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为抑制空腔谐振选择吸波材料

来源: 分类:公司厂家 查看:0次 时间:2022年11月29日

为抑制空腔谐振选择吸波材料

今天,很多微波电路设计人员都注意到,在微波电路板处于一个封闭的环境中时,这些微波电路便发挥不了原先预测的应有性能。内部产生的空腔谐振将改变某些电路元件正确工作所需要的阻抗。随着微波电路工作频率不断增加,此问题在电路设计中越来越普遍。

微波吸收材料已被证明能够有效解决空腔谐振问题,更重要的是根据应用要求而选用合适的吸波材料。

什么是空腔谐振?

封闭空间内电磁场方程的解显示驻波模式可能存在。若矩形空腔中最长尺寸大于或等于自由空间波长的一半,这些驻波模式就可能存在。若频率在此截频点以下,空腔谐振就无法存在。

图2显示了一个尺寸为a、b、c的矩形空腔,空腔内填满了一种均匀材料。

图2:尺寸为a、b、c的矩形空腔,内部填满了一种均匀的材料

空腔谐振可以出现在以下频率:

其中,ε是材料的电容率,μ是材料的磁导率,m、n和p都是整数。

在这种配置下,TE222模式为主模,因为该模式发生在空腔谐振能够存在的最低频率。从式可以看到,此主谐振模可存在的频率与材料参数幅度ε和μ乘积的平方根成反比。如果电路的工作频率在空腔的截频点以下,将不会存在空腔谐振问题,因为根据式可以排除空腔谐振的存在性。

空腔谐振有什么问题?

当一个电路被顺利地设计、制造且运作良好,但又需要用电路板盖板作为保护或者屏蔽的时候,空腔谐振将成为一个问题。为达到屏蔽的目的,盖板采用金属制成或在内膜上布满金属。这将在谐振可能存在的电路板上方形成一个空腔。当工作频率达到微波和毫米波段时,空腔谐振影响已经成为一个主要问题。

在完美导体包围的矩形空腔中,TE222模式电磁场方程的解如下所示:

在公式~中,x、y和z轴已分别被指定为空腔最短、次短和最长的尺寸,另外,E2被定义为规范化电场强度。我们从和式中的j注意到,驻波具有E场和H场彼此相差92o的特性。整个空腔内瞬态电场强度和磁场强度之比将作为位置函数而剧烈波动,从而对电路造成未知的影响,包括引入了有源器件的不稳定性。在空腔壁处,H场将达到最大值,这可能会导致在这些谐振频率处,屏蔽效能被减弱。通常,被认为是需要留意屏蔽材料的屏蔽问题,实际上却是空腔谐振问题。

解决空腔谐振问题

任何解决空腔谐振问题的目标,都是去降低关键点的电压驻波比。这些关键点可能是有源器件,微带滤波器,或者甚至是连接到其他电路元件简单直通线的输入或输出。如果可以减小空腔尺寸,截频点将可能被提升到很高的数值,而不会在电路中产生空腔谐振问题。然而,加大空腔尺寸而又不对电路产生不利影响通常不可能实现。

将某一特定电路元件重新定位到空腔内的不同位置也可以解决这个问题。另外,巧妙地分隔空间对抑制驻波也很有帮助,但这两种方法会令工程设计时间增长并可能延误生产。

在空腔内使用微波吸收材料已被证明对抑制空腔谐振非常有效。吸波材料拥有极高的电容率和磁导率,以及高损耗值。由电容率和磁导率的基本定义可知,它们分别代表储存电能和磁能的能力。将此概念引入空腔情形,电磁场方程的解表明能量主要存在于高电容率或高磁导率的材料。这将减少空腔空区域内的可用能量,从而减少阻抗变化和对电路的影响。

图2是一个空腔内驻波场电磁仿真的示例。图中显示的是一个谐振频率为4.57GHz、3×5×2.8英寸空腔的TE232模式。三个不同的图代表三个不同相位点的驻波场强。请留意能量如何均匀地分布在空腔内。

图2:空腔内驻波场电磁仿真示例

图3显示的是图2所示相同空腔的电磁仿真,但在空腔内加入了一块薄磁损耗吸波材料。请留意电磁能量几乎全部驻留在吸波材料之中。使用吸波材料将显著降低空腔内空区域的VSWR。

图3:与图2所示相同空腔的电磁仿真,但在空腔内加入了一块薄磁损耗吸波材料

对部分填充空腔内的场进行电磁建模非常直接简单,但在计算上稍显繁复。图2和图3花了近一天时间得以完成。新版的一般电路建模软件将具备吸波材料参数库,以帮助预测引入吸波材料的影响。

为抑制空腔谐振应用选择合适的吸波材料

在选择吸波材料之前,认识到用于自由空间中的吸波材料和用于空腔中的吸波材料的区别非常重要。自由空间吸波材料的特点是,在特定频率或狭窄的频率范围谐振。这是由于材料在四分之一波长厚度时,在自由空间中吸收效果最好,当然,这只发生在一个频率。例如,ECCOSORB SF-22是一种磁负载自由空间吸波材料,谐振频率为22GHz。其物理厚度为2.256英寸,可降低金属表面反射达22dB。

在此频率产生谐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间的单一频率产生谐振。大多数微波吸收材料在本质上都可以吸收微波频段内大范围频率的能量,在微波频段内,典型材料损耗正切会随着频率的增加而减少。但是,由于波长也会同时缩短,每厘米传播的总衰减损耗将会增加。如前文所述,高电容率、高磁导率,以及高损耗值都将可取。在可能放置吸波材料的空腔壁处,驻波E场的正切值为零,而H场则达最大值,这将使磁性吸波材料更加有效,即使价格相对较高。

在选择空腔谐振吸波材料时需要考虑的重要因素包括:吸波材料基材,厚度,空腔内吸波材料的安装位置,易用性,以及成本。

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