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电磁波吸收材料最近的开发动向

发布时间:2019-06-19 05:08 来源:未知 编辑:admin

  电磁波吸收材料最近的开发动向 Recent trends in the development of microware absorption materials 1前言 随着信息通信技术的发展,在高频段工作的电子机器日渐普及。例如,日本手机的合同订数超过了8000万台,占总人口的2/3以上。预计,这种发展趋势会迅速向第四代手机、无线LAN

  随着信息通信技术的发展,在高频段工作的电子机器日渐普及。例如,日本手机的合同订数超过了8000万台,占总人口的2/3以上。预计,这种发展趋势会迅速向第四代手机、无线LAN信息家电领域扩展,通信用的电磁波频率也会从微波频率扩展到毫米波频段。我们周围由电子机器产生的人为电磁波噪声也就会愈来愈多。

  另一方面,光纤网等有线与无线网络融合,将来无论什么时候都可以通过网络完成信息交换,接近“无所不在(Ubjguitous)”的社会。“无所不在”社会的构建,要求各种通信设备在小型薄壁化的同时,还需要高速数字化和低电压驱动来提高通信设备本身的性能。然而,高速数字化中不需要电磁波辐射,低电压驱动产生的噪声会导致误动作,在机器之间引起电磁干扰(EMI)。因此,使无用电磁波不发射出去,又能抵抗外来噪声干扰的电磁兼容技术(EMC)倍受关注。

  防治EMI的手段有两种:一是优化电子机器的电路设计,减少噪声;二是利用电磁波屏蔽材料和电磁波吸收体,两者相比,后一种方法的效果更佳。屏蔽是封闭电信号源产生的电磁波,同时使外来电磁波反射返回。吸收则把电磁波能量在材料内部变换成热能,使其吸收不反射。

  最近,电磁波吸收材料的使用方法,可分为根据频率设计和材料的选择两种。也可分为与远场对应的电磁波吸收体,和降低机器内部的噪声与近场对应的电磁噪声抑制器。如图1所示,与电磁波发生源的距离不同,会引起波阻抗变化。即在离波源远的远场中,波阻抗是377Ω,与自由空间相同,电磁波以平面波方式传输。与之相反,在离波源近的近场,根据波源、波阻抗受电场和磁场控制,进而随距离远近发生大的变化;电磁波也变为球面波传输。因此,电磁波吸收体的设计方法,评价方法与评价值,使用方法等,均视具体情况而定。这里,就按与远场和近场对应的电磁波吸收材料,分别介绍其最近的研发动向。

  电磁波吸收材料可分为导电损耗材料,介电损耗材料和磁损耗材料三大类。用这些材料设计成单层型电磁波吸收体时,如图2(a),把厚度为波长1/4的无损耗材料贴在金属板上,其表面再附着一层面积电阻值为自由空间波阻抗值的导电损耗材料(电阻膜)。此乃λ/4型结构。如图2(b),在介电损耗材料、磁损耗材料背面贴附一块金属板,构成阻抗匹配型电磁波吸收体。前者金属板和电阻膜之间因系无损耗材料,故内部无吸收,使其厚度设计成波长的1/4,内部的总反射波就与表面的反射波反相同振幅。后者不仅损耗材料内部会吸收电磁波,而且损耗材料表面与贴附的金属板之间会引起多重反射,从而能有效利用反射波的相互干扰吸收电磁波。

  另外,将上述材料做成多层结构或者楔形、锯齿形结构,慢慢改变截面积,还可以展宽吸收频段。

  采用复数相对磁导率μr、复数相对介电常数εr、厚d 材料制成的电磁波吸收体,当平面电磁波垂直入射的时候,吸收体前面的阻抗Zin可用(1)式表达。

  式中,Zo—自由空间波阻抗,f—电磁波频率,c—光速。这时,表示吸收体电磁波吸收率的入射面反射损耗(R.L.)由(2)式表达。

  吸收体全部吸收电磁波(吸收体不反射电磁波)的条件是,R.L.=-∞(Zin=Zo)。但实际上很难满足这个条件,通信、电子没备中,一般要求电磁波吸收体的R.L.达到-20dB以下(电磁波吸收率为99%)。把这时的频率叫做匹配频率fm,吸收体厚度称为匹配厚度dm。

  λ/4型电磁波吸收体,是通过控制无损耗材料的厚度使其与不同频率相对应的电磁波吸收体。但是在低频段,电磁波的波长长,吸收体的厚度就变厚,所以,这种电磁波吸收体主要用在短波频段。电阻膜,除了金属膜之外,还有,把导电性纤维织成纵横交错的网格。改变格子间隔,就会改变面积电阻。最近,还开发出如图3的一种透明电磁波吸收体。它是把面积电阻值与自由空间阻抗相同的氧化铟薄膜粘贴到玻璃上,用2块这种玻璃材料组成中间夹有空气的结构。

  λ/4型电磁波吸收体,还有人利用表达频率选择性的FSS(频选表面),以减小其厚度。所谓FSS,就是把符合一定长度的直线形元件规则地排列起来,像图4那样,在λ/4型电磁波吸收体的间隔内,把这些元件与电阻膜并排地插进去。据报告,将卫星广播用的110GHz吸收体制成插入FSS的三层结构,可使其厚度从7.5mm 降到3.77mm。

  介电损耗材料的电磁波吸收体,是把碳黑、碳纤维、金属粉、金属纤维等导电性材料分散到橡胶、塑料或混凝土等绝缘材料中构成的复合材料。介电损耗材料中,由于复数相对磁导率μr=1,故满足(1)、(2) 的无反射条件将随复数相对介电常数εr和吸收体的厚度d改变。由于复数相对介电常数与频率的关系特性曲线随复合材料及混合比例变化,一般都要先找出复数介电常数的实验方式,而后设计电磁波吸收体。使用碳等导电性材料的吸收体比用尖晶石型铁氧体粉的重量轻,使导电材料与发泡苯乙烯、氨基甲酸乙酯等复合,可制成宽频带楔形、锯齿状电磁波吸收体。

  吸收体用磁损耗材料,在MHz~GHz频段复数相对介电常数εr是常数,与频率无关;不过,它的值不为1,因材料而变化。复数相对磁导率μr则依赖于频率。因此,(1)、(2)式中Zin≈Zo的条件由变量εr、μr、d、f决定,同其他材料相比,它的材料参数自由度大,可以设计成薄型宽频带吸收体。用磁损耗材料设计电磁波吸收体时,重要的是磁共振。一般来说,用在低频段电磁波吸收体表示磁损耗的复数相对磁导率虚部μr″高,实部μr′低。在产生共振的频率范围μr′下降,随之μr″升高,故可以利用这种特性。在高频段,产生自然共振的频率fr如(3)式所示,它与磁性体的各向异性磁场HA有关。

  常用的电磁波吸收材料,是在MHz频段有高μr值的尖晶石型铁氧体。其烧结体与树脂的复合物,目前被用于防止VHF频段的电视重影,制作抗EMI阻抗元件等。由于尖晶石型铁氧体的饱和磁化强度Is低,故存在象(4)式给出的斯诺克极限,使用频率仅限于数GHz。

  式中,γ—旋磁比,μo—真空磁导率,Is —饱和磁化强度。因此,在数GHz以上频段,μr″下降,得不到良好的电磁波吸收特性。不过,有很多人将尖晶石型铁氧体粉末与橡胶或树脂混合,开发出可用于更高频率的电磁波吸收体。另根据(3)式可知,各向异性磁场高的材料,共振频率会转向高端,故有人制成NiZn铁氧体中加Co的树脂复合体,在fm=10~15GHz,可得dm=3~6mm的吸收特性。

  由于右边括号内的值大于1,故与Is值相同的μr′各向同性或单轴各向异性铁氧体比较,它们共振频率高,超过尖晶石型铁氧体的斯诺克极限。有人报告,用Y型铁氧体可以制作成工作到~20GHz的电磁波吸收体。还有人报告,用成份为Ba3Co2Fe24O41的Co-z型铁氧体,在fm=0.9~1.8GHz获得dm=4.5~6.7mm的电磁波吸收特性。

  为了有效利用单纯磁性材料的电磁波吸收体,有人研究了开有斜缝形孔和十字交叉形孔的电磁波吸收体的性能。结果证明,调节孔的尺寸和吸收材料的厚度,可以在宽频带内改变电磁波吸收(匹配)特性。例如,斜缝宽1~8mm,长10~14mm,孔间隔2 mm时,在2.0-4.0GHz的宽带内可得到良好的匹配特性。说明,开孔可减小吸收材料的相对介电常数,使匹配频率移向高端。

  有人把导体放在吸收体的表面上,改变导体宽度及其间的间隔,使匹配特性移向低频端,开发出在2.45GHz有-20dB以下的2mm厚吸收材料。

  还有人报道,在BaM铁氧体和MnNn铁氧体等损耗材料的表面,应用光刻技术形成圆形化金属图形,开发出微波频段用电磁波吸收体。结果证明,可以减小吸收体的厚度,有希望用于信息技术系统(5.8GHz)。

  根据(4)式所示的斯诺克极限理论,Is高,在高频段可保持高磁导率。即,使用比上述尖晶石型铁氧体饱和磁化强度高2倍的软磁金属材料,若能抑制闭合磁畴和涡流,就能得到优于尖晶石型氧体的高频特性。有人提出,如图5(a)那样,把FeSiAl合金加工成粉料,使厚度为趋肤深度的扁平状粉与树脂复合成吸收体。加工成扁平状,由形状各向异性和剩余应力为作出磁弹效应的贡献,如图5(b),μr″的频率特性变成宽频带或双峰,共振频率升高,可用于300MHz~3GHz范围。

  针对远场的电磁波吸收特性,有人报告,用FeSiAl合金粉树脂复合体,fm=900MHz的dm=19mm,1.18GHz的dm=18.1mm,4.9GHz的dm=4.6m。用羰基铁粉和树脂的复合体,1.7GHz的dm=6.3mm。有人认为:添加偶联剂,可提高羰基铁粉在树脂中的填充率。最近,有人使羰基铁粉与二氧化硅机械合金化形成由10nmFe粒子包围着非晶氧化硅的颗粒结构,在6GHz附近使吸收率提高了30%。有人将电工钢箔与树脂复合,制成可在数GHz到20GHz的宽带工作的电磁波吸收体。

  磁铅石(M)型结构的BaFe12O19铁氧体显示单轴磁各向异性,其各向异性磁场Ha高达1.38MA/ m,故常用作永磁体。有人根据(3)式发现,这种M型铁氧体的自然共振频率可到48.9GHz。用不同的金属离子置换Fe3+,研究置换型铁氧体的电磁波吸收特性。结果显示,用(Ti0.5Mn0.5)3+置换的BaFe9.0(Ti0.5Mn0.5)3.0O19烧结体,在fm=12.35GHz和dm=0.58mm,反射损耗达-36.4dB。按重量比60~80mass%使这种铁氧体粉与树脂混合,制成吸收体在14-21GHz这样宽的频段,获得R.L.∠-20dB。改变(Ti0.5Mn0.5)3+置换量获得的BaFe10(Ti0.5Mn0.5)2O19树脂复合体,可有效地用作无线GHz)。有人近来报告,将这种吸收体应用到40GHz或30GHz,其厚度减至0.67mm,在6GHz以上频段可获得R.L.∠-20dB。由于同树脂复合时磁导率的频率分布,与阻抗匹配的磁导率频率分布,在宽频带中一致,故M型铁氧体的优点就在于显示出宽频吸收特性。

  还有人报告,不用(Ti0.5Mn0.5)3+,用别的离子置换,可使频率从数GHz扩展到150GHz。在低频段不用(Ti0.5Mn0.5)3+而采用(Zr0.5Mn0.5)3+进行少量置换,也能得到吸收效果,并减少吸收体的厚度。为了满足60GHz无线LAN市场的需求,有人用各向异性磁场高的Al3+置换SrFe12O19铁氧体制成电磁波吸收板,其结果如图7。

  由于M型铁氧体呈现出单轴磁各向异性,故可以磁场定向,增大μ″并减小匹配厚度。与M型铁氧体有着相似结构的W型铁氧体也具有电磁波吸收功能。已证明,制成M型和W型的混晶铁氧体,会得到优异的电磁波吸收性能。上述表明,M型(W型)铁氧体在从微波到毫米波频段都显示出良好的电磁波吸收特性,是今后所期待的一种材料。

  和M型铁氧体一样,在GHz频段出现自然共振而且饱和磁化强度高的金属系磁性材料,它们与树脂的复合体也可有效的被用作电磁波吸收。从这个意义上说,典型的稀土(RE)永磁合金(RE2Fe14B)因饱和磁化强度高,各向异性磁场也大,是一种很吸引人的材料。改变此系化合物共振频率的方法,是用Sm置换其中一部分稀土(RE)元素,可以控制各向异性磁场,因为Sm2Fe14B合金是显示面内各向异性。有人制出了(Y1-nSmx)2Fe14B和(Na1-xSmx)2Fe14B合金粉与树脂的复合物,以研究它们的电磁波吸收特性。

  图8是(RE1-xSmx)2Fe14B反射损耗与频率的关系曲线。可以看出,随着Sm置换量(x)增加,在显示单轴磁各向异性的置换量内,吸收的中心频率移向低频端。若进一步增加置换量,变为面内各向异性,吸收频率则会移向高端。能获得这种电磁波吸收的中心频率,与由各向异性磁场计算出来的自然共振频率接近,x=0.15的试样,其中心频率大约为15GHz。在无线GHz用无添加剂材料,在上述22GHz用x=0.10试样,得到吸收体厚0.69mm,R.L.=-20.2dB,具有充分的吸波性能。 图9是设吸收中心频率为匹配频率fm,它与匹配厚度dm之乘积fd与M型铁氧体的比较。从图9看出,稀土永磁化合物的fd乘积比M型铁氧体少30%,然而在同频段比较,吸收体的厚度,前者比后者薄30%。

  最近,有人提出用软磁相与稀土永磁相纳米复合化,以控制吸收频率。采用这种方法,是使永磁相与软磁相间发生交换耦合作用,从而降低有效各向异向性磁场。结果显示,添加Cu的Fe3B/Y2Fe14B系树脂复合体中,可使吸收频率移到15GHz,表示交换耦合度强弱的回复率和吸收频率的偏移量之间彼此相关。总之认为,用稀土永磁化合物作电磁波吸收体是有可能的,但尚需对材料及其制备技术等问题做进一步研究。

  防治手机等电子设备内部高频噪声的呼声日益高涨,越来越重视电磁噪声抑制体的应用。对付放射性噪声,一般是把电磁屏蔽材料插在电磁波发生源和容易受干扰部位之间。在未进行电磁屏蔽的地方,容易产生电磁波的泄漏;即使完全屏蔽,也会出现内部干扰问题。屏蔽外壳和外线路间会产生共振现像,电路与外电路接合处的阻抗不匹配,也会引起电磁辐射。为了解决这些问题,最有效的办法是配置高频损耗大的电磁波吸收体,以减少噪声。对电磁噪场抑制体用材料必备的性能,有人强调了两条:

  软磁金属扁平状粒子与树脂复合成的板(片)材,可望用作准微波频段的高效吸收材料。已经实用化的软磁金属有FeSiAl系,不锈钢系,还有FeSi系,纳米晶软磁材料。FeSiAl系的树脂复合板具有图5的结构,磁导率μ″急剧上升且在宽频带保持较大的值后,又显示缓慢减小的磁导率分散,具有适合作噪场抑制材料的特性。图10是有人报道的FeSiAl树脂复合板功率损耗(Ploss/Pin)与频率的关系曲线。Ploss/Pin是把抑制板放在微带线)式求出来的。这个值越大,抑制效果越高。

  式中,S11=20Log ,S12=20LogT。—反射系数,T—透射系数。由图10可知,FeSiAl系树脂复合板的Ploss/Pin值比原用橡胶铁氧体高。

  近来又提出,必须解决小型电子机器内部的发热问题,因此,导热性能优良的FeSiAl系树脂复合板,在市场上很受欢迎。最近开发成功的纳米晶材料系板材,在0.1~10GHz宽频带内显示出高的复数磁导率(在1GHz,μ″=10),而且使用无卤族元素的难燃性树脂。不会产生有害气体。

  高频段具有高电阻率和高磁导率的纳米颗粒薄膜,作为有效抑制传导噪声材料而倍受人们关注。颗粒膜的磁导率将近是软磁金属复合板材的100倍,因此,用数微米厚就可望达到与复合板同等的抑制效果。不过,纳米颗粒膜的电阻率比铁氧体等材料的低,因短截效应会引起反射。在实际应用中,须将这种反射抑制到-10dB以下,有人提出了在薄膜表面开微缝的图形化法来解决 这个问题。

  图11是根据他们的报告,绘制出在颗粒膜FeSiAl面上开有与微带线平行的微缝后抑制体的传输特性和传输损耗(Ploss/Pin)。从图中看出,经过图形化后,反射特性S11降低,而且这种下降趋势随着缝隙宽度减小变得更加显著。但是,缝隙宽度过小,Ploss/Pin值又会降低。图12是这种图形化纳米颗粒软磁膜(微缝宽W =0.25mm,膜厚1μm)的Ploss/Pin值与市售树脂复合磁性板材(厚50μm)的比较。从图中得知,图形化颗粒膜的厚度仅为复合板材的1/50,可是在2GHz的传输损耗两者大致相同,在3GHz的△Ploss/Pin是复合板的1.4倍。

  有人报告,采用水溶液旋转喷镀铁氧体工艺制得的NiZn 铁氧体薄膜,可用作有效的GHz频段电磁噪声抑制体。原来的块状镍锌铁氧体材料由于存在斯诺克极限,所以在高频下磁导率下降。与之相反,薄膜材料将使磁化向着面内方向的退磁场加到各向异性磁场上,自然共振频率就象(7)式那样移到高频端。

  有人把这个原理应用到NiZn 铁氧体镀膜上,开发出用于准微波频段的电磁噪场抑制体。

  改变铁氧体镀膜条件,可以改变材料的高频性能。另外,向铁氧体中添加微量的Co,会使Fe2+和Co2+的磁各向异性相抵消,从而提高磁导率。图13是有人报道加Co的NiZn 铁氧体膜的磁导率与频率之关系曲线。从图中看到,其μ′=120,共振频率fr=900MHz,在GHz频段的μ″值也可达到数十以上,作为电磁噪声抑制体,镀膜显示出良好的性能。最近,有人介绍,成膜时加上磁场,可以附加感生磁各向异性。

  有人在微带线μm厚的NiZn铁氧体膜,得到反射损耗在10%(-12dB)以下,到5GHz有70%(-6.9dB)的磁损耗,说明这种膜可以实际用作电磁噪声吸收体。铁氧体镀膜的最大优点是不需要抽真空,可以在低真空下形成高性能的薄膜,估计,今后会有大的发展前途。

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