迷你暗室宽频吸波材料的设计、制备与性能研究

性能的测试采用了厚度为3mm的片材。图3和图4给出了不同体积分数吸波剂的硅胶-羰基铁复合材料（硅胶S+羰基铁1#）的特征电磁参数。由图3a和3b曲线可以看出，随着吸波剂体积分数从32%增加到40%，材料的复磁导率实部和虚部均呈增大的趋势，u’由2.0增加到2.5，u"由1.0增加到1.5；而随着频率的增大，磁导率实部逐渐减小，虚部在较窄的频段内无明显变化。同样，图4a和图4b给出了复合介电常数的曲线图。当体积分数增加到40%时，复介电常数实部由11增加到16.5,；由于材料是非电损耗型，介电常数虚部基本为0。这种电磁参数随吸波剂体积参数变化的趋势也被其他实验研究所证实^【6，16】

图3a 、 图3b

图4a 、 图4b

当吸波剂体积分数一定时，对于不同吸波剂，材料的复磁导率如图5a和图5b。1#和2#羰基铁的磁导率实部相当，u’随频率增加由3.7逐渐减小到2.0，3# 羰基铁u’略高，由3.8减小到2.5。三种铁粉的磁导率虚部为1#>2#>3#，u"数值减小平缓，随频率增加略有降低。3#羰基铁的介电常数实部为14左右，明显低于1# 羰基铁的24和2#羰基铁的25，如图6a。这是由于不同厂家的生产工艺略有不同造成，3#羰基铁颗粒表面进行了SiO₂抗氧化包覆处理，因而导电性能较低。三种羰基铁粉介电常数虚部为0，如图6b所示。

图5a 、 图5b

图6a 、 图6b

3.3、反射率测试

几何角锥形状是吸波体常见的结构，当电磁波从自由空间入射到吸波体时，这种锥形结构能够较好的实现材料对电磁波的阻抗匹配，避免了电磁波在材料前表面的反射。同时，对进入吸波材料内部的无线电波，材料通过羰基铁的磁损耗将电磁波吸收衰减。根据样品电磁参数的测试，优化原料配比，我们选取了双组份硅胶S和1#羰基铁为基材，吸波剂体积分数为42%，然后通过HFSS仿真设计，制备了角锥型复合吸波材料，并对吸波材料的尺寸进行了优化。同时，也将该尺寸的产品与同体积的单层、双层平板结构进行了对比。试验设计的角锥如图7所示，角锥底座高度L、宽度W以及锥体总高H对材料的电磁波反射性能均有影响。

图7

不同底座高度L。从图8可以看出，当锥体的W，H均不改变时，L由1.5mm增加到2.5mm时，材料的第一个谐振点由3GHz偏移到2GHz，且反射率由-26dB增大到-22dB；第二个谐振峰不是很尖锐，但也明显看出由7GHz偏移到6GHz，反射率没有明显变化。表明锥体底座高度的改变对材料相对低频的电磁波吸收较敏感。

图8

不同底座宽度W。图9给出了锥体L，H不变时，改变W材料的反射率曲线。可以发现，W由4mm增大到6mm，8mm时，第二谐振峰从非常显著的7.5GHz下-37dB反射率变为平缓的7GHz下的-17dB和6GHz下的-12dB反射率；而第一谐振点及峰值均没明显变化。这表明底座宽度的改变对材料相对高频的电磁波吸收较敏感。

图9

不同锥体总高H。几何尖锥虽然很好的达到了阻抗匹配，但其尖端不便于加工，一般都将锥体顶部设计成平台或曲面。为此，我们通过顶端曲面设计控制锥体的高度，具体设计是用不同半径R的球去内切锥体顶部从而得到带曲面的顶端。图10给出了不同半径球体改变锥体总高H的曲线。L，W一定，随着球半径R的增大，即锥高H的减小，吸波材料第二谐振点有向高频偏移的趋势，峰值反射率由-22dB单调递增为-5dB，而第一谐振点变化较小，峰值在R为3mm时突变。

图10

不同形状。试验对比了底面积不变，相同等效高度（5mm）的单层、双层平板和角锥的反射率，如图11。可以看出单层平板具有一个特征吸收峰，双层平板属于阻抗梯度变化，而角锥属于阻抗渐变体，后两者反射曲线具有多个特征峰，扩展了频宽。三种结构表明了一种趋势，在等效高度一样的情况下，角锥具有更好的吸收性能。

图11

根据以上仿真设计，我们选取了几何最佳尺寸，即L=2mm，W=6mm，H=10mm(R =1.5mm)进行了材料制备，并将仿真数据与实测数据进行了对比。由图12可以看出，实测数值与仿真数值基本一致，吸收频点略有偏移；实际测量的反射率在高频优于仿真值。表明计算机仿真能够有效地指导材料的制备，使实验探索更具方向性。材料在2-18GHz内有很好的吸收，基本全频段处于-10dB以下。在2.4 GHz和7.4GHz分别达到-22dB和-27dB的反射率。

图12

4、小结

移动终端的小型化（如手机、平板电脑、音乐设备等）推动了小暗室有源测试的发展，这类测试应用具有测试速度快、建造成本低，费效比高的优点，是一种小型化快测系统应用。通过计算机仿真指导材料设计与制备，我们得到了一种小型角锥橡胶吸波材料，该材料体积小，吸收强，特别适用于小型或微型暗室，材料具有以下特征：

（1） 几何角锥的各个维度的尺寸对材料的