功率之比，以分贝(dB)表示；3)吸收带宽△f，单位GHz。

③完全匹配：吸波材料的波阻抗与相邻空气介质的波阻抗相等，即输入阻抗等于1状态，此时吸波性能最好。完全匹配点的反射损耗曲线如图3中反射损耗曲线(b)所示，在完全匹配点，吸波材料的厚度叫完全匹配厚度。

④有限匹配：吸波材料的输入阻抗大于1或小于1，但存在吸收峰，此时吸波性能较好，但相对于完全匹配的反射损耗值小，有时甚至小很多。有限匹配反射损耗效果如图3中的曲线(a),(c),(d)所示。

随着科学技术的发展，吸波材料被广泛应用于通讯，家用电器，计算机及国防军事领域。吸波材料能减小电磁干扰和电磁环境污染，改变目标对电磁波的反射性能，使武器平台的电磁波反射截面大大降低。

在吸波材料的制备中，为了获得较好或最好的吸波性能，必须进行阻抗匹配的优化，找出该材料在确定频率下有限匹配及完全匹配状态的结构参数(厚度)，以及各自对应的吸波特性曲线。

现有技术：第一种方法：

对铁氧体材料，日本Naito小组给出计算公式：

$t=\frac{c}{2{{\mathrm{\πf\μ}}_r}^{\′\′}}---\left(1\right)$

其中t为样品厚度，c为光速，f为电磁波频率，μ_r″为样品磁导率虚部。

所用的公式(1)是1971年日本Naito小组对铁氧体材料设定输入阻抗为1，作了很多近似之后导出的，不仅没有普遍性，且隐含了“磁损耗决定吸波特性”的概念，是一种误导。实际应用该方法进行材料设计的几乎没有，但在发表文章中至今仍常被引用。

第二种方法：

以传输线理论为基础的作图法。其理论公式为：

$Z_{in}=\frac{Z}{Z_0}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\tanh \[j\left(\frac{2\mathrm{\π}}{c}\right)\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}ft\]---\left(2\right)$

$R\left(dB\right)=20log\left|\frac{Z_{in}-1}{Z_{in}+1}\right|---\left(3\right)$

这种方法假定公式(2)中，在做一定近似情况下，用作图法可以得到μ_r′，μ_r″，ε_r′，v_r″，f，t的关系，如图4所示，最终求得材料的完全匹配厚度。但是计算过程中用了较多的近似，过程复杂，操作性不强，且只限于讨论完全匹配条件下的吸波特性，既不够准确，也不能全面评价材料的吸波特性。图4为作图法所得参数关系图示例。

第三种方法：

以传输线理论为基础的计算，综合归纳法，这种方法是利用公式(2)和(3)，任意给定起始厚度，终结厚度及厚度间隔而计算其阻抗和吸收特性。其主要缺点是：(1)不能直接找到完全匹配点的频率和厚度，并对其频率、带宽、强度进行设计；(2)不能对所选材料直接确定指定频率下的匹配厚度，只能反复调整参数，逐步接近。每次计算过程中只能给定一个厚度，在计算量不足的情况时容易漏掉完全匹配厚度，实验上也是喷一层测一次，如果喷涂得过厚了，只能进行打磨。这种方法效率低下，如果要获得涂层材料的完全匹配频率，只能进行反复的交叉实验，周期会很长，严重影响吸波涂层或贴片的生产效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种简洁高效的阻抗匹配优化方法，利用这种方法可以确定每种吸波材料的完全匹配点和全部有限匹配点的相关参数，给出完全匹配和全部有限匹配点的频率、厚度及全部吸波特性参数，从而使金属背衬电磁吸波材料的制备更加快速，高效。

本发明所采用的技术方案是：一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，该方法包括以下步骤：

A、获取吸波材料的复数磁导率和复数介电常数；

B、根据匹配厚度公式分别计算上述吸波材料在每个电磁波频率下的一级、三级、五级匹配厚度；

C、根据输入阻抗计算公式计算上述匹配厚度下每个电磁波频率所对应的输入阻抗；

D、根据反射损耗强度计算公式和/或上述步骤B的计算结果和/或步骤C的计算结果，计算吸波材料的吸收特性，进而根据计算结果制备吸波材料。

进一步，所述步骤D具体为：根据步骤B的计算结果计算给定峰值频率下的匹配厚度值，进而根据匹配厚度值制备吸波材料。

进一步，所述步骤D具体为：根据步骤B的计算结果计算吸波材料出现吸收峰的厚度范围，进而根据厚度范围制备吸波材料。

进一步，所述步骤C中的输入阻抗计算公式具体为：

$Z_{in}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\tanh \[j\left(\frac{2\mathrm{\π}}{c}\right)\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}{f}_m{d}_m\]$

其中c是真空中光速，f_m是电磁波频率，d_m是吸收层厚度，ε_r为复数介电常数，μ_r为复数磁导率。

进一步，所述步骤D具体为：根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果计算是否存在完全匹配点，若是则确定完全匹配点，进而根据计算结果制备吸波材料。

进一步，所述步骤D具体为：根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果计算完全匹配点的厚度、频率或厚度与频率的乘积，进而根据计算结果制备吸波材料。

进一步，所述步骤D具体为：根据步骤C的计算结果计算吸波特性曲线，进而得出对应的吸收峰频率、反射损耗强度和吸收带宽，进而根据计算结果制备吸波材料。

进一步，所述步骤A中吸波材料的复数磁导率和复数介电常数用网络分析仪测量获得。

本发明的有益效果是：本发明按照网络分析仪测量得到的复数磁导率和复数介电常数，建立多重匹配厚度模型，计算在各种匹配厚度情况下吸波材料的匹配阻抗，进而得到阻抗匹配状态下反射损耗曲线峰值点的包络线；同时，根据阻抗等于1的条件，我们可以得到完全匹配厚度和完全匹配频率。由于结合了匹配厚度和阻抗等于1两方面的计算，使得阻抗匹配的优化相对于已有方法更加简洁高效，结果也更加准确，应用本发明所述方法能够使电磁波吸收材料的制备快速准确地完成。本发明不仅适用于铁氧体磁粉复合材料，还适用于金属磁粉复合材料、介电微粉复合材料及陶瓷块体材料。

附图说明：

图1金属背衬电磁波吸波材料结构图；

图2吸波特性曲线图；

图3完全匹配和有限匹配吸波特性曲线图；

图4作图法所得参数关系图示例；

图5本发明的步骤流程图；

图6一级匹配厚度与频率的关系图示例；

图7与图6相对应的输入阻抗与频率的关系图；

图8与图7相对应的完全匹配吸波特性曲线图；

图9根据本发明设计的软件界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图5，一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，该方法包括以下步骤：

A、获取吸波材料的复数磁导率μ_r和复数介电常数ε_r；

B、根据匹配厚度公式分别计算上述吸波材料在每个电磁波频率下的一级、三级、五级匹配厚度；

匹配厚度计算：当一束电磁波垂直入射到样品表面，由于样品阻抗与空气阻抗不匹配，一部分电磁波被样品前界面反射，而其余部分电磁波进入样品。进入样品内部的电磁波有一部分被材料损耗吸收，而剩余部分则会被样品背面的金属板反射后穿出前界面。当这两束反射的电磁波的相位差为180°时，就会在样品前界面相互抵消。根据这一模型，就可以计算当电磁波频率为f_m时，用该频率下材料的介电常数ε_r，和磁导率μ_r，计算匹配厚度t_m：

$t_m=\frac{nc}{4f_m\sqrt{\left|{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r\right|}},(n=1,3,5)---\left(4\right)$

根据匹配厚度计算公式(4)分别计算当n＝1、n＝3或n＝5时，每个频率所对应的匹配厚度，分别得出吸波材料的一级、三级、五级匹配厚度关系图。其中一级匹配厚度关系如图6所示。

C、根据输入阻抗计算公式计算上述匹配厚度下每个电磁波频率所对应的输入阻抗；

输入阻抗是复数。在归一化输入阻抗等于1的时候可以得到完全匹配。

图7为与图6相对应的输入阻抗与频率的关系图。

D、根据反射损耗强度计算公式和/或上述步骤B的计算结果和/或步骤C的计算结果，计算吸波材料的吸收特性，进而根据计算结果制备吸波材料。

反射损耗强度计算公式即公式(3)。根据输入阻抗计算结果，进而通过反射损耗强度计算得出完全匹配时的吸波特性曲线(图8)。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D具体为：根据步骤B的计算结果计算给定峰值频率下的匹配厚度值，进而根据匹配厚度值制备吸波材料。

给定频率下的吸波材料的匹配厚度设计：在实际应用中非常重要，如国际互联网电子标签频率915MHz，2.45GHz，5.9GHz等等，后面需要一块电磁波吸波材料，给定涂层后，根据我们前面的匹配厚度模型就可以设计相应匹配频率的匹配厚度。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D具体为：根据步骤B的计算结果计算吸波材料出现吸收峰的厚度范围，进而根据厚度范围制备吸波材料。

在吸波材料的制备过程中将厚度限制在上述计算的厚度范围中，可以使制备过程更快。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中的输入阻抗计算公式具体为：

$Z_{in}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\tanh \[j\left(\frac{2\mathrm{\π}}{c}\right)\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}{f}_m{d}_m\]---\left(5\right)$

其中c是真空中光速，f_m是电磁波频率，d_m是吸收层厚度，ε_r为复数介电常数，μ_r为复数磁导率。Z_in即归一化输入阻抗。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D具体为：根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果计算是否存在完全匹配点，若是则确定完全匹配点，进而根据计算结果制备吸波材料。

确定匹配点：通过公式(5)，根据吸波材料是否存在阻抗等于1的条件可以将吸波材料分类：(1)无完全匹配点，即频率范围内阻抗都不等于1，但仍存在多个吸收峰，此时吸波性能相对较好；(2)有一个完全匹配点，即频率范围内只有一个频率点的阻抗等于1，即存在一个吸波性能最好的点；(3)有多个完全匹配点，即频率范围内有多个点阻抗等于1，即存在多个吸波性能最好的点。制备过程中根据上述计算结果，使得精确度更高，制备过程更快。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D具体为：根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果计算完全匹配点的厚度、频率或厚度与频率的乘积，进而根据计算结果制备吸波材料。

吸波材料制备过程中引入完全匹配厚度和完全匹配频率的乘积作为衡量吸波材料性能的指标，由于结合了匹配厚度模型和阻抗匹配情形下的输入阻抗两方面的计算，使得完全匹配的计算相对于作图法更加准确高效，并且计算方法不仅适用于铁氧体磁粉复合材料，还适用于金属粉体吸波复合材料。可以用于设计完全匹配厚度、完全匹配频率、复数磁导率、复数介电常数和比值模量等数据表格。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D具体为：根据步骤C的计算结果计算吸波特性曲线，进而得出对应的吸收峰频率、反射损耗强度和吸收带宽，进而根据计算结果制备吸波材料。

根据计算所得的吸收峰频率、反射损耗强度和吸收带宽，在制备过程中控制到吸波材料的最佳吸收效果，其方法精确、直观，且避免了制备过程中的重复操作。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中吸波材料的复数磁导率和复数介电常数用网络分析仪测量获得。

导入网络分析仪测量置于同轴空气线中的环形复合材料样品得到的复数磁导率和复数介电常数。

根据上述实施方式，我们将本发明一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法设计成计算机软件，并将其应用于吸波材料制备控制，其软件界面如图9。该软件导入网络分析仪测量吸波材料样品的复数磁导率和复数介电常数，首先计算一级、三级和五级匹配厚度；再计算在各种匹配厚度下吸波材料的输入阻抗；通过阻抗等于1的条件我们可以得到完全匹配厚度和完全匹配频率，使得完全匹配的计算相对于现有方法更加简洁方便，高效准确，并运用计算所得结果控制吸波材料的制备过程。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

A、获取吸波材料的复数磁导率和复数介电常数；

B、根据匹配厚度公式分别计算上述吸波材料在每个电磁波频率下的一级、三级、五级匹配厚度；电磁波频率为f_m时，用该频率下材料的介电常数ε_r，和磁导率μ_r，计算匹配厚度t_m，所述匹配厚度公式为：

$t_m=\frac{nc}{4f_m\sqrt{\left|{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r\right|}}$

其中，c为光速，当n＝1、n＝3或n＝5时，每个频率所对应的匹配厚度，分别得出吸波材料的一级、三级、五级匹配厚度；

C、根据输入阻抗计算公式计算上述匹配厚度下每个电磁波频率所对应的输入阻抗；

D、根据反射损耗强度计算公式和/或上述步骤B的计算结果和/或步骤C的计算结果，计算吸波材料的吸收特性，进而根据计算结果制备吸波材料；

所述步骤D中，根据步骤B的计算结果，计算吸波材料的吸收特性，进而根据计算结果制备吸波材料时，所述步骤D具体为：

根据步骤B的计算结果计算给定峰值频率下的匹配厚度值，进而根据匹配厚度值制备吸波材料；

或

根据步骤B的计算结果计算吸波材料出现吸收峰的厚度范围，进而根据厚度范围制备吸波材料。

2.根据权利要求1所述的一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，其特征在于：所述步骤C中的输入阻抗计算公式为：

$Z_{in}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\tan h\[j\left(\frac{2\mathrm{\π}}{c}\right)\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}{f}_m{d}_m\]$

其中c是真空中光速，f_m是电磁波频率，d_m是吸收层厚度，ε_r为复数介电常数，μ_r为复数磁导率。

3.根据权利要求1所述的一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，其特征在于：所述步骤D中，根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果，计算吸波材料的吸收特性，进而根据计算结果制备吸波材料时，所述步骤D具体为：根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果计算是否存在完全匹配点，若是则确定完全匹配点，进而根据计算结果制备吸波材料。

4.根据权利要求1所述的一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，其特征在于：所述步骤D中，根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果，计算吸波材料的吸收特性，进而根据计算结果制备吸波材料时，所述步骤D具体为：根据反射损耗强度计算公式和步骤C的计算结果确定完全匹配点的厚度、频率或厚度与频率的乘积，进而根据计算结果制备吸波材料。

5.根据权利要求1所述的一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，其特征在于：所述步骤D中，根据步骤C的计算结果，计算吸波材料的吸收特性，进而根据计算结果制备吸波材料时，所述步骤D具体为：根据步骤C的计算结果计算吸波特性曲线，进而得出对应的吸收峰频率、反射损耗强度和吸收带宽，进而根据计算结果制备吸波材料。

6.根据权利要求1所述的一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，其特征在于：所述步骤A中吸波材料的复数磁导率和复数介电常数用网络分析仪测量获得。