EMC调试工具（六）：吸波材料
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科学
2024-07-07 21:37
广东
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吸波材料是指材料可吸收、衰减空间入射的电磁波能量，并减少或消除反射的电磁波的一类功能材料。与所有复合材料一样，吸波复合材料同样也是由基体材料和功能体组成。 工程应用上除要求在较宽带宽内对电磁波具有高吸收率，还要求材料具备重量轻、耐高温、耐高湿、抗腐馈等性能。01、吸波材料工作原理
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图2：吸波材料工作原理
吸波材料能以绝缘损耗、磁损耗、阻抗损耗方式吸收或者大幅度减弱接收到来自其他电子设备发射的电磁波能量，在材料的结构内反射、散射或者透射，使电磁波的能量发生衰减并转换成热能或其他形式的能量，从而减少电磁波的干扰。吸波材料需满足两个要求：一是要减少电磁波发生表面反射；二是实现最大程度上的衰减，都与材料的电磁性能相关。电磁波入射到材料上时，能尽可能不反射而最大限度地进入材料内部，即要求材料需满足阻抗匹配。进入材料内的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉，即要求材料满足电磁损耗，电磁损耗包括：电阻损耗、介电损耗及磁损耗。 涂敷型：吸收剂和粘合剂混合后涂敷于目标表面，主要有铁氧体吸收材料、金属微粉吸收材料、多晶铁纤维吸收材料。
结构型：将吸收剂分散在特种纤维增强的结构材料中所形成的结构复合材料。承载+吸收电磁波,常用纤维有玻纤、碳纤、碳化硅纤维。吸波材料可分为干涉型、吸收型。吸收型吸波材料：是本身对电磁波进行吸收损耗，基本类型有复磁导率与复介电常数相等的吸收体，阻抗渐变“宽频”吸收体和衰减表面电流的薄层吸收体。干涉型吸波材料：则是利用吸波层表面和底层两列反射波的振幅相等相位相反进行干涉相消。根据吸波机理的不同，吸波材料主要可分为电损耗型，介电损耗型和磁损耗型。电阻损耗是指电磁波在材料里感应产生电流，电流在材料内部传输受阻而转化为内能，当电导率越大时，电场引起的电流和磁场引起的涡流越大，越有利电磁能转变为热能。涡流：块状导体在变化的磁场中或在磁场中运动时产生的在导体内自成闭合回路的感应电流叫涡电流，简称涡流。 ![]()
图3：涡流电流产生机理
介质损耗是指电介质分子的极化需要一定的时间，而在交变电场的作用下，当这种极化落后于外电场的频率时，便产生了极化的滞后，从而产生介电损耗。在外电场的作用下，介质的质点正负电荷重心分离，使其转变为偶极子的过程，陶瓷对应是电子极化，离子结构的物质对应的是离子极化，有机物质对应的是取向极化，结构不均匀的材料对应的界面极化。磁损耗是指磁性材料在磁化过程和反磁化过程中有一部分能量不可逆地转变为热能所损耗的能量称为磁损耗，磁损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。磁滞损耗：磁化过程中克服矫顽力所消耗的能量；涡流损耗：同时兼具电阻损耗和磁损耗；剩余损耗：除涡流和磁滞损耗以外的其他所有损耗。按吸波材料应用阶段分为传统吸波材料、新型吸波材料。传统吸波材料如：铁氧体、钛酸钡、石墨、碳化硅、导电纤维等属于传统吸波材料，其中铁氧体吸波材料和金属粉吸波材料研究和应用比较多，性能也较好。新型吸波材料包括纳米材料、手性材料、导电高聚物、多晶铁纤维及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料的吸波机理，其中纳米材料和多晶铁纤维是众多新型吸波材料中性能最好的两种。 根据使用材料的不同可分为：铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、纳米吸波材料、吸波结构复合材料、等离子吸波材料。铁氧体吸波材料是一种复合介质材料，对电磁波的吸收既有介电特性方面的极化效应，又有磁损耗效应，具有吸收率高、涂层薄和频带宽等优点被广泛应用于各个领域。金属微粉吸波材料，通常所指的金属微粉的粒度为0.5-20μm，金属微粉吸波材料具有居里温度高，温度稳定性好，在磁性材料中有着磁化强度高、微波磁导率较大、介电常数较高等优点，因此在吸波材料领域得到广泛应用。主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等方式吸收电磁波，目前主要使用金属微粉的尺寸通常是1-10μm。多晶铁纤维吸波材料的吸波机理是涡流损耗和磁滞损耗，它还是一种良导体，具有较强的介电损耗吸收性能，在外界交变电场的作用下，纤维内的电子产生振动，将电磁能部分转化为热能。多晶铁纤维具有独特的形状各向异性，可以在很宽的频带内实现高吸收，质量比传统的金属微粉材料减轻40%-60%，克服了大多磁性材料的严重缺陷。多晶铁纤维吸波材料具有重量轻、面密度小（1.5-2kg/㎡）、频带宽(4-18GHz)的优点，并且可以通过调节纤维的长度、直径、排列方式、分散剂的含量等调节材料的电磁参数。纳米吸波材料是指材料尺寸为纳米级（1-100nm）,纳米材料独特的结构使其具有隧道效应、量子效应、小尺寸效应和界面效应等特点，将纳米材料作为吸收剂制成涂料，不仅能很好地吸收电磁波，而且涂层薄、吸收频带宽。吸波结构复合材料是把吸波材料与树脂泡沫胶纤维混合成刚性结构材料，最常用的是碳纤维和碳化硅纤维复合材料。等离子体吸波材料吸收带宽为3MHz-300GHz，不需要改变外观，价格便宜，维修方便，具有极高的潜在应用价值，已成为未来隐身技术的发展趋势。按形状分类
根据形状可分为尖劈形、单层平面形、多层平面形、涂层形、结构形。尖劈形主要由聚氨酯泡沫型、无纺布难燃型、硅酸盐板金属膜组装型等，吸收体长度与频率成反比，尖劈形吸波材料一般应用于电波暗室。图4：电波暗室用吸收尖劈
单层平板形是最早研制的吸收体，后来制成的吸收体都是直接贴在金属屏蔽层上，其厚度薄，重量轻，但工作频率范围较窄。双层或多层平板形可在很宽的工作频率范围内工作，且可制成任意形状，将铁氧体和金属短纤维均匀分散在合适的有机高分子树脂中制成复合材料，工作频带可拓宽40%-50%，其缺点是厚度大、工艺复杂、成本较高。涂层形采用复合材料，主要应用在飞行器上，如锂镉铁氧体涂层厚度为2.5mm-5mm时，在厘米波段，可衰减8.5dB，尖晶石铁氧体涂层厚度为2.5mm时，在9GHz可衰减24dB，铁氧体加氯丁胶涂层厚度为1.7mm-2.5mm时，在5GHz-10GHz衰减达30dB左右。结构形将吸波材料掺入工程塑胶料使其既具有吸收特性，又具有载荷能力，是吸波材料发展的方向，为进一步提高吸波材料的性能，国外还发展了几种形状组合的复杂形。03、吸波材料的应用领域
高度集成的半导体芯片，工作于高速高频模式下，产生大量的高频噪声，通过芯片的本体和管脚向外辐射，使用吸波材料贴附于芯片本体以及引脚处可以有效吸收其高频噪声。![]()
图5：吸波材料贴附于半导体芯片
屏蔽罩常用于解决空间辐射问题，有时增加屏蔽罩后能解决部分频点的噪声辐射问题，却又引发其它频点的噪声辐射问题。其主要原因是屏蔽罩引发的腔体振荡，将噪声从缝隙辐射发射出去。在屏蔽罩内壁增加吸波材料，可以吸收在屏蔽罩内壁产生的电磁波，避免其在腔体内反复反射，导致的腔体振荡。![]()
图6：吸波材料贴附于金属屏蔽罩腔体内
PC产品的CPU芯片、DDR芯片、SSD硬盘等高频高速模块电路，工作时产生的高频噪声在没有良好屏蔽的情况下，则很容易向空间发射噪声，增加吸波材料可以很好的吸收高频噪声干扰，顺利通过辐射发射。![]()
图7：吸波材料贴附于CPU/DDR/SSD模组上
PCB Layout将时钟信号、高速时钟信号、高速数据信号、敏感信号、弱信号等放置在表层（顶层或者底层）时，由于参考平面完整性设计的原因很容易将时钟信号基频与高次谐波噪声、高速数据噪声，通过PCB布线形成天线向外辐射发射出去。在PCB Layout布线的对应位置增加吸波材料，是解决其辐射发射的有效方法之一
图28：吸波材料贴附于PCB布线上
04、吸波材料的主要参数指标
复数磁导率是物质在交变磁场的作用下，交变磁感应强度与磁场强度的比值。这个概念在物理学中非常重要，特别是在处理磁性材料的高频特性时。复数磁导率由实部和虚部表示材料中磁能的损耗程度，也称为非弹性或吸收分量。µ'表示材料在磁场作用下磁化程度的变量；µ"表示在外加磁场的作用下，材料磁偶矩产生移动引起的损耗。![]()
图9：吸波材料复磁导率曲线
复介电常数包含实部与虚部，实部表示介质对电场的响应能力，虚部则描述了介质在高频电场下的能量损耗，虚部的存在是由于材料内部的各种转向极化跟不上外高频电场变化而引起的各种弛豫极化所致，代表着材料的损耗项，能量损耗称为介质损耗，其值可以有用tanδ(损耗角)来表示。ε'表示材料在电场作用下极化程度的变量ε"表示在外加电场的作用下，材料电偶矩产生移动引起的损耗。 ![]()
图10：复介电常数曲线
4.2、吸收材料的技术参数
吸波材料主要技术参数包括：有效吸收宽度、反射损耗、屏蔽效能、厚度、粘性。反射损耗是用来表征吸波材料的吸波性能的指标，表示材料对固定频率电磁波的损耗能力，反射损耗越小，意味着吸波材料的吸收电磁波的能力越强。吸波材料的反射损耗与吸波材料的厚度与被吸收噪声信号波长的比值密切相关。其中R是反射损耗，t是吸波材料厚度，λ是被吸收信号频率的波长，随着吸波材料厚度与波长比值增加，其吸波性能得到了显著的提高。![]()
图11：吸波材料反射损耗曲线
RL＜-10dB的频率宽度，也叫有效吸收宽度，代表能够吸收90%能量电磁波的频率范围，单位GHz，图31为典型的吸波材料性能曲线，代表材料在某一固定厚度，反射损耗随频率的变化而变化的情况，一般来讲曲线越靠下（即纵坐标越小），有效吸收宽度越宽，材料的吸波性能越好，曲线与-10dB线围成的面积越大（图中阴影部分），吸波性能越好。 ![]()
图32：吸波材料有效吸波带宽
吸波材料的厚度也是影响其性能的重要参数，一般来说，吸波材料的厚度越大，吸波性能越好，但是在实际应用中，由于空间和重量的限制，需要在吸波材料的厚度和性能之间进行权衡，选择合适的厚度以满足实际需求。吸波材料的工作温度范围也是一个重要的参数，不同的应用场景对吸波材料的工作温度范围有着不同的要求，选择吸波材料时需要考虑其能够适应的工作温度范围，以确保其在实际应用中能够稳定可靠地发挥吸收作用。吸波材料的耐候性和耐腐蚀性也是需要考虑的重要参数，应用于日晒、雨淋、化学等特殊环境下，需要具有较好的耐候性和耐腐性，以保证其长期稳定地发挥吸波作用。吸波材料的制备工艺和成本也是需要综合考虑的因素，不同的制备工艺会影响吸波材料的性能和成本，需要在性能和成本之间进行平衡，选择合适的制备工艺以满足实际需求。 吸波材料性能的测量有直接测量法和间接测量法，直接测量法是指直接测量反射率或只需要做简单的运算就可以由测试的数据计算出反射率的方法。直接测量法包含：弓形法、同轴法以及RCS测试法等。![]()
弓形法主要是通过弓形装置和信号源、网络分析仪等设备组成的测试系统，分别测量样品台上放置的标准样品和试验样品时，入射电磁波经标准样品或试验样品反射回的电磁波的功率来计算材料吸波性能。![]()
图14：吸波材料性能测试方法：弓形法测试实景
同轴法是通过测量电磁波通过材料后返回电磁波的功率大小来反映材料的吸波性能。![]()
RSC测试法是在平整金属板的一面贴附吸波材料，然后分别测试电磁波经过金属表面和材料表面后的反射功率，差值即为材料的吸波性能。间接测量法是通过测量材料的阻抗或者材料的电磁参数，然后利用公式计算出材料的反射率。波导法是间接测量法中常用的方法之一，其主要用来测试材料的电磁参数，进而推算材料的吸波性能。 ![]()
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