Jauman吸收体的吸波特性

姜晓文, 黄大庆, 张 昳, 史有强, 王智勇

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

Salisbury屏和Jauman（也写作Jaumann[1]）吸收体均为干涉型吸波材料，其中Salisbury屏为两层结构，第一层材料为支撑体（也叫隔离层），厚度为电磁波波长的四分之一，第二层材料具有一定导电性，厚度非常薄，称为电阻屏[2-4]。Jauman吸收体是Salisbury吸收体的延伸，Salisbury屏属于一种最简单的Jauman吸收体。Jauman吸收体可看作是将多个Salisbury吸收体复合叠加而形成[5]。Jauman型吸收体在能源利用、宽带吸收体设计、吸收体电路模拟计算等多方面得到应用和发展[6-8]。

NEO等运用Smith圆图详细分析了Salisbury屏的吸波特性和电磁波零反射原理，即当电阻屏表面电阻等于自由空间阻抗时（R= 377 Ω），隔离层厚度对应的四分之一波长的电磁波进入Salisbury屏后会发生零反射现象；同时还分析了双电阻屏Jauman吸收体和三电阻屏Jauman吸收体的电磁特性，并给出了在特定频率下双电阻屏Jauman吸收体和三电阻屏Jauman吸收体每一层电阻屏电阻值的计算方法[9]。Li等也运用Smith圆图分析并设计了吸波性能优异、宽带的三电阻屏Jauman吸收体，当三个电阻屏的电阻分别为R1= 320 Ω，R2= 670 Ω，R3= 1560 Ω时，组成的Jauman吸收体在4～16 GHz频率范围内反射率均小于–20 dB[10]。另外，KNOTT等设计并分析了圆柱形的五电阻屏Jauman吸收体的吸波特性（R1= 75.4 Ω，R2= 304 Ω，R3=679 Ω，R4= 1206 Ω，R5= 1885 Ω）[11]。

目前关于Jauman吸收体研究中主要采用通过调控电阻屏表面电阻进行吸波性能设计，对电阻屏表面电阻关注较多，而在电阻屏材质选择上以及通过电阻屏的电磁参数分析Jauman吸收体的吸波特性方面报道较少，忽略了电阻屏本身厚度对材料输入阻抗的影响，因而限制了用传输线方法研究Jauman吸收体以及Jauman吸收体的宽带设计和应用。本工作采用聚氨酯泡沫作为隔离层材料，有机导电涂层材料作为电阻屏，测试电阻屏的电磁参数，首先研究Salisbury屏吸波特性，包括不同电阻屏厚度对电磁波输入阻抗、反射系数以及反射率的影响，然后计算双电阻屏Jauman吸收体输入阻抗，以及研究电阻屏厚度对Jauman吸收体反射系数的影响。

1 实验及方法

1.1 材料

石蜡：工业级；导电金属粉S，工业级，北京航空材料研究院；聚氨酯泡沫，工业级，北京航空材料研究院。

1.2 实验方法

材料在频率为8～18 GHz的复介电常数和复磁导率下，基于同轴法和波导法采用矢量网络仪进行测定；测试设备为HP8722ES矢量网络分析仪，根据传输线理论模拟计算出Salisbury屏和Jauman吸收体输入阻抗、反射系数和反射率等。

2 结果与讨论

2.1 吸收剂电磁参数

选取导电金属粉S，将金属粉S与石蜡按质量比为1∶1共混，制成有机导电涂层材料，然后测试其在电磁波频率范围为8～18 GHz时的电磁参数；另外测试聚氨酯泡沫在频率范围为8～18 GHz的电磁参数[12]。依据上述聚氨酯泡沫材料和有机导电涂层材料电磁参数运用传输线理论计算Salisbury屏和Jauman吸收体的输入阻抗、反射系数和反射率等数据。

图1是导电材料和聚氨酯泡沫在8～18 GHz范围内的电磁参数曲线。从图1（a）中可以看出，当电磁波频率为8 GHz时，有机导电材料的介电常数实部ε′值为89，介电常数虚部ε′′值高达209，频率为18 GHz时，有机导电材料的ε′值为18.9，ε′′值高达116，具有很高的介电常数，而磁导率实部μ′和虚部μ′′在8～18 GHz范围内均很小。从图1（b）中可以看出，聚氨酯泡沫的ε′值在频率为8～18 GHz范围内基本保持不变，为1.6左右，μ′为1.0左右，ε′′和μ′′值均接近为零，与自由空间电磁参数接近，因此聚氨酯泡沫可以作为Salisbury屏和Jauman吸收体的隔离层材料。

图1 两种材料电磁参数 （a）有机导电材料；（b）聚氨酯泡沫；Fig. 1 Electromagnetic parameters of two kinds of materials （a）conducting coating；（b）PU foam

2.2 Salisbury屏分析

采用上述聚氨酯泡沫和有机导电涂层材料可以制成Salisbury屏吸收体，其中氨酯泡沫作为隔离层，有机导电涂层材料作为电阻屏材料。图2是Salisbury屏吸收体结构示意图，Salisbury屏的基底一般为金属平板或金属膜，可以近似看作是理想导体，第一层即底层为隔离层，第二层即面层为电阻屏。

图2 Salisbury屏吸收体结构示意图Fig. 2 Scheme of Salisbury screen absorber material

设定Salisbury屏底层材料聚氨酯泡沫厚度为4 mm，根据四分之一波长原理，其对应电磁波发生干涉相消时的波长为16 mm，电磁波频率为14.6 GHz，位于较为常见的Ku波段。研究当第二层材料厚度在0～0.1 mm范围内时，Salisbury屏的吸波特性。

式（1）是Salisbury屏吸收体的第一层输入阻抗Zin1计算公式，其中η1是第一层材料特征阻抗，Γ1是电磁波在第一层材料中复传播常数。式（2）是Salisbury屏吸收体的第二层输入阻抗Zin2计算公式，其中η2是第二层材料特征阻抗，Γ2是电磁波在第二层材料中复传播常数[13]。式（3）是归一化输入阻抗zin计算公式（归一化常数为自由空间特征阻抗η0）。

根据式（1）和（2）可以计算Salisbury屏的输入阻抗和归一化输入阻抗。图3是Salisbury屏归一化输入阻抗绝对值|zin|随材料厚度变化曲线。从图3中可以看出，在材料厚度从0开始逐渐增加至4.1 mm时，|zin|随材料厚度增加呈现先增大后减小的规律。其中：（1）在材料厚度从0开始逐渐增加至4 mm时（即在Salisbury屏的隔离层内部区域），|zin|从0开始缓慢增加，当材料厚度接近4 mm时，|zin|急剧增加，材料厚度4 mm时（即在Salisbury屏底层与面层的界面处）|zin|达最大值31.3，而自由空间归一化阻抗为1，表明材料的输入阻抗与自由空间阻抗差距很大，阻抗匹配性很差。（2）当材料厚度从4 mm逐渐增加至4.1 mm时（即在Salisbury屏的电阻屏内部区域），|zin|随厚度增加而急剧下降，当厚度为4.1 mm时|zin|降至0.23，明显小于1，表明材料的输入阻抗与自由空间阻抗差距很大，阻抗匹配性很差。另外，当材料厚度分别为2.3 mm和4.022 mm时，|zin| = 1；当厚度为2.3 mm时，根据式（1）和（2），可得zin= 0.03 + j，而自由空间归一化阻抗为1，表明材料的输入阻抗与自由空间阻抗差距很大，因此在材料厚度为2.3 mm时，材料与自由空间阻抗匹配性仍然很差；当材料厚度为4.022 mm时，zin= 0.98 + 0.19j，而自由空间归一化阻抗为1，两者较接近，表明材料输入阻抗与自由空间阻抗匹配性较好。

图3 Salisbury屏对电磁波的归一化输入阻抗绝对值（|zin|）Fig. 3 Absolute value of normalized input impedance（|zin|）of Salisbury screen on microwave

图4是Salisbury屏的第二层厚度为0～100 μm时的反射系数Γ的Smith圆图（其中第一层材料厚度为4 mm保持不变），图中标有−20.4 dB的圆圈代表在此圆圈上的点的|Γ|值所对应的反射率均为−20.4 dB。从图4中可以看出，对于频率为14.6 GHz电磁波，Γ随第二层厚度增加而变化明显，Γ的绝对值|Γ|（即曲线上的点与圆心的距离）呈现先减小后增大的规律。当第二层厚度为0.5 μm时，|Γ|的值为0.9；当第二层厚度逐渐增加至22 μm时，|Γ|的值最小，为0.096，在此厚度下的反射系数对应反射率为−20.4 dB，表明在此厚度下材料的吸波性能优异；当第二层厚度继续增加至100 μm时，|Γ|的值逐渐升高至0.63，表明吸波性能逐渐变差。

图4 Salisbury屏对电磁波的反射系数Γ的Smith圆图Fig. 4 Reflection coefficient Γ of Salisbury screen

图5是Salisbury屏的第二层（电阻屏）厚度为0～100 μm时对频率为14.6 GHz电磁波反射率曲线（其中第一层材料厚度为4 mm保持不变）。从图5中可以看出，随着第二层厚度增加，材料反射率呈现先降低后升高的规律，当第二层厚度为0.5 μm时，材料反射率为−0.92 dB，当第二层厚度继续增加至22 μm时，材料反射率达最小值−20.4 dB，随后当第二层厚度继续增加至100 μm时，材料反射率由最小值逐渐升高至−3.99 dB。

图5 不同厚度Salisbury屏对电磁波的反射率Fig. 5 Reflectivity of Salisbury screen with different thicknesses

2.3 Jauman吸收体分析

图6是双电阻屏四层Jauman吸收体结构示意图，其中第一层和第三层为隔离层，第二层和第四层为电阻屏。表1是双屏Jauman吸收体各层数据，其中第一层和第三层材料均为聚氨酯泡沫，设定厚度均为4 mm不变；根据上述Salisbury屏结果将第二层厚度设定为22 μm，研究当第四层厚度在0～100 μm之间时的吸波特性。

图6 双屏Jauman吸收体示意图Fig. 6 Scheme of double-screen Jauman microwave absorbing material with four layers

表1 双屏Jauman吸收体的各层数据Table 1 Data of layers of double-screen Jauman absorber

图7是双屏Jauman吸收体的|zin|随材料厚度变化曲线。从图7中可以看出，在材料厚度从0开始逐渐增加至8.122 mm时，|zin|随材料厚度增加呈现先增大后减小的规律。在材料厚度从0开始逐渐增加至4 mm（即在Jauman吸收体的第一层内部区域）以及从4 mm增加至4.022 mm（即在Jauman吸收体的第二层内部区域）时，|zin|的值与上述Salisbury屏的|zin|计算结果相同。在材料厚度从4.022 mm逐渐增加到8.022 mm（即在Jauman吸收体第三层内部区域）时，|zin|从1开始缓慢下降，当材料厚度为8.022 mm时，|zin|为0.62。当材料厚度从8.022 mm逐渐增加至8.122 mm（即在Jauman吸收体第四层内部）时，|zin|进一步降低，当材料厚度为8.122 mm时，|zin|为0.17，表明材料与自由空间阻抗匹配性较差。因此需进一步研究第二层电阻屏厚度变化对Jauman吸收体吸波性能的影响。

图7 双屏Jauman吸收体对电磁波的|zin|值Fig. 7 Absolute value of normalized input impedance（|zin|）of double-screen Jauman screen

表2 不同电阻屏厚度的双屏Jauman吸收体各层数据Table 2 Data of layers of double-screen Jauman absorber

图8 双屏Jauman吸收体对电磁波的反射系数Smith圆图Fig. 8 Reflection coefficient of double-screen Jauman screen

表2是不同电阻屏厚度的双屏Jauman吸收体各层数据，其中第二层厚度范围为12～82 μm，第四层厚度为0 ～100 μm。图8是不同电阻屏厚度的Jauman吸收体的Γ的Smith圆图。从图8中可以看出，当第二层厚度为12 μm时，|Γ|的最小值为0.48（此时第四层厚度接近为零）。随着第二层厚度逐渐增加，|Γ|的最小值逐渐降低，当第二层厚度增加至72 μm时，|Γ|的最小值为0.00157（此时第四层厚度为11 μm），表明反射系数逐渐变小，吸波性能逐渐变好。当第二层厚度增加至82 μm时，|Γ|的最小值为0.0134（此时第四层厚度为13.5 μm），因此第二层厚度优选72 μm。

表3为Salisbury屏和经过厚度设计得到的双屏Jauman吸收体各层数据。图9是Salisbury屏和双屏Jauman吸收体对不同频率电磁波的反射率性能曲线。从图9中可以看出，双屏Jauman吸收体在频率为10.3～18 GHz范围内反射率小于−15 dB，吸收带宽为7.7 GHz，而Salisbury屏在10.2～16.1 GHz范围内反射率小于−15 dB，吸收带宽为5.9 GHz；双屏Jauman吸收体在频率为4.9～18 GHz小于−10 dB，吸收带宽为13.1 GHz，Salisbury屏在8.9～18 GHz范围内反射率小于−10 dB，吸收带宽9.1 GHz，表明双屏Jauman吸收体吸收带宽明显大于Salisbury屏吸收体。

表3 Salisbury屏和双屏Jauman吸收体各层数据Table 3 Layers of Salisbury screen material and doublescreen Jauman screen material

图9 Salisbury屏和双屏Jauman吸收体对电磁波的反射率Fig. 9 Reflectivity of Salisbury screen and double-screen Jauman absorber

3 结论

（1）Salisbury屏吸收体第二层厚度对电磁波输入阻抗及反射率均影响很大。反射系数Γ随第二层厚度增加而明显变化，Γ的绝对值|Γ|呈现先减小后增大的规律。当第二层厚度为22 μm时，|Γ|最小，为0.096，在此厚度下的反射系数对应反射率为−20.4 dB，表明在此厚度下材料的吸波性能优异。

（2）双屏Jauman吸收体的第二层厚度对反射率影响较大。反射系数Γ随Jauman吸收体第二层厚度增加而明显变化，|Γ|的最小值呈现先减小后变大的规律。当第二层厚度为72 μm，第四层厚度为11 μm时，反射|Γ|最小值为0.00157，对应反射率为-56 dB，吸波性能最优。

（3）经过阻抗匹配设计，双屏Jauman吸收体在频率为10.3～18 GHz小于−15 dB，带宽为7.7 GHz，Salisbury屏在10.2～16.1 GHz范围内反射率小于−15 dB，带宽为5.9 GHz；双屏Jauman吸收体在频率为4.9～18 GHz小于−10 dB，带宽为13.1 GHz，Salisbury屏在8.9～18 GHz范围内反射率小于−10 dB，带宽9.1 GHz，表明双屏Jauman吸收体吸收带宽明显大于Salisbury屏吸收体。