有机抗电磁辐射材料在Salisbury屏优化设计中的应用

张志明，于安琪，张海丰，邢涛涛，刘金龙，付常伟，王东方

（1.佳木斯大学理学院，黑龙江佳木斯154007；2.佳木斯大学口腔医学院，黑龙江佳木斯154004）



有机抗电磁辐射材料在Salisbury屏优化设计中的应用

张志明1，于安琪2，张海丰1，邢涛涛1，刘金龙1，付常伟1，王东方1

（1.佳木斯大学理学院，黑龙江佳木斯154007；2.佳木斯大学口腔医学院，黑龙江佳木斯154004）

摘 要：文中将有机抗电磁辐射材料作为Salisbury屏的隔离层，代替了经典Salisbury屏的隔离层材料。通过三维网格法进行设计和讨论，给出较为直观的电磁参数匹配规律。从而使得问题的讨论站在全局的高度，符合全貌分析的方法要求，解决了单独讨论或者强调某一参量所带来的片面性影响。

关键词：有机抗电磁辐射材料；Salisbury屏；三维网格法

Salisbury屏是一种经典的电磁波吸收体，在对抗电磁辐射时，能够很好地吸收一定频率范围内电磁波。然而，在早期的研究中，它的吸收带宽较窄，应用范围有限，所以没有得到更好的发展［1-5］。

近20年，随着抗电磁辐射材料研究的进展，人们开始对Salisbury屏加以改造，提高其吸波性能，例如将损耗涂层材料添加到经典的Salisbury屏的设计之中，对其厚度进行了改进，使其满足了当前电磁屏蔽领域对材料“薄、轻、宽”的要求［3-8］。同时在电磁屏蔽材料的研究中，高磁导率的电磁屏蔽材料的吸波性能是较好的。通过文献分析发现，近些年来磁性高分子有机材料的研究进展迅速，这使得将磁性有机材料引入到Salisbury屏的研究中成为可能，也为抗电磁辐射吸波性能的研究提供了新的方向［9-16］。多篇文献中提到三维网格法在涂层吸波材料理论设计中的应用，被多数理论研究者所认可［10-12］。本文主要是将有机抗电磁辐射材料引入到Salisbury的研究之中，利用三维网格法进行分析，为Salisbury屏的优化设计提供理论上的指导性手段，从而提高设计的效率和效果。

1　经典Salisbury屏的电磁波吸收机理

经典Salisbury屏的电磁波吸收机理结构如图1所示，在理想导体的前面是厚度为d的介质屏，d的取值接近于0，并且由介电常数ε和磁导率μ在z方向是任意的隔离层隔开，满足边界条件［1-2］

当频率为f的电磁波以任意角度入射到Salisbury屏时，总的后向反射率可以表示为

图1　基底为金属导体的Salisbury屏电磁波吸收机理机构图

2　隔离层为有机抗电磁辐射材料的Salisbury屏的电磁特性

将有机抗电磁辐射材料做成平板形状，填充到Salisbury屏的隔离层中，此时隔离层的相对磁导率和介电常数由原来的μr=1，εr=实数，变成μr= μr1-iμr2，εr=εr1-iεr2的复数形式。接下来的研究中，就是将复数形式的相对磁导率和介电常数带入到总后向反射率的公式中，通过网格法讨论电磁参数、隔离层厚度、频率与后向反射率之间的关系，进而给出优化设计。

3　利用三维网格法讨论优化设计中参数之间的关系

3.1隔离层为损耗介质的Salisbury屏

图2、图3所示为纯电屏且隔离层为损耗介质情况下，εr1=εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω时，隔离层厚度d1（mm）、频率f（GHz）和总反射率R（dB）之间的网格图。

图2　εr1=εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω时，f-d1-R网格图

图3　εr1=εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω时，f-d1-R等高线

从图2、图3可以看出，当ze=400Ω，厚度大于1mm，频率为8～18GHz的电磁波入射到屏上时，都能获得大于5dB的总反射率，同时随着屏的厚度增加在这个频率范围内的总反射率大于7dB；对于某一频率的电磁波，随着屏的厚度增加，总反射率的dB值将增加，即屏吸收电磁波的效果增强。另外，对于总反射率为一定值时，只要保证低频对屏厚度的要求就可以了。

从图4、图5可以看出，当频率取8GHz，电磁波入射到屏上时，获得了大于3dB的总反射率，同时随着屏的厚度和屏阻抗的增加，总反射率大于10dB；对于某一厚度，随着屏阻抗的增加，总反射率有明显的增加。

图4　f=8GHz，εr1=εr2=4，μr1=μr2=2时，d1-ze-R网格图

图5　f=8GHz，εr1=εr2=4，μr1=μr2=2时，d1-ze-R等高线

3.2隔离层为有机抗电磁辐射材料的Salisbury屏

为了更好地提高Salisbury屏的吸波性能，将隔离层的材料换成有机抗电磁辐射材料，通过网格法，找到隔离层厚度变化对总后向反射率的影响，找到较为合适的隔离层厚度，同时保证在8～18GHz带宽内有较好的dB反射率，同时还可以大大降低Salisbury屏的重量。如图5所示，用εr1= εr2=4，μr1=μr2=2的材料作为隔离层。

3.3利用三维网格法讨论有机抗电磁辐射材料的

电磁参数的匹配特性

从以前的工作中可以看到，对于多参数的讨论，三维网格法能够直观地反映参数之间的相互关系。下面取有机抗电磁辐射材料厚度为5mm，电磁波频率为8GHz，利用三维网格法讨论各个参数的匹配问题。

从图6、图7可以看出，对于d1=5 mm，f= 8GHz时，有机抗电磁辐射材料作为隔离层的屏，要达到10～40dB值，介电常数εr1和εr2应取较小的值，这和文献［5］中提到的减小表面反射以提高总后向反射率的要求是一致的。另外图7给出，对后向反射率起主要作用的是εr1。

类似以上的讨论，从图8、图9可以看出三维网格的Salisbury屏的磁导率的变化趋势。当μr1和 μr2取值较小时，就能够得到较高的dB值，这样的μr1和μr2取值在实际材料设计中也是可以实现的。同时在μr1和μr2中，对后向反射率起主要作用的是μr2，这和文献的表述是一致的。

图6　d1=5mm，f=8GHz时，有机磁性材料作为隔离层时，εr1-εr2-R网格图

图7　d=5mm，f=8GHz时，有机磁性材料作为隔离层时，εr1-εr2-R等高线

图8　d1=5mm，f=8GHz时，有机磁性材料作为隔离层时，μr1-μr2-R网格图

3.4有机抗电磁辐射材料作为隔离层的具体优化实例

根据以上电磁参数之间的匹配关系，取εr1= εr2=4，μr1=μr2=2，ze=400Ω，绘制了d=1∶0.5∶20mm，f=8∶2∶18GHz的Salisbury屏的优化设计曲线，d1-R（dB）曲线如图10所示。

由以上的设计可以看出，当d1=1mm时，8～18GHz频率带宽内都能获得5.5dB以上的后向反射率，这在实际应用中是允许的，说明设计结果是可行的。

图9　d1=5mm，f=8GHz时，有机磁性材料作为隔离层时，μr1-μr2-R等高线

图10　d1=1mm，εr1=εr2=10，μr1=μr2=2，损耗材料作为隔离层时，f-R（dB）曲线

4　结 论

从以上的讨论和设计可以看出，将有机抗电磁辐射材料作为Salisbury屏的优化隔离层材料，在很薄的情况下就能使后向反射率获得很好的衰减，而且利用网格法使得参数之间匹配关系的讨论更加直观和方便，为优化设计提供了可靠的理论支持。

参考文献

［1］ FANTE R L，MCCORMACK M T.Reflection Properties of the Salisbury Screen［J］.1988，36（10）：1443-1454.

［2］ CHAMBERS B. Optimum Design of A Salisbury Screen Radar Absorber［J］.Electronics Letters.1994，30（16）：1353-1354.

［3］ Salisbury屏电磁参数匹配特性及其在抗电磁辐射中的应用研究［J］.信阳师范学院学报，2011，24（2）：265-267.

［4］ 王东方，周忠祥，张海丰，等.Salisbury屏的优化设计［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，36（11）：1499-1501.

［5］ JUNG J Y. Wavelength-selective infrared Salisbury screen absorber［J］. Appl Opt 2014，53（11）：2431-2436.

［6］ ZHANG X.Thermal conversion of an Fe（3）O（4）metal-organic framework：a new method for an efficient Fe-Co/nanoporous carbon microwave absorbing material［J］.Nanoscale 2015，7（30）：12932-12942.

［7］ LI N.Enhanced microwave absorbing performance of CoNi alloy nanoparticles anchored on a spherical carbon monolith［J］.Phys Chem Chem Phys 2013，15 （20）：7685-7689.

［8］ CAMPBELL I.Management of screen-detected breast cancer：audit of the first 100cases in the Southampton and Salisbury breast screening programme［J］.Ann R Coll Surg Engl 1993，75（1）：13-17.

［9］ 秦汝虎，秦柏，田春亮，等.吸波材料设计中的全貌分析方法［J］.哈尔滨工业大学学报，2002，34（5）：579-583.

［10］张海丰，石宪明，崔虹云，等.平板抗电磁辐射材料反射吸收性能的研究及设计［J］.佳木斯大学学报，2011，29 （4）：596-598.

［11］张海丰，崔虹云，关慧君，等.网格法在抗电磁辐射材料电磁参数匹配研究中的应用［J］.黑龙江工程学院学报（自然科学版），2011，25（2）：74-80.

［12］张海丰，崔虹云，周忠祥，等.Salisbury屏电磁匹配特性及其在抗电磁辐射中的应用研究［J］.信阳师范学院学报，2011，24（2）：265-267.

［13］于久灏，张颖，王佳杰.超音速电弧喷涂制备铝青铜涂层性能研究［J］.黑龙江工程学院学报（自然科学版），2013，27（2）：65-67.

［14］XIA T.Hydrogenated TiO（2）nanocrystals：a novel microwave absorbing material［J］.Adv Mater，2013，25 （47）：6905-6910.

［15］NI Q Q.One-dimensional carbon nanotube barium titanate polyaniline multiheterostructures for microwave absorbing application［J］.Nanoscale Res Lett，2015，10：174.

［16］LI W.Preparation and microwave absorbing properties of carbon/cobalt ferromagnetic composites［J］.J Nanosci Nanotechnol，2013，13（2）：793-798.

［责任编辑：刘文霞］

Application of organic materials resisting to electromagnetic radiation in Salisbury screen optimized design

ZHANG Zhiming1，YU Anqi2，ZHANG Haifeng1，XING Taotao1，LIU Jinlong1，FU Changwei1，WANG Dongfang1
（1.College of Science，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China；2.Oral Cavity Medical College，Jiamusi University，Jiamusi 154004，China）

Abstract：In this paper，the organic materials resisting to electromagnetic radiation are used as isolation layer of Salisbury screen，to substitute for the isolation layer of the classic Salisbury screen.Through the design and discussion using three dimensional lattice method，a more intuitive electromagnetic parameter matching rule is given.From the consideration in panorama analysis method，the one-sidedness to separate discussion or to emphasize a particular parameter will be reduced.

Key words：organic materials resisting to electromagnetic radiation；Salisbury screen；three dimensional lattice method

中图分类号：TN972+.44

文献标识码：A

文章编号：1671-4679（2016）02-0042-04

收稿日期：2015-12-13

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划课题（2012sj019）；佳木斯大学科学技术研究面上项目（Lz2013-017；Ljz2012-14；12Z1201516；cxtd2013-03）；黑龙江省高教学会规划课题（HGJXHB1110104）

作者简介：张志明（1989-），男，本科生，研究方向：高分子磁性材料的应用研究.