今天，很多微波電路設(shè)計(jì)人員都注意到，在微波電路板處于一個(gè)封閉的環(huán)境中時(shí)，這些微波電路便發(fā)揮不了原先預(yù)測(cè)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(wèn)題在電路設(shè)計(jì)中越來(lái)越普遍。

微波吸收材料已被證明能夠有效解決空腔諧振問(wèn)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(chǎng)方程的解顯示駐波模式可能存在。若矩形空腔中最長(zhǎng)尺寸大于或等于自由空間波長(zhǎng)的一半，這些駐波模式就可能存在。若頻率在此截頻點(diǎn)以下，空腔諧振就無(wú)法存在。

圖1顯示了一個(gè)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?yàn)樵撃Ｊ桨l(fā)生在空腔諧振能夠存在的最低頻率。從(1)式可以看到，此主諧振模可存在的頻率(截頻點(diǎn))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(diǎn)以下，將不會(huì)存在空腔諧振問(wèn)題，因?yàn)楦鶕?jù)(1)式可以排除空腔諧振的存在性。

空腔諧振有什么問(wèn)題？

當(dāng)一個(gè)電路被順利地設(shè)計(jì)、制造且運(yùn)作良好，但又需要用電路板蓋板作為保護(hù)或者屏蔽的時(shí)候，空腔諧振將成為一個(gè)問(wèn)題。為達(dá)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(gè)空腔。當(dāng)工作頻率達(dá)到微波和毫米波段時(shí)，空腔諧振影響已經(jīng)成為一個(gè)主要問(wèn)題。

在完美導(dǎo)體包圍的矩形空腔中，TE011模式電磁場(chǎng)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(zhǎng)的尺寸，另外，E0被定義為規(guī)范化電場(chǎng)強(qiáng)度。我們從(2)和(3)式中的j注意到，駐波具有E場(chǎng)和H場(chǎng)彼此相差90o的特性。整個(gè)空腔內(nèi)瞬態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之比將作為位置函數(shù)而劇烈波動(dòng)，從而對(duì)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(chǎng)將達(dá)到最大值，這可能會(huì)導(dǎo)致在這些諧振頻率處，屏蔽效能被減弱。通常，被認(rèn)為是需要留意屏蔽材料的屏蔽問(wèn)題，實(shí)際上卻是空腔諧振問(wèn)題。

解決空腔諧振問(wèn)題

任何解決空腔諧振問(wèn)題的目標(biāo)，都是去降低關(guān)鍵點(diǎn)的電壓駐波比(VSWR)。這些關(guān)鍵點(diǎn)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(jiǎn)單直通線的輸入或輸出。如果可以減小空腔尺寸，截頻點(diǎn)將可能被提升到很高的數(shù)值，而不會(huì)在電路中產(chǎn)生空腔諧振問(wèn)題。然而，加大空腔尺寸而又不對(duì)電路產(chǎn)生不利影響通常不可能實(shí)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(gè)問(wèn)題。另外，巧妙地分隔空間對(duì)抑制駐波也很有幫助，但這兩種方法會(huì)令工程設(shè)計(jì)時(shí)間增長(zhǎng)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(duì)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(chǔ)存電能和磁能的能力。將此概念引入空腔情形，電磁場(chǎng)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(duì)電路的影響。

圖2是一個(gè)空腔內(nèi)駐波場(chǎng)(指定E、H或者兩者)電磁仿真的示例。圖中顯示的是一個(gè)諧振頻率為4.57GHz、3×5×0.8英寸空腔的TE032模式。三個(gè)不同的圖代表三個(gè)不同相位點(diǎn)(0o，45o，112.5o)的駐波場(chǎng)強(qiáng)(以伏特計(jì)算)。請(qǐng)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(chǎng)(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(qǐng)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(duì)部分填充空腔內(nèi)的場(chǎng)進(jìn)行電磁建模非常直接簡(jiǎn)單，但在計(jì)算上稍顯繁復(fù)。圖2和圖3花了近一天時(shí)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(kù)，以幫助預(yù)測(cè)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(rèn)識(shí)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(diǎn)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(zhǎng)厚度時(shí)，在自由空間中吸收效果最好，當(dāng)然，這只發(fā)生在一個(gè)頻率。例如，ECCOSORB SF-10是一種磁負(fù)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(dá)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(huì)隨著頻率的增加而減少。但是，由于波長(zhǎng)也會(huì)同時(shí)縮短，每厘米傳播的總衰減損耗將會(huì)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(chǎng)的正切值為零，而H場(chǎng)則達(dá)最大值，這將使磁性吸波材料更加有效，即使價(jià)格相對(duì)較高。

在選擇空腔諧振吸波材料時(shí)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(duì)每點(diǎn)都分別進(jìn)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(xì)看制造商目錄將會(huì)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(gè)密閉空間內(nèi)，這并不是一個(gè)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(fù)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(diǎn)是高電容率，高磁導(dǎo)率，以及高磁損耗。基材通常是橡膠，例如：硅膠或聚氨酯膠。常用的材料包括ECCOSORB MCS，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(duì)于較高頻段，ECCOSORB GDS(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(gè)共同的品質(zhì)因數(shù)是，它們都用分貝每厘米來(lái)表示衰減能力。該數(shù)值由被測(cè)參數(shù)計(jì)算得到，是衡量材料吸收特性一個(gè)有用的標(biāo)準(zhǔn)。它不同于插入損耗，因?yàn)樗⒉话▉?lái)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?jī)A向于駐留在吸波材料內(nèi)部(因此遠(yuǎn)離電路)，同時(shí)高吸收率會(huì)降低空腔的Q值，從而降低VSWR。圖4顯示了一種設(shè)計(jì)用于微波頻段的吸波材料相對(duì)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(duì)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(duì)磁導(dǎo)率的實(shí)部很高(在2GHz約為4)，同時(shí)，相對(duì)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(qǐng)注意，相對(duì)電容率比相對(duì)磁導(dǎo)率高出很多非常常見(jiàn)。

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(chǎng)為零而磁場(chǎng)達(dá)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(shí)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(shí)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(duì)便宜的價(jià)格予以補(bǔ)償。用于該應(yīng)用的一種典型的電介質(zhì)吸收材料是ECCOSORB LS-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(gè)問(wèn)題是這種材料能夠?qū)щ姡?dāng)它接觸到電路上的有源器件時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。但是可以通過(guò)噴涂絕緣層或者使用聚乙烯薄膜來(lái)降低此風(fēng)險(xiǎn)。

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(chǎng)上也是最受歡迎的材料。市場(chǎng)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(jiǎn)單，因?yàn)橹C振抑制效果與厚度成正比。同時(shí)，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(shí)，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(huì)小于0.125英寸。

空腔內(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(méi)有必要將其全部貼滿。然而不幸的是，由于用來(lái)確定吸波材料最佳安裝位置的分析工具尚未開(kāi)發(fā)出來(lái)，工程師往往需要采用剪切粘貼和反復(fù)試驗(yàn)的方法。因此，出于這一原因，吸波材料供應(yīng)商一般都會(huì)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?yàn)橛袝r(shí)吸波材料用于抑制空腔諧振，有時(shí)又用于將VSWR峰值轉(zhuǎn)移到較有利的位置。

幸運(yùn)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(gè)好的出發(fā)點(diǎn)。大多數(shù)空腔基本都呈矩形形狀，因此，(1)式可以用來(lái)確定可能的諧振頻率。通常，僅需要對(duì)主模進(jìn)行抑制。在這種情況下，場(chǎng)將會(huì)在空腔的中點(diǎn)位置達(dá)到一個(gè)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(duì)引起問(wèn)題頻率的認(rèn)識(shí)，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?yàn)樗苊饬耸褂寐闊┑娜軇┎牧虾驼澈蟿椰F(xiàn)今壓敏材料的粘接質(zhì)量也非常出色。如果是長(zhǎng)期的應(yīng)用，可采用環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(méi)有計(jì)入吸波材料的成本。事實(shí)上，吸波材料有時(shí)仍被認(rèn)為僅是在工程師設(shè)計(jì)出現(xiàn)缺陷后用來(lái)補(bǔ)救的東西。不過(guò)，相比于重新設(shè)計(jì)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(wèn)題經(jīng)濟(jì)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(gè)殼體可以容納一個(gè)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(gè)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(wèn)題，那么硅橡膠磁性吸波材料將是最好的選擇。使用壓敏(PSA)膠帶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，因此以各種厚度做試驗(yàn)來(lái)確定能夠滿足要求的最薄尺寸將非常值得。最后，這也是審慎的做法，即以不同安裝位置做試驗(yàn)，來(lái)確定解決空腔諧振問(wèn)題所必需的最小覆蓋范圍。

本文小結(jié)

隨著電路工作頻率的增加速度較電路板空腔尺寸的減少速度更快，空腔諧振的問(wèn)題將只會(huì)變得越來(lái)越普遍。聰明的工程師可以采用重新設(shè)計(jì)來(lái)解決這些問(wèn)題，但是往往最快和最具成本效益的解決方案，卻是使用吸波材料來(lái)抑制空腔諧振。