任意角入射時(shí)matlab在電磁屏蔽材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用①

韓海生， 馬 佳， 張海豐， 裴魏魏

(佳木斯大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展電磁屏蔽材料引起廣大科研院所的高度重視，對(duì)抗與反對(duì)抗、電磁輻射污染、隱身技術(shù)、電磁能設(shè)備防干擾等引起了世界各國的高度重視，電磁屏蔽技術(shù)對(duì)國家國防事業(yè)發(fā)展和競爭力都起到了至關(guān)重要的作用[1～5]。多數(shù)論文對(duì)電磁波垂直入射界面進(jìn)行分析研究，但由概率論原理垂直入射幾率很小，只能作為電磁波斜入射的特例，電磁波斜入射的研究對(duì)工程材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、相關(guān)參數(shù)的匹配更具有重大意義[6～11]。論文利用全貌分析方法[12]的研究理念與三維網(wǎng)格法彌補(bǔ)某一電磁參數(shù)的影響所帶來的負(fù)面效應(yīng)，對(duì)電磁屏蔽材料的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論支撐，三維網(wǎng)格法不僅提高材料外形設(shè)計(jì)的效率而且提高材料的吸收效果。

1 波密介質(zhì)對(duì)后向反射率的影響

電磁波從波疏介質(zhì)傳到波密介質(zhì)，在界面透射可以忽略不計(jì)，反射波存在半波損失，如圖1所示，半波損失是引起能量損失的主要因素。

在界面處的入射波振動(dòng)方程為y10，入射波振動(dòng)方程為y20，由波的疊加原理可知位相差為π的奇數(shù)倍時(shí)，疊加后能量最小。波的反射與疊加原理和介質(zhì)吸收系數(shù)為電磁屏蔽材料的后向反射率的設(shè)計(jì)提供了新的思路，當(dāng)介質(zhì)1足夠薄時(shí)，后向反射率能達(dá)到最好效果。

圖1 界面半波損失

(1)

y20=A20cos(ωt+φ20)

(2)

2 單層損耗材料的反射系數(shù)關(guān)系

由電磁波傳輸理論[13]，線元dz可以看成集總參數(shù)電路，線元的電流與電壓滿足傳輸線方程：

(3)

(4)

求解式(3)與式(4)，可得傳輸線的輸入阻抗為

(5)

其中，Z1為介質(zhì)1的輸入阻抗，Z2為介質(zhì)2的阻抗，d為介質(zhì)的厚度。由傳輸線理論得出介質(zhì)內(nèi)電磁場的表達(dá)式為：

E2=E2y=(Aejα2z+Be-jα12z)ejσ2x

(6)

其中α2=k2z=k2cosθ2，σ2=k2x=k2sinθ2，k2為波數(shù)，θ2為入射角。

(7)

Zin=jZ2tgα2d2

(8)

可以看出有金屬襯底的單層介質(zhì)后向反射系數(shù)為

(9)

圖2 斜入射時(shí)R與d、Ze的網(wǎng)格圖

圖3 斜入射時(shí)d與Ze的等高線

圖4 斜入射時(shí)R與θ、f的網(wǎng)格圖

圖5 斜入射時(shí)R與d、f的網(wǎng)格圖

圖6 斜入射時(shí)εr1和εr2的等高線

圖7 斜入射時(shí)μr1和μr2的等高線

圖8 有金屬襯底的單層結(jié)構(gòu)的R與f的關(guān)系式

3 利用網(wǎng)格法討論參數(shù)對(duì)反射率的影響

從圖2-圖3可以看出，電磁屏蔽材料的后向反射率與屏蔽材料的厚度無關(guān)，隨著阻抗值Ze的增加而增加，設(shè)計(jì)時(shí)通常只考慮阻抗值。

圖4可以看出，后向反射率隨入射角的增加而減小，但入射角在00～400時(shí)電磁屏蔽材料的后向反射率均大于6dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5可以看出在低頻段曲線出現(xiàn)波動(dòng)，高頻段曲線平穩(wěn)，在所有頻段內(nèi)，后向發(fā)射率達(dá)到10dB，滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

由參考文獻(xiàn)[11-13]可知，隨著介電常數(shù)εr1和εr2的增加，后向反射率的衰減dB值逐漸變小，后向反射率的衰減dB值隨著磁導(dǎo)率μr1的μr2逐漸減小時(shí)，也隨之變?。挥蓤D6可以看出εr1<18、εr2<16，μr>7后向反射率的衰減值均大于6dB，符合工程設(shè)計(jì)要求；

4 單層材料吸波特性的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

電介質(zhì)的極化與磁介質(zhì)的磁化與頻率息息相關(guān)，當(dāng)入射波的頻率增大時(shí)，極化與磁化現(xiàn)象減弱。根據(jù)利用三維網(wǎng)格法對(duì)鹽酸參雜聚苯胺復(fù)合吸收劑在1-18GHz頻段進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖8所示?？梢钥闯霎?dāng)考慮電介質(zhì)與磁介質(zhì)的頻率特性時(shí)后發(fā)射率隨著厚度的增加峰值向著低頻段移動(dòng)，且頻帶只是在窄頻有較好的吸收效果。

5 結(jié) 論

吸波材料是通過能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的有效吸收，衰減特性是利用半波損失與界面材料的阻抗匹配程度以及介質(zhì)的吸收對(duì)電磁波進(jìn)行衰減；文中利用三維網(wǎng)格法對(duì)影響后向發(fā)射率的電磁波的頻率與入射角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明當(dāng)考慮頻率特性時(shí)后向反射率與屏蔽膜的厚度相關(guān)，增加厚度可以提高低頻段的吸收效果。