為抑制空腔諧振選擇吸波材料

為抑制空腔諧振選擇吸波材料今天，很多微波電路設(shè)計人員都注意到，在微波電路板處于一個封閉的環(huán)境中時，這些微波電路便發(fā)揮不了原先預(yù)測的應(yīng)有性能。內(nèi)部產(chǎn)生的空腔諧振將改變某些電路元件正確工作所需要的阻抗。隨著微波電路工作頻率不斷增加，此問題在電路設(shè)計中越來越普遍。微波吸收材料已被證明能夠有效解決空腔諧振問題，更重要的是根據(jù)應(yīng)用要求而選用合適的吸波材料。什么是空腔諧振？封閉空間(空腔)內(nèi)電磁場方程的解顯示駐波模式可能存在。若矩形空腔中最長尺寸大于或等于自由空間波長的一半，這些駐波模式就可能存在。若頻率在此截頻點以下，空腔諧振就無法存在。圖1顯示了一個尺寸為a、b、c的矩形空腔，空腔內(nèi)填滿了一種均勻材料。圖1：尺寸為a、b、c的矩形空腔，內(nèi)部填滿了一種均勻的材料空腔諧振可以出現(xiàn)在以下頻率：其中，ε是材料的電容率，μ是材料的磁導(dǎo)率，m、n和p都是整數(shù)。在這種配置下，TE011模式為主模，因為該模式發(fā)生在空腔諧振能夠存在的最低頻率。從(1)式可以看到，此主諧振?？纱嬖诘念l率(截頻點)與材料參數(shù)幅度ε和μ乘積的平方根成反比。如果電路的工作頻率在空腔的截頻點以下，將不會存在空腔諧振問題，因為根據(jù)(1)式可以排除空腔諧振的存在性。空腔諧振有什么問題？當(dāng)一個電路被順利地設(shè)計、制造且運作良好，但又需要用電路板蓋板作為保護或者屏蔽的時候，空腔諧振將成為一個問題。為達到屏蔽的目的，蓋板采用金屬制成或在內(nèi)膜上布滿金屬。這將在諧振可能存在的電路板上方形成一個空腔。當(dāng)工作頻率達到微波和毫米波段時，空腔諧振影響已經(jīng)成為一個主要問題。在完美導(dǎo)體包圍的矩形空腔中，TE011模式電磁場方程的解如下所示：在公式(2)~(4)中，x、y和z軸已分別被指定為空腔最短、次短和最長的尺寸，另外，E0被定義為規(guī)范化電場強度。我們從(2)和(3)式中的j注意到，駐波具有E場和H場彼此相差90o的特性。整個空腔內(nèi)瞬態(tài)電場強度和磁場強度之比將作為位置函數(shù)而劇烈波動，從而對電路造成未知(通常為不期望)的影響，包括引入了有源器件的不穩(wěn)定性。在空腔壁處，H場將達到最大值，這可能會導(dǎo)致在這些諧振頻率處，屏蔽效能被減弱。通常，被認為是需要留意屏蔽材料的屏蔽問題，實際上卻是空腔諧振問題。解決空腔諧振問題任何解決空腔諧振問題的目標(biāo)，都是去降低關(guān)鍵點的電壓駐波比(VSWR)。這些關(guān)鍵點可能是有源器件，微帶濾波器，或者甚至是連接到其他電路元件簡單直通線的輸入或輸出。如果可以減小空腔尺寸，截頻點將可能被提升到很高的數(shù)值，而不會在電路中產(chǎn)生空腔諧振問題。然而，加大空腔尺寸而又不對電路產(chǎn)生不利影響通常不可能實現(xiàn)。將某一特定電路元件重新定位到空腔內(nèi)的不同位置也可以解決這個問題。另外，巧妙地分隔空間對抑制駐波也很有幫助，但這兩種方法會令工程設(shè)計時間增長并可能延誤生產(chǎn)。在空腔內(nèi)使用微波吸收材料已被證明對抑制空腔諧振非常有效。吸波材料(特別是磁性種類)擁有極高的電容率和磁導(dǎo)率，以及高損耗值。由電容率和磁導(dǎo)率的基本定義可知，它們分別代表儲存電能和磁能的能力。將此概念引入空腔情形，電磁場方程的解表明能量主要存在于高電容率或高磁導(dǎo)率的材料。這將減少空腔(內(nèi)含微波電路)空區(qū)域內(nèi)的可用能量，從而減少阻抗變化和對電路的影響。圖2是一個空腔內(nèi)駐波場(指定E、H或者兩者)電磁仿真的示例。圖中顯示的是一個諧振頻率為4.57GHz、3×5×0.8英寸空腔的TE032模式。三個不同的圖代表三個不同相位點(0o，45o，112.5o)的駐波場強(以伏特計算)。請留意能量如何均勻地分布在空腔內(nèi)。圖2：空腔內(nèi)駐波場(指定E、H或者兩者)電磁仿真示例圖3顯示的是圖2所示相同空腔的電磁仿真，但在空腔內(nèi)加入了一塊薄磁損耗吸波材料。請留意電磁能量幾乎全部駐留在吸波材料之中。使用吸波材料將顯著降低空腔內(nèi)空區(qū)域的VSWR。圖3：與圖2所示相同空腔的電磁仿真，但在空腔內(nèi)加入了一塊薄磁損耗吸波材料對部分填充空腔內(nèi)的場進行電磁建模非常直接簡單，但在計算上稍顯繁復(fù)。圖2和圖3花了近一天時間得以完成。新版的一般電路建模軟件將具備吸波材料參數(shù)庫，以幫助預(yù)測引入吸波材料的影響。為抑制空腔諧振應(yīng)用選擇合適的吸波材料在選擇吸波材料之前，認識到用于自由空間中的吸波材料和用于空腔中的吸波材料的區(qū)別非常重要。自由空間吸波材料的特點是，在特定頻率或狹窄的頻率范圍諧振。這是由于材料在四分之一波長厚度時，在自由空間中吸收效果最好，當(dāng)然，這只發(fā)生在一個頻率。例如，ECCOSORBSF-10是一種磁負載自由空間吸波材料，諧振頻率為10GHz。其物理厚度為0.056英寸，可降低金屬表面反射達20dB。在此頻率產(chǎn)生諧振并不是材料的固有特性，而是由于材料厚度，使得吸波材料在自由空間的單一頻率產(chǎn)生諧振。大多數(shù)微波吸收材料在本質(zhì)上都可以吸收微波頻段內(nèi)大范圍頻率的能量，在微波頻段內(nèi)，典型材料損耗正切會隨著頻率的增加而減少。但是，由于波長也會同時縮短，每厘米傳播的總衰減損耗將會增加。如前文所述，高電容率、高磁導(dǎo)率，以及高損耗值都將可取。在可能放置吸波材料的空腔壁處，駐波E場的正切值為零，而H場則達最大值，這將使磁性吸波材料更加有效，即使價格相對較高。在選擇空腔諧振吸波材料時需要考慮的重要因素包括：吸波材料基材，厚度，空腔內(nèi)吸波材料的安裝位置，易用性，以及成本。本文對每點都分別進行了討論。吸波材料基材如之前所述，應(yīng)用于空腔諧振的吸波材料具有寬帶特性：材料本身在很寬的頻率范圍內(nèi)展示了高磁損耗和(或)高電介質(zhì)損耗。一些材料在較低的微波頻段內(nèi)擁有較好的吸收效果，而另一些則在較高的微波頻段及毫米波頻段內(nèi)擁有較好的吸收效果。細看制造商目錄將會發(fā)現(xiàn)，某些材料只在特定頻率發(fā)生諧振，并且通常都是窄帶。這并不適用于空腔諧振的情況。在一個密閉空間內(nèi)，這并不是一個考慮因素，而合適的度量應(yīng)為材料衰減能力、電容率和磁導(dǎo)率，這些才是反映材料抑制空腔諧振能力的較好指標(biāo)。含鐵或鐵氧體的磁負載吸波材料是空腔諧振最有效的吸波材料。這些材料的特點是高電容率，高磁導(dǎo)率，以及高磁損耗?；耐ǔＪ窍鹉z，例如：硅膠或聚氨酯膠。常用的材料包括ECCOSORBMCS，它使用不同磁性材料的混合材料，以在2GHz以下頻段發(fā)揮良好的吸收性能(厚度為0.04英寸)。對于較高頻段，ECCOSORBGDS(0.03英寸)或ECCOSORBBSR(0.01~0.1英寸)已被證明能夠有效抑制空腔諧振。這些材料一個共同的品質(zhì)因數(shù)是，它們都用分貝每厘米來表示衰減能力。該數(shù)值由被測參數(shù)計算得到，是衡量材料吸收特性一個有用的標(biāo)準(zhǔn)。它不同于插入損耗，因為它并不包括來自材料表面失配的反射。高電容率或高磁導(dǎo)率意味著能量傾向于駐留在吸波材料內(nèi)部(因此遠離電路)，同時高吸收率會降低空腔的Q值，從而降低VSWR。圖4顯示了一種設(shè)計用于微波頻段的吸波材料相對電容率和磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系。圖5則顯示的是該吸波材料衰減程度(以分貝每厘米表示)與頻率的關(guān)系。圖4：吸波材料的相對電容率和磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系圖5：吸波材料的衰減程度(以分貝每厘米表示)與頻率的關(guān)系如圖4和圖5所示，該材料的高電容率、高磁導(dǎo)率、高磁損耗正切值和高衰減能力，令其成為抑制空腔諧振的理想選擇。相對磁導(dǎo)率的實部很高(在2GHz約為4)，同時，相對磁導(dǎo)率的虛部也很高(約為40)，這將使能量“希望”留在吸波材料內(nèi)部。請注意，相對電容率比相對磁導(dǎo)率高出很多非常常見。僅含電介質(zhì)(非磁性)屬性的吸波材料也可以充當(dāng)有效的空腔諧振吸收材料。但由于在導(dǎo)電壁處電場為零而磁場達最大值，電介質(zhì)吸波材料在效果上不及磁性吸波材料。電介質(zhì)吸波材料通常由加載導(dǎo)電液的聚氨酯泡棉材料構(gòu)成。其可提供各種濃度，但與磁性吸波材料一樣，高電容率(實數(shù)和虛數(shù))將為吸收空腔諧振提供最佳性能。這些吸波材料同樣需要較厚(0.125英寸或以上)，才能實現(xiàn)與磁性吸收材料相同程度的抑制效果，但是這通常可由這種電介質(zhì)吸波材料相對便宜的價格予以補償。用于該應(yīng)用的一種典型的電介質(zhì)吸收材料是ECCOSORBLS-26，它可提供不同厚度的選擇。LS-26是一種輕量的聚氨酯泡棉吸收材料，如果空腔可以容納較厚的吸波材料，電介質(zhì)泡棉吸波材料是可行的解決辦法。另一個問題是這種材料能夠?qū)щ?，?dāng)它接觸到電路上的有源器件時可能會出現(xiàn)問題。但是可以通過噴涂絕緣層或者使用聚乙烯薄膜來降低此風(fēng)險。選擇吸波材料感興趣的物理參數(shù)包括：耐溫性能、除氣性能和粘接性能。硅橡膠具有非常好的耐高溫性能(177oC)和良好的除氣性能，并且在現(xiàn)今市場上也是最受歡迎的材料。市場上可用的其他橡膠材料還包括：聚氨酯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠。厚度選擇吸波材料的厚度相當(dāng)簡單，因為諧振抑制效果與厚度成正比。同時，諧振抑制效果也與諧振頻率成正比，這意味著，較高的頻率可以使用較薄的材料。0.04英寸左右厚的磁性吸波材料已被證明能夠有效應(yīng)用于較低的微波范圍(直到10GHz)，與此同時，0.02~0.03英寸厚度能夠有效應(yīng)用于較高的微波頻段，而毫米波段則更是可以使用0.01英寸。而純電介質(zhì)(非磁性)吸波材料的厚度通常都不會小于0.125英寸?？涨粌?nèi)吸波材料的安裝位置絕少情況下，空腔所有內(nèi)壁需要貼滿吸波材料，即使是其中一面內(nèi)壁，也沒有必要將其全部貼滿。然而不幸的是，由于用來確定吸波材料最佳安裝位置的分析工具尚未開發(fā)出來，工程師往往需要采用剪切粘貼和反復(fù)試驗的方法。因此，出于這一原因，吸波材料供應(yīng)商一般都會慷慨地為其提供樣品。預(yù)先確定最佳安裝放置比較困難，因為有時吸波材料用于抑制空腔諧振，有時又用于將VSWR峰值轉(zhuǎn)移到較有利的位置。幸運的是，吸波材料安裝位置具有一些一般原則可以遵循。把吸波材料安放在駐波最大值處是一個好的出發(fā)點。大多數(shù)空腔基本都呈矩形形狀，因此，(1)式可以用來確定可能的諧振頻率。通常，僅需要對主模進行抑制。在這種情況下，場將會在空腔的中點位置達到一個最大值，該邏輯可很容易用于找出更高階模式的最大值。確定(1)式中的m、n和p，再加上對引起問題頻率的認識，將有助于確定最佳的吸波材料安裝位置。易用性橡膠和泡棉吸波材料，都可以輕松地用模具或者刀片切割。它們中大部分都配有不干膠壓敏膠紙(PSA)。這已成為一般的選用方法，因為它避免了使用麻煩的溶劑材料和粘合劑，而且現(xiàn)今壓敏材料的粘接質(zhì)量也非常出色。如果是長期的應(yīng)用，可采用環(huán)氧樹脂直接在空腔中成形。此應(yīng)用是利用雙組份的液態(tài)環(huán)氧樹酯吸波材料在蓋板空腔合適的位置直接成形。成本成本始終是最重要的考慮因素。一般情況下，大多數(shù)預(yù)算都沒有計入吸波材料的成本。事實上，吸波材料有時仍被認為僅是在工程師設(shè)計出現(xiàn)缺陷后用來補救的東西。不過，相比于重新設(shè)計電路板蓋板或者重新布置電路元器件而言，吸波材料確是消除問題經(jīng)濟高效的解決方案。正如前文所提到的，泡棉電介質(zhì)吸波材料最為便宜。如果一個殼體可以容納一個1/8英寸厚度的吸波材料，并且不需要考慮除氣性能，那么，泡棉電介質(zhì)吸波材料是一個很好的選擇。但是如果必須采用一種更薄的材料，和(或)需要避免除氣問題，那