为抑制空腔谐振选择吸波材料

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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。
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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。

3 h: i  d$ e& n; ^8 S; k9 F什么是空腔谐振？

封闭空间(空腔)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。

( J; H- r  e3 C8 Z图1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。



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。
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1 ]3 W; B. }/ M+ v在这种配置下，TE011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(1)式可以看到，此主谐振模可存在的频率(截频点)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(1)式可以排除空腔谐振的存在性。
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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。
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; {2 r  ]3 v: C3 e) B2 z3 e在完美导体包围的矩形空腔中，TE011模式电磁场方程的解如下所示：


图2：空腔内驻波场(指定E、H或者两者)电磁仿真示例
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4 {" G/ u& I' X! c$ d- @& E* e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。


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* r6 h! K& o% {图4：吸波材料的相对电容率和磁导率与频率的关系
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& ~( Z% O0 \& B% C1 I8 k图5：吸波材料的衰减程度(以分贝每厘米表示)与频率的关系

& U. u" @/ n  s如图4和图5所示，该材料的高电容率、高磁导率、高磁损耗正切值和高衰减能力，令其成为抑制空腔谐振的理想选择。相对磁导率的实部很高(在2GHz约为4)，同时，相对磁导率的虚部也很高(约为40)，这将使能量“希望”留在吸波材料内部。请注意，相对电容率比相对磁导率高出很多非常常见。
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仅含电介质(非磁性)属性的吸波材料也可以充当有效的空腔谐振吸收材料。但由于在导电壁处电场为零而磁场达最大值，电介质吸波材料在效果上不及磁性吸波材料。电介质吸波材料通常由加载导电液的聚氨酯泡棉材料构成。其可提供各种浓度，但与磁性吸波材料一样，高电容率(实数和虚数)将为吸收空腔谐振提供最佳性能。这些吸波材料同样需要较厚(0.125英寸或以上)，才能实现与磁性吸收材料相同程度的抑制效果，但是这通常可由这种电介质吸波材料相对便宜的价格予以补偿。用于该应用的一种典型的电介质吸收材料是ECCOSORB LS-26，它可提供不同厚度的选择。LS-26是一种轻量的聚氨酯泡棉吸收材料，如果空腔可以容纳较厚的吸波材料，电介质泡棉吸波材料是可行的解决办法。另一个问题是这种材料能够导电，当它接触到电路上的有源器件时可能会出现问题。但是可以通过喷涂绝缘层或者使用聚乙烯薄膜来降低此风险。
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6 o$ O5 c5 k; M% L  }* f选择吸波材料感兴趣的物理参数包括：耐温性能、除气性能和粘接性能。硅橡胶具有非常好的耐高温性能(177oC)和良好的除气性能，并且在现今市场上也是最受欢迎的材料。市场上可用的其他橡胶材料还包括：聚氨酯橡胶、丁腈橡胶和氯丁橡胶。
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厚度

选择吸波材料的厚度相当简单，因为谐振抑制效果与厚度成正比。同时，谐振抑制效果也与谐振频率成正比，这意味着，较高的频率可以使用较薄的材料。0.04英寸左右厚的磁性吸波材料已被证明能够有效应用于较低的微波范围(直到10GHz)，与此同时，0.02~0.03英寸厚度能够有效应用于较高的微波频段，而毫米波段则更是可以使用0.01英寸。而纯电介质(非磁性)吸波材料的厚度通常都不会小于0.125英寸。

空腔内吸波材料的安装位置

绝少情况下，空腔所有内壁需要贴满吸波材料，即使是其中一面内壁，也没有必要将其全部贴满。然而不幸的是，由于用来确定吸波材料最佳安装位置的分析工具尚未开发出来，工程师往往需要采用剪切粘贴和反复试验的方法。因此，出于这一原因，吸波材料供应商一般都会慷慨地为其提供样品。预先确定最佳安装放置比较困难，因为有时吸波材料用于抑制空腔谐振，有时又用于将VSWR峰值转移到较有利的位置。

幸运的是，吸波材料安装位置具有一些一般原则可以遵循。把吸波材料安放在驻波最大值处是一个好的出发点。大多数空腔基本都呈矩形形状，因此，(1)式可以用来确定可能的谐振频率。通常，仅需要对主模进行抑制。在这种情况下，场将会在空腔的中点位置达到一个最大值，该逻辑可很容易用于找出更高阶模式的最大值。确定(1)式中的m、n和p，再加上对引起问题频率的认识，将有助于确定最佳的吸波材料安装位置。

易用性
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橡胶和泡棉吸波材料，都可以轻松地用模具或者刀片切割。它们中大部分都配有不干胶压敏胶纸(PSA)。这已成为一般的选用方法，因为它避免了使用麻烦的溶剂材料和粘合剂，而且现今压敏材料的粘接质量也非常出色。如果是长期的应用，可采用环氧树脂直接在空腔中成形。此应用是利用双组份的液态环氧树酯吸波材料在盖板空腔合适的位置直接成形。

成本
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成本始终是最重要的考虑因素。一般情况下，大多数预算都没有计入吸波材料的成本。事实上，吸波材料有时仍被认为仅是在工程师设计出现缺陷后用来补救的东西。不过，相比于重新设计电路板盖板或者重新布置电路元器件而言，吸波材料确是消除问题经济高效的解决方案。

正如前文所提到的，泡棉电介质吸波材料最为便宜。如果一个壳体可以容纳一个1/8英寸厚度的吸波材料，并且不需要考虑除气性能，那么，泡棉电介质吸波材料是一个很好的选择。但是如果必须采用一种更薄的材料，和(或)需要避免除气问题，那么硅橡胶磁性吸波材料将是最好的选择。使用压敏(PSA)胶带是最具成本效益的吸波材料操作方式。由于越薄的吸波材料成本越低，因此以各种厚度做试验来确定能够满足要求的最薄尺寸将非常值得。最后，这也是审慎的做法，即以不同安装位置做试验，来确定解决空腔谐振问题所必需的最小覆盖范围。

本文小结

; Z+ K  @: r% b$ o- d" O( ~4 v$ c随着电路工作频率的增加速度较电路板空腔尺寸的减少速度更快，空腔谐振的问题将只会变得越来越普遍。聪明的工程师可以采用重新设计来解决这些问题，但是往往最快和最具成本效益的解决方案，却是使用吸波材料来抑制空腔谐振。
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6 i' g, d9 Z. [& O* p! i+ b& j6 |" C2. 本微信群由“兴森科技-安捷伦射频高速实验室”射频负责人，《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》电子工业出版社，主编徐兴福建立。