第３６卷第６期 ２０１３－￣年 １１月 兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡ ＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ Ａ．ＮＤ ＥＮＧＩｌＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．６ ５ＩＯ，Ｖ．． ２Ｏ１３ 网络出版时间：２０１３／１０／２８ １５：００：４４ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｉｄ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３３．１３３１．ＴＪ．２０１３１０２８．１５００．００６．ｈｔｍｌ 基于Ｓｍｉｔｈ圆图的吸波材料阻抗匹配设计 陈鑫，刘祥萱 （第二炮兵工程大学，陕西西安７１００２５） 摘要采用Ｓｍｉｔｈ圆图对尖晶石镍铁氧体的输入阻抗进行表征，并根据传输线理论计算不同涂层厚度下尖晶石镍铁氧 体的反射率。结果表明，Ｓｍｉｔｈ圆图中输入阻抗越接近点（ｏｒ＝１，卢＝Ｏ），阻抗匹配性越好，反射率也越小。这为基于ｓｎ ｉｔｈ圆 图的吸波材料阻抗匹配设计应用奠定了基础。 关键词吸波材料；阻抗匹配；Ｓｍｉｔｈ圆图；设计 中图分类号ＴＢ３４ 文献标志码Ａ 文章编号１００４—２４４Ｘ（２０１３）０６－００９８一－０３ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒａｄａｒ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ Ｓｍｉｔｈ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ＣＨＥＮ Ｘｉｎ．ＬＩＵ Ｘｉａｎｇｘｕａｎ （Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００２５，Ｃｈｉｎａ） Ａ．ｂａｔｒａｅｔ Ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｓｐｉｎｅｌ ｎｉｃｋｅｌ ｆｅｒｒｉｔｅ ｗａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ Ｓｍｉｔｈ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｓｐｉｎｅｌ ｎｉｃｋｅｌ ｆｅｒｒｉｔｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｏａｔｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｈｎｅ ｔｈｅｏｒｙ．．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｒ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｎ ｈｅ ｔＳｍｉｔｈ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｉｓ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ（ａ＝ｌ，口＝０），ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｉｓ，ａｎｄ ｈｅｔ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｉｓ，ｗｈｉｃｈ ｌａｙｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｍｉｔｈ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｉｎ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． 、 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ；Ｓｍｉｔｈ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ；ｄｅｓｉｇｎ 电磁波入射进入介质时，一般会发生电磁波的透 射与反射，而吸波材料研制过程中必须考虑电磁波的 层厚度下尖晶石镍铁氧体的反射率，并将两者的结粜 进行对比。 反射，这是因为反射系数大的材料其吸波性能不能充 分发挥，反射的电磁波也容易被对方的雷达侦测设备 接收探测。因此，当电磁波入射到介质表面时，必须 尽量减小反射率，同时提高材料的吸波能力。要达到 上述目标，需要研究材料的电磁参数阻抗匹配的条 件。但是一般阻抗匹配关系式都比较复杂，有的是复 数超越方程，各参数与材料的反射率之间的对应关系 并不明晰，因而很难直接用来指导吸波材料的设计。 为此，人们发展了多种方法求解这类方程，但到目前 为止，还没有适合吸波材料设计的通用公式或曲 线［１－２１。Ｓｍｉｔｈ圆图是Ｐ．Ｈ．Ｓｍｉｔｈ于１９３９年在贝尔实验 室发明的，主要用于计算微波网络的阻抗、导纳及网 络阻抗匹配度设计，还可用于设计微波元器件ｂ］。由 于Ｓｍｉｔｈ圆图具有简化计算、方便直观等优点，多年来 直深受设计人员的喜爱。从吸波材料的阻抗匹配 一１ Ｓｍ ｉ ｔｈ圆图 Ｓｍｉｔｈ圆图是反射系数（伽马，以符号， 表示）的 极坐标图 。反射系数也可以从数学上定义为单端口 散射参数，即ｓ１ｌ。Ｓｍｉｔｈ圆图的实质就是ｚ平面和ｒ平 面两个复平面之间的映射。Ｓｍｉｔｈ圆图又分为阻抗 ｝ 图和导纳圆图两种类型，采用归一化阻抗和归一化导 纳后，将阻抗圆图旋转１８０。得到导纳圆图（也称电抗 图）。 当处理Ｓｍｉｔｈ圆图中的阻抗时，通常采用归一化 量，采用小写字母来表示这些量。归一化常数通常足 传输线的特征阻抗。因此ｚ＝Ｚ／Ｚｏ代表阻抗ｚ的归一 化值。 若特征阻抗为ｚ。的无耗传输线端接一个负载阻 抗ｚ ，则负载上的反射系数表达式 ，＝ ＝ 。 （１） 设计角度出发，利用Ｓｍｉｔｈ圆图对尖晶石镍铁氧体的 阻抗匹配设计进行研究，利用传输线理论计算不同涂 收稿１３期：２０１３—０４—０４；修回１３期：２０１３．．－０５—０６ 作者简介：陈鑫，男，硕士；主要从事磁性吸波材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｘｉｎ＿１０１６＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｎｒ．ｃｎ。 通信作者：刘祥萱，女，博士生导师，教授；主要从事雷达隐身材料方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｎｇｘｕａｎｓｔｕｄｙ＠ｓｉｎａ．Ｃｌｌ。 １００ 兵器材料科学与工程 第３６卷 反射，这是理想匹配的情况。此时，在理想的匹配厚 度情况下，样品的输入阻抗 经过Ｓｍｉｔｈ圆图中的（ｏ／＝ １，』Ｂ＝０）点。而对于有限匹配的情况，其输入阻抗可表 示： 好的微波反射吸收性能。 ２）尖晶石镍铁氧体的反射吸收，在涂层厚为６’３ ｍｍ、６．０８ ＧＨｚ时达到一２１ ｄＢ。证明输入阻抗是否匹配 是微波吸收性能的关键，Ｓｍｉｔｈ图的分析正确，其分析 结果与反射吸收的结果一致。说明输入阻抗决定样 品微波吸收性能的好坏。 ｎｈ［ 讣ｊ ］。 （１０） Ｓｍｉｔｈ圆图中输入阻抗越接近点（ ＝１，３＝０），即输 入阻抗的实部和虚部匹配较好时，样品的吸波性能也 较好。当样品的厚度不断变化时，其输人阻抗在Ｓｍｉｔｈ 圆图中的变化比较明显。从图１可以看出，当样品Ａ 的厚从２．０ ｍｍ增加到８．０ ｍｌｎ时，其输入阻抗从０ｃ＜１ 增加到 ＞１，在６－３ ｍｍ附近，无论增加或者减小样品 的厚度，其阻抗均远离（ ＝１，卢＝０）的点。这意味着，样 品厚为６．３ ｍｍ，其阻抗匹配最好，反射损耗达到最小值。 图３为根据传输线理论计算的立方晶系尖晶石型 ＮｉＦｅ：Ｏ 镍铁氧体的反射率。当反射吸收为一２０ ｄＢ时， 样品对电磁波的吸收为９９％；当反射吸收为一ｌ０ ｄＢ，样 品对电磁波的吸收为９０％。可以看出，随着样品厚度 的增加，反射吸收峰向低频段移动。在６．０８ ＧＨｚ时达 到～２１ ｄＢ，其小于一１０ ｄＢ的吸收频带是４～６．８８ ＧＨｚ，对 应匹配的厚为６～８ ｍｍ。在样品厚为６．３ ａｍ，其反射吸 收达到最小值，与前面Ｓｍｉｔｈ圆图的结果一致。 ｌｆＧＨｚ 图３镍铁氧体的反射率 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｎｉｃｋｅｌ ｆｅｒｒｉｔｅ ４结论 １）Ｓｍｉｔｈ圆图中输人阻抗越接近点（０ｃ：１，３＝０），即 输入阻抗的实部和虚部匹配较好时，吸波材料具有较 ３）通过调节吸波材料的厚度，能够有效调节样品 的输入阻抗，使其达到较好的阻抗匹配，对制备性能 优良的吸波剂具有指导意义。 ５参考文献 ［１］王振军，李克智，王闯，等．羰基铁粉一碳纤维水泥基复合材 料的吸波性能［Ｊ］．硅酸盐学报，２０１１，３９（１）：６９—７４． ［２］丁世敬，葛德彪，黄刘宏．电磁吸波材料中的阻抗匹配条件 ［Ｊ］．电波科学学报，２００９，２４（６）：１１０４—１１０８． 【３ Ｊ Ｈ Ｓｏｂｏｌ，Ｋ Ｔｏｍｉｙａｓｕ．Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ ｌＪ ｊ．Ｍｉｃｒｏ— ｗａｖｅＴｈｅｏｒｙ ａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００２，５０（３）：５９４—６１１． ［４］Ｚｅｌｌｅｙ Ｃ，Ｎａｎｏｔｅｃｈ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ，Ｂｒｉｓｔｏｈ Ａ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａ— ｔｉｏｎ ｆｏ ｔｈｅ Ｓｍｉｔｈ ｃｈａｒｔ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍａｇａｚｉｎｅ，ＩＥＥＥ，２００７，８ （３）：６０—６６． ［５］崔荣振．羰基铁微粉复合物微波吸收性能的优化［Ｄ］．兰 州：兰州大学，２０１１． １６Ｊ Ｈｕａｎｇ Ｙ Ｑ，Ｙｕａｎ Ｊ，Ｓｏｎｇ Ｗ Ｌ，ｅｔ １ａ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａ— ｔｅｒｉａｌｓ：ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｒｅａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｉｄｅａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｉ— ｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ［Ｊｊ．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１０，２７（２）： ０２７７０２． ［７］陈雪刚，叶瑛，程继鹏．电磁波吸收材料的研究进展［Ｊｊ．无 机材料学报，２０１１，２６（５）：４４９—４５７． ［８］甘治平，官建国，王维．单层均匀吸波材料电磁参数的匹配 研究［Ｊ］．航空材料学攒，２００３，２２（２）：３７—４０． ［９］陈鑫，刘祥萱，刘渊．占空比和羰基铁含量对镍铁氧体＠羰 基铁核壳粉体吸波性能的影响Ｉｓ］．电子元件与材料，２０１３， ３２（２）：２１—２５． ［１０］Ｌｉ ｚ Ｗ，Ｌｉｎ Ｇ Ｑ，Ｋｏｎｇ Ｌ Ｂ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｃｓ ｏｆ Ｃ０２ｚ ｂａｒｉｕｍ ｆｅｒｒｉｔｅｅｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎ— ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｌＪ Ｊ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２００８，４４ （１０）：２２５５—２２６１．
