电波暗室用吸波材料的优化选择方案

龙圣

（ 中认尚动（上海）检测技术有限公司，上海 200031 ）

电波暗室用吸波材料的优化选择方案

龙圣

（ 中认尚动（上海）检测技术有限公司，上海 200031 ）

介绍吸波材料的性能参数，对锥型、铁氧体瓦片、复合型吸波材料的反射率差异进行对比，运用实例比较聚氨酯海绵和聚苯乙烯硬质吸波材料的性能差异。通过对比阐述每种吸波材料的优缺点，制定优化的选择方案。

电波暗室；吸波材料；铁氧体；聚氨酯；聚苯乙烯；优化

0 引言

吸波材料种类繁多，从结构形式上可分为：锥型、楔型、铁氧体瓦片、铁氧体格和锥型/楔型与铁氧体瓦/格组合的复合型。按其材质可区分为聚氨酯海绵、无纺布以及聚苯乙烯硬质。对于筹建中的电波暗室而言，吸波材料的选择将直接关系到电波暗室的吸波效能。本文结合中认尚动（上海）检测技术公司最新投入使用的电波暗室为例，重点讨论锥型、铁氧体瓦和复合型三种结构，以及聚氨酯海绵和聚苯乙烯硬质两种材质，对比分析其各自性能，给出优化后的吸波材料选择方案。

1 性能要求

吸波材料是建造电波暗室的关键材料，可有效吸收入射的电磁波，降低目标的回波强度，从而显著减少影响测量精度的杂散干扰。因此，对电磁波吸波材料的基本要求为：

第一，入射波最大限度地进入材料内部而不在其前表面反射，即：材料应具有较好的阻抗匹配特性；

第二，进入材料内部的电磁波能量迅速地被材料吸收并衰减，即：材料应具有较好的衰减特性。

从定量角度分析，吸波材料电性能要求如下：

1）反射率，作为吸波材料最重要的指标，其定义为

式中，Ei和Pi分别为入射平面波的场强和功率，Er和Pr，分别为反射波的场强和功率，而Ei/Er和Pi/Pr，分别表示电压反射系数和功率反射系数。式（1）表明，反射率均为负值，反射率越小，吸波材料的性能越好。

电波暗室用吸波材料要求见表1。

表1 电波暗室用吸波材料要求

表1给出了几种不同暗室对于吸波材料反射率的最低要求，辐射发射测试要求最高，抗扰度测试其次，军用标准最低。

2）频带宽度，指反射率低于某一给定最小值(如-20 dB)的频率范围。

3）入射角敏感性，指反射率随入射角变化的依赖关系。

正入射和斜入射反射率的对比（参考）见图1。

图1 正入射和斜入射反射率的对比（参考）

由图1可见，吸波材料的反射率在正入射时最好，随着入射角的增加，反射率逐渐变差。在设计暗室时，应考虑到斜入射时吸波材料的反射率变差情况。

4）极化特性，指电磁场对于入射平面的指向。吸波材料的吸收特性因极化而异。

5）品质因素，指吸波材料厚度d与其所覆盖的最大波长λmax之比，即d/λmax，该值越小，表明材料性能越好。

另外，在工程上还要求吸波材料具有相应的力学、热力学性能及低廉的成本，如厚度薄、重量轻、紧固耐用、阻燃、散热性好以及易于施加和价格适中等特点。

上述要求往往是相互矛盾的，因而在设计和研制吸波材料时，必须对其厚度、结构和材料等参数进行优化，对吸波频带宽度和材料性能进行综合设计。

2 材料分类

电波暗室用吸波材料按损耗机制分为电损耗型和磁损耗型。

常见的电损耗型吸波材料包括锥型和楔型。磁损耗型吸波材料如铁氧体瓦片和华夫格，都是以铁氧体材料为主的吸波体。除此之外，自上世纪90年代起，一种将锥型吸波材质与铁氧体瓦片结合的复合型吸波材料在市场出现。

2.1 锥型吸波材料

目前，被电波暗室广泛采用的电损耗型吸波材料是一种海绵状的锥型吸收体，如图2所示。

图2 聚氨酯锥型吸波材料

棱锥型设计使吸收体的传输阻抗尽可能与周围空间空气介质的阻抗相接近。锥型吸波材料通常采用聚胺脂类发泡海绵在碳(或石墨)胶体溶液和各种助剂（如阻燃剂）的溶液中浸渍，使海绵结构中留下均匀、足够的碳粒，晾干后，在其表面涂覆一种低反射率的涂料作为保护层即可。

图3为2.44 m聚氨酯锥阵、26%渗碳加载0°和45°斜入射时的反射率。

图3 聚氨酯海绵吸波材料反射率

如图3所示，聚氨酯海绵吸波材料（也称尖劈，2.44 m聚氨酯锥阵、26%渗碳加载0°和45°入射）在30 MHz～1 000 MHz频率范围内，反射率随频率的增加而降低。在200 MHz频率点，反射率已经优于-20 dB，但在30 MHz低频部分，反射率高达-12 dB左右，可见该型吸波材料性能在高频部分表现更好。

锥型吸波材料的高度与欲吸收的电磁波频率有关。欲吸收的电磁波频率越低, 则锥体的高度越高。根据λ/4吸收层理论，锥体的高度应力大于、等于最低吸收频率的λ/4波长。以实验室测量中经常使用的30 MHz～1 000 MHz频率范围为例，为使吸波材料在30 MHz的频率下正常工作，锥体的高度不应低于2.5 m。如此高度的尖劈不仅在安装时略显困难，其维护成本也同比增加，使用寿命短。

2.2 铁氧体瓦片吸波材料

电波暗室用铁氧体吸波材料主要以薄片型为主，少量通风波导窗应用栅格型。薄片型铁氧体吸波材料通称为铁氧体瓦，主要以Fe3O4、Ni、Zn、Co、Cu等磁性材料通过磨粉、烧结等工艺成型。二十世纪70年代，日本开发了铁氧体瓦作为聚氨酯锥型的替代物。瓦的吸波性能和空气较接近，界面反射小，入射波直接渗入瓦片。瓦片对磁场损耗大，渗入波被吸收，如有穿过瓦片的则被金属板反射重又回到瓦片，被再次吸收。

图4为铁氧体瓦（6.38 mm铁氧体瓦0°和45°入射）的反射率，600 MHz以下性能较好，600 MHz以上性能较差，可见其在低频范围内性能表现更好。

图4 铁氧体瓦反射率

使用铁氧体瓦作为吸波材料，低频吸收性能高，体积小。另外，铁氧体瓦片使用寿命长，性能稳定可靠。优点：无气味、不燃烧、防火防潮性能好且不易老化，安装简便，且一次安装后无需维护。缺点：重量大，价格相比尖劈更高，高频性能差。

3.3 复合型吸波材料

尖劈在200 MHz以上有很小的反射率，而铁氧体瓦在600 MHz以下有较好的性能，所以可把二者结合起来，铁氧体瓦片吸波材料主要是在低频段吸波，而尖劈介质吸波材料是在高频段吸波，从而在全频段都可达到较好的反射率，称为复合型吸波材料，其组成结构见图5。

图5 复合型吸波材料结构

图6为复合型吸波材料（61 cm锥/铁氧体瓦复合吸波材料（瓦厚6 mm）0°和45°入射）的反射率曲线图，对比可见，在30 M～1 000 MHz频率范围内，复合型吸波材料的反射率性能表现更为稳定。

图6 复合型吸波材料反射率

通常，铁氧体瓦吸收体反射率为-20 dB以下的频率范围为30 MHz～400 MHz。当使用铁氧体瓦吸收体时，锥体总高度为350 mm。因此，复合吸波材料的高度相比单一聚氨酯锥型吸波材料大大降低，增加了暗室的有效空间。

在图4中显示了铁氧体瓦在600 MH～1 000 MHz时存在反射率恶化问题，但只要在铁氧体和金属板之间加一层介质，即可解决该问题，以减小反射率。为了进一步改善该结构，出现了在锥和瓦之间加若干层聚氨脂材料，最终形成了图7所示的复合型吸波材料。

图7 锥/过渡层/铁氧体瓦/介质层复合吸波材料

中认尚动（上海）检测技术有限公司最新投入使用的暗室中，采用的正是该结构复合吸波材料，其反射率性能见图8。

图8 锥/铁氧体瓦/介质层（在锥和铁氧体瓦间加入三层聚氨酯）的复合吸波材料的反射率

3 材料对比

在供应商提供的两种复合型吸波材料（聚氨酯材质的海绵吸波材料和聚苯乙烯材质的硬质吸波材料）方案中，所用的铁氧体瓦型号均为FT-100，以此为例，对这两不同材质尖劈的电性能和物理性能进行比较。

3.1 聚氨酯海绵吸波材料

聚氨酯海绵基的锥型吸波材料通常被认为是第一代暗室吸波材料。以供应商提供的型号为FS-300的吸波材料为例，FS系列吸波材料是该供应商FAA吸波材料同铁氧体瓦组合的复合型吸波材料，FS-300示意图和反射率曲线见图9。

图9 FS-300 吸波材料图片及反射曲线

吸波材料的反射曲线满足70 MHz以上大于-6 dB和200 MHz以上大于-10 dB的条件，符合CISPR25标准和ISO 11452-2的标准要求。根据供应商提供的资料性能如下：

1）频率范围：30 MHz～40 GHz或更高频段；

2）阻燃性满足测试标准：NRL 8093 Tests 1、2和3， MIT MS-8-21，UL 94系列和DIN4102-B2等标准；

3）防水性：在95%的湿度条件下放置200 h，其物理性能和电磁吸收性能基本不变。

聚氨酯海绵吸波材料因其材料特性可揉捏压缩变形而不会损坏，特别适用于需要经常搬运和容易接触碰撞的场合。

海绵吸波材料缺点：受自身力学性能的限制，尺寸较难做大，高度过高时尖劈易下垂变形；海绵的开孔泡沫结构易吸水而受潮，从而影响其反射率性能；中后期出现掉粉（负载碳粉）现象，使用寿命短。

3.2 聚苯乙烯硬质吸波材料

聚苯乙烯硬质吸波材料是近几年兴起的新一代吸波材料，采用含有纳米炭粉吸收剂以及环保型阻燃剂的聚苯乙烯原料，通过一系列复杂工艺制成由闭孔泡沫组成的尖劈。

以供应商提供的型号DS-600H吸波材料为例，在工厂制作完成聚苯乙烯尖劈后，尖劈会运至暗室安装现场，与聚苯乙烯材质的通用安装底座组装在一起，通过胶水与已固定在暗室墙面上的铁氧体瓦紧密粘贴。该种方法可以保证吸波材料的整齐排列。

DS系列吸波材料结合了高性能碳载泡沫吸波材料与精密制造的铁氧体瓦片，使自由空间阻抗平稳地转换到损耗铁氧体基底，更多的射频能量进入到铁氧体，得到有效吸收。

作为最优化设计的结果，图10显示出DS-600H在低频和高频都表现出不错的性能。在60 MHz～3 GHz频率范围内，反射率小于-17 dB，在40 GHz以上的高频，反射率更是低于-20 dB。

其性能如下：

1）频率范围：30 MHz～18 GHz，最高频率上限可延展至40 GHz或更高频段；

2）阻燃性满足测试标准：NRL 8093 Tests 1、2和3，TI 2693066，MIT MS-8-21，UL 94系列和DIN 4102-B2等标准；

3）防水性：聚苯乙烯材质，DS材料其闭孔式设计使其本身不吸水。

聚苯乙烯硬质吸波材料采用的闭孔结构在同等密度下的电损耗高于开孔型海绵材料。因此，同样的吸波性能条件下，尖劈更低以增加暗室空间。同时，聚苯乙烯硬质材料的耐磨和耐冲击等机械性能更好，不易变形，使用寿命长达15年。其缺点是由于其硬质的材料特性，此类吸波材料搬运不便，缺少柔韧性，遭遇撞击可致断裂。

图10 DS-600H参考示意和反射率曲线

4 结语

吸波材料是电波暗室中最为重要的部分，选用不同吸波材料的性能也不尽相同。对于检测实验室而言，在满足测试标准要求的基础上，尽量发挥各种不同吸波材料的优点，可达到增加测试空间，优化测试流程，减少维护成本，提高使用寿命以及降低建造费用等效果。考虑到建造电波暗室的资金投入大，对于一些仅进行电子产品预测试的电波暗室，可适当放宽对吸波材料的要求。

以中认尚动（上海）检测技术有限公司最新投入使用的电波暗室为例，综合考虑性能、使用寿命、维护成本和美观度等方面因素后，在除地面外的五个面上使用了DS-600H型聚苯乙烯硬质复合吸波材料，使电波暗室的使用寿命得以提高，间接降低使用成本。另外，其在宽频段范围内的优异反射率性能，可满足实验室不同测试项目的需求。

考虑到地面吸波材料需要经常搬移，屏蔽门吸波材料易碰撞，该处改用可揉捏压缩变形而不会损坏的FS-300型聚氨酯海绵型复合吸波材料，其中地面所使用的为带轮可移动吸波材料。在单独进行高频（1 GHz～18 GHz）SVSWR测试时则无需考虑吸波材料的低频性能，不借助铁氧体瓦也能达到良好的反射率，因此暗室地面选择使用不带铁氧体瓦的可移动式EHP-12PCL聚氨酯海绵吸波材料，重量进一步减轻，方便测试人员进行搬移。

[1]孟东林,肖恒杰,沙斐,等.电波暗室用吸波材料的性能优化和选用[J].安全与电磁兼容,2005(1):59-63.

[2]姚世全,王素英,杨盛祥,等.电磁兼容标准实施指南[M].北京:中国标准出版社,1999.

[3]刘维新.电波暗室用吸波材料的工艺和性能[J].安全与电磁兼容,2007(2):84-87.

[4]Christopher L. Holloway, Ronald R. DeLyser, Robert F. German, Paul MeKenna and Motohisa Kanda,“Electromagnetic Absorbers Used in Anechoic and Semi-Anechoic Chambers for Emissions and Immunity Testing of Digital Devices”, IEEE TRANSACTIONS Vol. 39 NO. 1 Feb. 1997.

[5]刘列.暗室用新型吸波材料的优势与挑战[J].安全与电磁兼容,2016(5):39-46.

Optimization Selection Scheme of Absorbers in Anechoic Chamber

Long Sheng
(CQC Standard (Shanghai) Testing Technology Co., Ltd. Shanghai 200233, China)

The performance parameters of absorbers have been briefly introduced, with the reflectivity differences of pyramidal absorber, ferrite tiles and hybrid absorber being described in detail, while performance differences between polyurethane composite and polystyrene composite absorber are compared through examples. By comparing the advantages and disadvantages of each absorber, an optimization selection scheme is worked out.

Anechoic chamber; Absorber; Ferrite; Polyurethane; Polystyrene; Optimization

TM25

A

1674-2796（2017）04-0018-06

2017-05-10

龙圣（1990—），男，硕士研究生，助理工程师，主要从事电磁兼容测试技术与研究。