微波暗室吸波材料及其性能测试方法*

2010-08-11肖本龙王雷钢杨黎都

舰船电子工程 2010年7期

肖本龙王雷钢杨黎都

(63880部队洛阳 471003)

1 引言

随着通信技术、隐身技术、仿真试验技术以及各种电子战武器装备的发展,微波暗室以及吸波材料也普遍受到重视和关注,得到了迅速的发展,并广泛应用于雷达、通信、微波技术、航空、导弹、电子战以及卫生医疗设备等领域中。

由于当今高科技的飞速发展,所使用的频带从微波到毫米波,范围从地面观测到宇宙探测,应用领域从军用到民用,这样对微波暗室的性能提出了更高的要求,特别是暗室的体积、背景电平等要求更为苛刻。但微波暗室的性能,很大程度上决定于所选用的吸波材料和设计工艺,因此,我们有必要对微波暗室吸波材料进行研究,对微波暗室性能测试进行了解。

2 微波暗室用的吸波材料

2.1 吸波材料的选择

吸波材料的性能,由其选用材料、制造工艺、形状结构等因素来决定,但不管何种吸波材料,都可以用如下的五项电气参数来评价其性能。

1)反射率电平

当平面电磁波以不同入射角投射到吸收体时,反射波与入射波电场强度之比定义为电压反射系数,反射波对入射波的功率比定义为功率反射系数。

电压反射系数:

功率反射系数:

反射率:

吸收率:

式中:Ed为入射波电场强度;Er为反射波电场强度;Pd为入射波的功率;Pr为反射波的功率。

2)散射率电平

非几何光学的反射称为散射,散射率电平采用与反射率电平相似的定义,只是必须用散射波取代反射波。

散射率随接收角起伏变化,它明显地小于沿几何光学的反射率。通常电磁波吸收体的散射率电平约比反射率电平低一个数量级左右。

3)比吸收功率

比吸收功率定义为吸收体每一单位面积上所能耗散掉的最大入射到它上面的电磁波功率。单位为w/cm2。

吸波材料从能量守恒的理论分析,实际是一种能量转换,即把电磁能转换为热能,并耗散掉。为了提高吸波材料的比吸收功率,就要求吸波材料不仅耐高温,而且具有很好的导热率。

4)工作频率

工作频率定义为对电磁波的反射率电平低于某一给定最小值的频率范围。

5)允许入射角范围

入射角范围定义为反射率电平低于某一特定最小值时入射角可取的区域。入射角系指电磁波入射方向与吸收体所在平面法线之间的夹角。

根据微波暗室的设计要求,可以进行吸波材料的设计,采用复合吸波材料和异形结构,这样可以提高吸波性能,以满足暗室设计要求。

现代微波暗室采用微波、毫米波超宽带微波吸波体,超宽带吸波体一般采用多层结构,其形状一般为楔形或锥形,这样能使入射波能量逐渐被吸收并转化为热能。这些吸波体材料一般选用碳、聚氨基甲酸乙脂、聚乙烯、聚丙烯等配方生产,使用厚度从5cm到200cm不等。

其设计原则根据吸波体中各层的复导电率、复导磁率以及厚度来考虑,如对锥形吸波体来说,就可以近似于多层平面吸波体来分析,如图1所示。等效为平面多层吸波体后,就可以计算其反射系数。例如在平面垂直入射的情况下,由式(5)就可以求出第1层到第2层的阻抗。

式中:Zc1为第1层特性阻抗;r1为第1层传输系数;d1为第1层厚度。

那么,第n层的输入阻抗Zn亦可用式(6)表示,即可求出锥形吸波体的输入阻抗。

式中:Zcn为第n层特性阻抗;rn为第n层传输系数;dn为第n层厚度。

图1 锥形吸波体等效为平面多层吸波体

如图1所示,在吸波体的 xy介电损耗体的横截平面内,介电常数近似为不变,即为εeq,就可以用式(7)表示:

式中:εr为复导电率;εe q为介电常数;a为锥形吸波材料长度。

如果把与XY平面平行的所有横截面都等价其介电常数为εeq,复导电率为εr,式(7)就可用式(8)表示:

2.2 电波吸收特性

仍旧以锥形吸波体来讨论,如果设锥形吸波体的长度为d,波长为λ,在垂直入射时,其电波吸收性能与d/λ之关系由图2黑色实线所示。

由图可知,当 d/λ=0.5时,反射量为-20dB左右,当 d/λ=1时,反射量变成-30dB左右,当d/λ超过 3～4时,反射量已达最小,一般为-50dB～-60dB。

当入射波斜射时,锥形吸波体吸波特性比垂直入射要差,这是因为斜射时源的位置或高或低,暗室的地面、顶棚、墙壁以及门等因素引起散射,而使其吸波特性降低,如图2的虚线所示。

3 宽频带吸波材料的吸波特性

宽频带吸波材料将是今后的发展方向,许多的微波暗室都得承担毫米波的电子设备的研制与试验,在毫米波频段内,对吸波材料的性能要求更高。在这里仍用锥形吸波体进行分析,锥体高为6cm,锥长为4cm,底部长为2cm。一个锥形体的尖到另一个锥形体的尖为其周期,即锥尖到锥尖的距离为1cm。并用二种含碳量不同导电性发泡聚乙烯材料A和B,在10GHz和100GHz频率段进行测试,其复比导电率如表1所示。

图2 锥形吸波体的电波吸收特性

表1 材料A和B的复比导电率

当10GHz和100GHz垂直照射时,材料A和材料B锥形吸波体在亚毫米波的频段里,其反射量均在-40dB以下,其曲线与用时间领域差分(FDTD)方法理论计算的频率特性相吻合[2]。如果从材料来比较吸波特性,在10Hz～50Hz的范围内,复导电率大的材料A在20GHz频率下测量,反射量为-50dB,但复导电率小的材料 B只有-30dB。但当频率上升到50dB,材料A和材料B的反射量差不多,都在-40Hz～-50Hz之间变化。

4 微波暗室及测试方法

4.1 微波暗室设计要求

微波暗室设计对频率范围,物理尺寸,屏蔽有效性,吸收体功耗以及可拆卸性都有严格要求。由于吸波材料的不断发展,根据暗室的用途与设计要求选用不同的吸波材料,对暗室的屏蔽提供有利条件。如美国KEENE公司的86/3系统,暗室尺寸为10.6×3.9×4.4(m)。静区尺寸为 6.0×2.4×3.0(m),测试距离为3m,被测物体的尺寸为6.0×2.4×3.0(m),频率范围为25MHz～1000MHz,测量不确定度为±3dB[3]。一般来说,微波暗室设计要求有:

1)测量距离

测量距离R,我们希望尽可能的小,这样暗室体积也就要求小,但不能随心所欲地选择,要根据被测物体的大小来决定。如图3所示被测天线口径或试验物体为D,D中心与边缘电波传播存在路程差δ,其测量距离由路程差来决定。δ的标准是λ/16,这样测量距离为R=2D/λ。其测量误差保持在2%左右。根据此式,无法满足C、X、Ku波段,只能采取近场理论来实现测量距离R。如日本的微波暗室长度在4m～14m占80%,而长为7m的又占多数,此种暗室的测量距离一般为3m。

图3 微波暗室尺寸

2)微波暗室的尺寸

微波暗室的尺寸,决定收发天线之间的距离,也就是说收发之间电波传输至少满足在菲涅尔区的空间内进行。这就需要对微波暗室的墙壁、顶栅、地面等选用吸波材料提出严格要求。而第一菲涅尔区的大小,一般由测量距离和测试对象所需下限频率来决定,如果从发射天线到第一菲涅尔区端,从第一菲涅尔区端到接收天线的路程为d,收发之间的距离为R,如图3所示,可以用式d-R≥λ/2来确定收发之间的距离。

还要考虑电波吸收体当电波存在一定角度辐射时的吸波持性,设计要求入射角度在70°以下。另外对发射、接收天线背后墙壁的距离至少保持1m,如大于2m更好。

因此,综上所述,影响微波暗室的尺寸的因素有:下限工作频率的电波传输;地面、屋顶、墙壁的吸波材料的入射角度;发射、接收天线与背后吸波体的距离以及暗室各面所选用的吸波体材料。

3)反射电平

反射电平由微波暗室的尺寸,测量距离和室内的选用的吸波材料有关。如果我们不考虑多重辐射的情况,即一次辐射,到接收天线的反射电场强度EA可用式(9)表示[1]:

式中:Gt(φi,θi)为自 φ至θ方向发射天线特性;Gr(φi,θi)为自φ至θ方向接收天线特性;1/Ri为根据电波行程的距离度衰减系数;Γ(θi)为对入射角θ电波吸收体对TE波和TM波的反射系数合成的复比反射系数;exp(-j2πRi/λ)为相位项;i为壁面的序号。

根据以往经验,理论计算与实际测量的反射电平存在一定的误差。但误差不大,这样就可以为设计提供一些依据。如果要考虑多次辐射,计算要复杂多了。

4)静区

静区的大小是微波暗室的一个重要性能指标。静区指的是在暗室轴线周围将形成一个场幅度起伏最小,直射波极化纯度最好的区域,亦称无回波区。

静区与许多因素有关,如暗室的设计尺寸、结构还有吸波材料等。如果周围的吸波材料铺设均匀连续,对结构匀称的矩形暗室而言,天线在室轴一端辐射,如果对前、后、左、右壁是垂直极化波,则相对顶栅和地面来说就是水平极化波,反之亦然。在室轴上不论辐射的是垂直极化波或水平极化波,这六个面的反射波极化都在直射的极化面内,方向有正有负。如果该矩形室横截面为正方形,则其中上、下、左、右壁面反射将是程差相等同时到达室轴,合成后场幅度部分相消。同时由于空间衰减,使反射波能量随着远离壁面而减小。所以在轴线形成一个无回波区。

因此,在暗室设计中就要求选用性能高的吸波材料,并在施工中,讲究科学,严格按工艺要求实施,达到量化的要求。

当考虑屏蔽层时,应考虑屏蔽隔离度,总隔离度一般在-60dB～-150dB之内选择。

4.2 微波暗室性能测试方法

决定微波暗室性能的指标有很多,如对静区大小、频率工作范围、交叉极化特性、振幅均匀性、通路损耗均匀性和反射率电平等,其中反射率电平是衡量微波暗室的关键指标。

这里所指的反射率电平并不是构成其壁面所用电磁波吸收体的反射率电平。如微波暗室静区的反射率电平通常要比吸收体的反射率低10dB以上,这是因为室内各点的反射波是各部分室壁的不同反射和绕射在该点干涉叠加的结果。因这里所指的反射率电平取决于吸波材料的特性,工作频率;暗室结构形状,设计工艺,接收天线和发射天线的方向性,场的极化状态,测试平面位置,天线座架特性,天线在空中的位置,记录干涉图的数目,干涉图的判读,记录干涉图所沿行程线以及所用测量设备的性能等因素[4]。

由于电波暗室中反射与绕射相当复杂,如果通过计算求得反射率电平,存在许多困难,一般通过实际测试获得反射率电平。测试暗室中的反射率电平的方法常见的有五种:天线方向图比较法,简称APC法;自由空间电压驻波比法,简称VSWR法;场-探针绘制法;等效雷达横截面测量法;伪随机码调制载波法。

但在实际测试中常用的方法只有二种,一种天线方向图比较(APC)法,另一种为电压驻波比(VSWR)法。APC法只能在离散的点上记录数据,要想不漏掉所需反射率电压,就得测试大量的方向图进行分析综合比较,其工作量很大。而VSWR法则可以克服APC法的缺点,比较简便,还准确直观。

1)VSWR法

VSWR法是测试微波暗室性能应用最广的方法之一,具体测试如图3所示,选择好几条接收天线移动路线,使接收、发射天线主瓣相互对准,再移动接收天线,直射信号与反射信号之间相位差不断改变,所记录下来的信号曲成是一条周期性变化的曲线,即为空间驻波比曲线。曲线反映了室内反射电平随取向角而变化,根据曲线的包络和接收天线的方向图就可以计算出暗室的反射率电平。

如图3中,接收天线在静区中沿Z轴移动,这时所测得接收信号强度为E0。当接收天线在水平面内旋转θ角度之后,再沿Z轴方向移动,这时测得的接收信号强度为Eθ,Eθ有直射信号和反射信号的叠加合成,那么用式(10)可求出驻波比:

同理,接收天线可以沿X轴方向移动时,因为地面、顶栅、后壁反射波行程差变化小,与Z轴方向测试结果比较,要好-5dB～-10dB。

图4 空间驻波曲线

2)APC法

此方法是在暗室的被测区域内选择若干个离散点测量并记录天线的方向图,由于反射波、绕射波与直射波的相位干涉,使天线方向图不重合,这样从方向图不重合的偏差电平计算出反射率电平,并且从一组不同角度的方向图中观测得到最大偏差值,即可确定室壁各个角度的反射率电平的定量值。

具体作法须把静区分成 M行N例,间隔为λ g/4,λ g为横越暗室轴线所测的空间波长,在每个点上测方向图一张,每例M个方向图为一组,绘制在方位角重合的同一直角坐标系内,以0°线上方向图为基准,进行电平归一化,然后比较同一方位角的偏离量,确定静区反射率电平。

在APC方法中,天线方向图归一化有两种方法,一种是改变接收机增益,使各方向图电平在0°重合。因这种方法带来误差较大,很少采用。第二种方法是取轴线上测得方向图零度电平为基准,其它方向图电平都对它归一化,这是常用的一种方法。如图5所示,为APC法所测一组天线方向图。图中b0为上限值,c0为下限值,即有: