EMC調(diào)試工具（六）：吸波材料

來源：風(fēng)陵渡口話EMC 更新時(shí)間：2024-07-20 閱讀：

圖1：片狀吸波材料

吸波材料是指材料可吸收、衰減空間入射的電磁波能量，并減少或消除反射的電磁波的一類功能材料。與所有復(fù)合材料一樣，吸波復(fù)合材料同樣也是由基體材料和功能體組成。

工程應(yīng)用上除要求在較寬帶寬內(nèi)對電磁波具有高吸收率，還要求材料具備重量輕、耐高溫、耐高濕、抗腐饋等性能。

01、吸波材料工作原理

圖2：吸波材料工作原理

吸波材料能以絕緣損耗、磁損耗、阻抗損耗方式吸收或者大幅度減弱接收到來自其他電子設(shè)備發(fā)射的電磁波能量，在材料的結(jié)構(gòu)內(nèi)反射、散射或者透射，使電磁波的能量發(fā)生衰減并轉(zhuǎn)換成熱能或其他形式的能量，從而減少電磁波的干擾。吸波材料需滿足兩個(gè)要求：一是要減少電磁波發(fā)生表面反射；二是實(shí)現(xiàn)最大程度上的衰減，都與材料的電磁性能相關(guān)。

電磁波入射到材料上時(shí)，能盡可能不反射而最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部，即要求材料需滿足阻抗匹配。進(jìn)入材料內(nèi)的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉，即要求材料滿足電磁損耗，電磁損耗包括：電阻損耗、介電損耗及磁損耗。

02、吸波材料分類

按材料成型工藝和承載能力分類

吸波材料可分為涂敷吸波材料、結(jié)構(gòu)型吸波材料。

涂敷型：吸收劑和粘合劑混合后涂敷于目標(biāo)表面，主要有鐵氧體吸收材料、金屬微粉吸收材料、多晶鐵纖維吸收材料。
結(jié)構(gòu)型：將吸收劑分散在特種纖維增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料中所形成的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。承載+吸收電磁波,常用纖維有玻纖、碳纖、碳化硅纖維。

按吸波原理分類

吸波材料可分為干涉型、吸收型。吸收型吸波材料：是本身對電磁波進(jìn)行吸收損耗，基本類型有復(fù)磁導(dǎo)率與復(fù)介電常數(shù)相等的吸收體，阻抗?jié)u變“寬頻”吸收體和衰減表面電流的薄層吸收體。干涉型吸波材料：則是利用吸波層表面和底層兩列反射波的振幅相等相位相反進(jìn)行干涉相消。

根據(jù)損耗機(jī)理分類

根據(jù)吸波機(jī)理的不同，吸波材料主要可分為電損耗型，介電損耗型和磁損耗型。

電阻損耗是指電磁波在材料里感應(yīng)產(chǎn)生電流，電流在材料內(nèi)部傳輸受阻而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，當(dāng)電導(dǎo)率越大時(shí)，電場引起的電流和磁場引起的渦流越大，越有利電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

【重要知識(shí)點(diǎn)】

渦流：塊狀導(dǎo)體在變化的磁場中或在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的在導(dǎo)體內(nèi)自成閉合回路的感應(yīng)電流叫渦電流，簡稱渦流。

圖3：渦流電流產(chǎn)生機(jī)理

介質(zhì)損耗是指電介質(zhì)分子的極化需要一定的時(shí)間，而在交變電場的作用下，當(dāng)這種極化落后于外電場的頻率時(shí)，便產(chǎn)生了極化的滯后，從而產(chǎn)生介電損耗。

【重要知識(shí)點(diǎn)】：

在外電場的作用下，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)正負(fù)電荷重心分離，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子的過程，陶瓷對應(yīng)是電子極化，離子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)對應(yīng)的是離子極化，有機(jī)物質(zhì)對應(yīng)的是取向極化，結(jié)構(gòu)不均勻的材料對應(yīng)的界面極化。

磁損耗是指磁性材料在磁化過程和反磁化過程中有一部分能量不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芩鶕p耗的能量稱為磁損耗，磁損耗包括：磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗。磁滯損耗：磁化過程中克服矯頑力所消耗的能量；渦流損耗：同時(shí)兼具電阻損耗和磁損耗；剩余損耗：除渦流和磁滯損耗以外的其他所有損耗。

按吸波材料應(yīng)用階段分類

按吸波材料應(yīng)用階段分為傳統(tǒng)吸波材料、新型吸波材料。傳統(tǒng)吸波材料如：鐵氧體、鈦酸鋇、石墨、碳化硅、導(dǎo)電纖維等屬于傳統(tǒng)吸波材料，其中鐵氧體吸波材料和金屬粉吸波材料研究和應(yīng)用比較多，性能也較好。

新型吸波材料包括納米材料、手性材料、導(dǎo)電高聚物、多晶鐵纖維及電路模擬吸波材料等，它們具有不同于傳統(tǒng)吸波材料的吸波機(jī)理，其中納米材料和多晶鐵纖維是眾多新型吸波材料中性能最好的兩種。

按材料分類

根據(jù)使用材料的不同可分為：鐵氧體吸波材料、金屬微粉吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、納米吸波材料、吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、等離子吸波材料。

鐵氧體吸波材料是一種復(fù)合介質(zhì)材料，對電磁波的吸收既有介電特性方面的極化效應(yīng)，又有磁損耗效應(yīng)，具有吸收率高、涂層薄和頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

金屬微粉吸波材料，通常所指的金屬微粉的粒度為0.5-20μm，金屬微粉吸波材料具有居里溫度高，溫度穩(wěn)定性好，在磁性材料中有著磁化強(qiáng)度高、微波磁導(dǎo)率較大、介電常數(shù)較高等優(yōu)點(diǎn)，因此在吸波材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。主要是通過磁滯損耗、渦流損耗等方式吸收電磁波，目前主要使用金屬微粉的尺寸通常是1-10μm。

多晶鐵纖維吸波材料的吸波機(jī)理是渦流損耗和磁滯損耗，它還是一種良導(dǎo)體，具有較強(qiáng)的介電損耗吸收性能，在外界交變電場的作用下，纖維內(nèi)的電子產(chǎn)生振動(dòng)，將電磁能部分轉(zhuǎn)化為熱能。多晶鐵纖維具有獨(dú)特的形狀各向異性，可以在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高吸收，質(zhì)量比傳統(tǒng)的金屬微粉材料減輕40%-60%，克服了大多磁性材料的嚴(yán)重缺陷。多晶鐵纖維吸波材料具有重量輕、面密度小（1.5-2kg/㎡）、頻帶寬(4-18GHz)的優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過調(diào)節(jié)纖維的長度、直徑、排列方式、分散劑的含量等調(diào)節(jié)材料的電磁參數(shù)。

納米吸波材料是指材料尺寸為納米級（1-100nm）,納米材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有隧道效應(yīng)、量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)等特點(diǎn)，將納米材料作為吸收劑制成涂料，不僅能很好地吸收電磁波，而且涂層薄、吸收頻帶寬。

吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是把吸波材料與樹脂泡沫膠纖維混合成剛性結(jié)構(gòu)材料，最常用的是碳纖維和碳化硅纖維復(fù)合材料。

等離子體吸波材料吸收帶寬為3MHz-300GHz，不需要改變外觀，價(jià)格便宜，維修方便，具有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值，已成為未來隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢。

按形狀分類

根據(jù)形狀可分為尖劈形、單層平面形、多層平面形、涂層形、結(jié)構(gòu)形。

尖劈形主要由聚氨酯泡沫型、無紡布難燃型、硅酸鹽板金屬膜組裝型等，吸收體長度與頻率成反比，尖劈形吸波材料一般應(yīng)用于電波暗室。

圖4：電波暗室用吸收尖劈

單層平板形是最早研制的吸收體，后來制成的吸收體都是直接貼在金屬屏蔽層上，其厚度薄，重量輕，但工作頻率范圍較窄。

雙層或多層平板形可在很寬的工作頻率范圍內(nèi)工作，且可制成任意形狀，將鐵氧體和金屬短纖維均勻分散在合適的有機(jī)高分子樹脂中制成復(fù)合材料，工作頻帶可拓寬40%-50%，其缺點(diǎn)是厚度大、工藝復(fù)雜、成本較高。

涂層形采用復(fù)合材料，主要應(yīng)用在飛行器上，如鋰鎘鐵氧體涂層厚度為2.5mm-5mm時(shí)，在厘米波段，可衰減8.5dB，尖晶石鐵氧體涂層厚度為2.5mm時(shí)，在9GHz可衰減24dB，鐵氧體加氯丁膠涂層厚度為1.7mm-2.5mm時(shí)，在5GHz-10GHz衰減達(dá)30dB左右。

結(jié)構(gòu)形將吸波材料摻入工程塑膠料使其既具有吸收特性，又具有載荷能力，是吸波材料發(fā)展的方向，為進(jìn)一步提高吸波材料的性能，國外還發(fā)展了幾種形狀組合的復(fù)雜形。

03、吸波材料的應(yīng)用領(lǐng)域

吸波材料用于消費(fèi)電子產(chǎn)品主控芯片噪聲吸收

高度集成的半導(dǎo)體芯片，工作于高速高頻模式下，產(chǎn)生大量的高頻噪聲，通過芯片的本體和管腳向外輻射，使用吸波材料貼附于芯片本體以及引腳處可以有效吸收其高頻噪聲。

圖5：吸波材料貼附于半導(dǎo)體芯片

吸波材料用于射頻電路屏蔽罩腔體振蕩吸收

屏蔽罩常用于解決空間輻射問題，有時(shí)增加屏蔽罩后能解決部分頻點(diǎn)的噪聲輻射問題，卻又引發(fā)其它頻點(diǎn)的噪聲輻射問題。其主要原因是屏蔽罩引發(fā)的腔體振蕩，將噪聲從縫隙輻射發(fā)射出去。在屏蔽罩內(nèi)壁增加吸波材料，可以吸收在屏蔽罩內(nèi)壁產(chǎn)生的電磁波，避免其在腔體內(nèi)反復(fù)反射，導(dǎo)致的腔體振蕩。

圖6：吸波材料貼附于金屬屏蔽罩腔體內(nèi)

吸波材料用于PC產(chǎn)品高頻噪聲吸收

PC產(chǎn)品的CPU芯片、DDR芯片、SSD硬盤等高頻高速模塊電路，工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲在沒有良好屏蔽的情況下，則很容易向空間發(fā)射噪聲，增加吸波材料可以很好的吸收高頻噪聲干擾，順利通過輻射發(fā)射。

圖7：吸波材料貼附于CPU/DDR/SSD模組上

吸波材料貼附于PCB布線上吸收布線高頻噪聲

PCB Layout將時(shí)鐘信號(hào)、高速時(shí)鐘信號(hào)、高速數(shù)據(jù)信號(hào)、敏感信號(hào)、弱信號(hào)等放置在表層（頂層或者底層）時(shí)，由于參考平面完整性設(shè)計(jì)的原因很容易將時(shí)鐘信號(hào)基頻與高次諧波噪聲、高速數(shù)據(jù)噪聲，通過PCB布線形成天線向外輻射發(fā)射出去。在PCB Layout布線的對應(yīng)位置增加吸波材料，是解決其輻射發(fā)射的有效方法之一

圖28：吸波材料貼附于PCB布線上

04、吸波材料的主要參數(shù)指標(biāo)

4.1、吸波材料有關(guān)技術(shù)術(shù)語

復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率（μ=μ'-μ"）

復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率是物質(zhì)在交變磁場的作用下，交變磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的比值。這個(gè)概念在物理學(xué)中非常重要，特別是在處理磁性材料的高頻特性時(shí)。復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率由實(shí)部和虛部表示材料中磁能的損耗程度，也稱為非彈性或吸收分量。

μ'表示材料在磁場作用下磁化程度的變量；μ"表示在外加磁場的作用下，材料磁偶矩產(chǎn)生移動(dòng)引起的損耗。

圖9：吸波材料復(fù)磁導(dǎo)率曲線

復(fù)介電常數(shù)（ε=ε'-ε"）

復(fù)介電常數(shù)包含實(shí)部與虛部，實(shí)部表示介質(zhì)對電場的響應(yīng)能力，虛部則描述了介質(zhì)在高頻電場下的能量損耗，虛部的存在是由于材料內(nèi)部的各種轉(zhuǎn)向極化跟不上外高頻電場變化而引起的各種弛豫極化所致，代表著材料的損耗項(xiàng)，能量損耗稱為介質(zhì)損耗，其值可以有用tanδ(損耗角)來表示。

ε'表示材料在電場作用下極化程度的變量ε"表示在外加電場的作用下，材料電偶矩產(chǎn)生移動(dòng)引起的損耗。

圖10：復(fù)介電常數(shù)曲線

4.2、吸收材料的技術(shù)參數(shù)

吸波材料主要技術(shù)參數(shù)包括：有效吸收寬度、反射損耗、屏蔽效能、厚度、粘性。

反射損耗RL (Reflection Loss)

反射損耗是用來表征吸波材料的吸波性能的指標(biāo)，表示材料對固定頻率電磁波的損耗能力，反射損耗越小，意味著吸波材料的吸收電磁波的能力越強(qiáng)。吸波材料的反射損耗與吸波材料的厚度與被吸收噪聲信號(hào)波長的比值密切相關(guān)。

其中R是反射損耗，t是吸波材料厚度，λ是被吸收信號(hào)頻率的波長，隨著吸波材料厚度與波長比值增加，其吸波性能得到了顯著的提高。

圖11：吸波材料反射損耗曲線

有效吸收寬度

RL＜-10dB的頻率寬度，也叫有效吸收寬度，代表能夠吸收90%能量電磁波的頻率范圍，單位GHz，圖31為典型的吸波材料性能曲線，代表材料在某一固定厚度，反射損耗隨頻率的變化而變化的情況，一般來講曲線越靠下（即縱坐標(biāo)越小），有效吸收寬度越寬，材料的吸波性能越好，曲線與-10dB線圍成的面積越大（圖中陰影部分），吸波性能越好。

圖32：吸波材料有效吸波帶寬

4.3、其它影響吸波材料性能的因素

吸波材料的厚度

吸波材料的厚度也是影響其性能的重要參數(shù)，一般來說，吸波材料的厚度越大，吸波性能越好，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于空間和重量的限制，需要在吸波材料的厚度和性能之間進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的厚度以滿足實(shí)際需求。

吸波材料的溫度

吸波材料的工作溫度范圍也是一個(gè)重要的參數(shù)，不同的應(yīng)用場景對吸波材料的工作溫度范圍有著不同的要求，選擇吸波材料時(shí)需要考慮其能夠適應(yīng)的工作溫度范圍，以確保其在實(shí)際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定可靠地發(fā)揮吸收作用。

吸波材料的耐候性與耐腐蝕性

吸波材料的耐候性和耐腐蝕性也是需要考慮的重要參數(shù)，應(yīng)用于日曬、雨淋、化學(xué)等特殊環(huán)境下，需要具有較好的耐候性和耐腐性，以保證其長期穩(wěn)定地發(fā)揮吸波作用。

吸波材料的生產(chǎn)工藝

吸波材料的制備工藝和成本也是需要綜合考慮的因素，不同的制備工藝會(huì)影響吸波材料的性能和成本，需要在性能和成本之間進(jìn)行平衡，選擇合適的制備工藝以滿足實(shí)際需求。

05、吸波材料的測試

吸波材料性能的測量有直接測量法和間接測量法，直接測量法是指直接測量反射率或只需要做簡單的運(yùn)算就可以由測試的數(shù)據(jù)計(jì)算出反射率的方法。直接測量法包含：弓形法、同軸法以及RCS測試法等。

圖13：吸波材料性能測試方法：弓形法測試連接圖

弓形法（GJB2038A-2011標(biāo)準(zhǔn)）

弓形法主要是通過弓形裝置和信號(hào)源、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備組成的測試系統(tǒng)，分別測量樣品臺(tái)上放置的標(biāo)準(zhǔn)樣品和試驗(yàn)樣品時(shí)，入射電磁波經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)樣品或試驗(yàn)樣品反射回的電磁波的功率來計(jì)算材料吸波性能。