EMC电波暗室用铁氧体吸波体设计及性能分析
摘 要：铁氧体吸波体是保证EMC屏蔽暗室符合FCC及IEC标准低频性能要求的关键元件，将其直接贴在屏蔽室的金属壁上，可最大限度地吸收电磁波的低频部分，工作带宽达30～1000MHz。本文通过理论分析，给出了铁氧体吸波体的吸波性能与其磁损耗角正切之间的数学表达式，并对用于吸波体的典型铁氧体材料 进行了性能分析，在此基础上，总结出了几点对开发铁氧体吸波体具有指导意义的设计准则，最后介绍了本公司研制、生产的铁氧体吸波体系列产品。
关键词：EMC 电波暗室 铁氧体吸波体 铁氧体
1.引言
电波暗室主要用于替代开阔场地（OATS）进行电磁干扰(EMI)的测试。一些辐射干扰敏感度的测试也可以在电波暗室中进行。电波暗室一般分为标准10米法、标准5米法、标准3米法及一些非标准尺寸（如小3米法）等。由于电波暗室在屏蔽室内模拟开阔场地的测试环境，因此必须对屏蔽室墙壁上的反射进行有效抑制。FCC和欧盟标准要求EMC测试的频率下限为30MHz，因此EMC电波暗室必须在这一频率范围内提供可接受的测试精度。国际电工委员会(IEC)定义了测试电子设备辐射敏感度的均匀场要求的频率范围最低到26MHz，高到几GHz。通常EMC电波暗室要在低频端（即30MHz到150MHz）满足辐射干扰测试的场地要求是颇具挑战性的问题，其中最关键的问题在于射频吸收体在低频范围的性能。
用于EMC屏蔽半暗室的射频吸波体可以分成三类：电（绝缘）吸波体、磁性吸波体（铁氧体）、以及复合吸波体（铁氧体和泡沫塑料的复合体）。磁性吸波体主要是通过与电磁波的磁场相互作用来吸收其能量。由于在金属表面的磁场最强，因此可以充分发挥金属屏蔽室墙壁的优势。通过将磁性吸波体安装在屏蔽墙上，可加强其吸波性能，使其发挥最佳功效。商业上有三种不同的磁性吸波体：即薄片式、方格式铁氧体以及橡胶基硅片。薄片式、方格式铁氧体的主要成分是NiZn铁氧体，通过陶瓷工艺以获得高的磁导率和高的磁损耗角正切来保证其优良的吸波性能。通过正确设计，厚度仅几毫米的磁性吸波体在30MHz的低频端都具有很好的对法向入射波的吸收能力。
本公司运用优化设计方法，研制成功了铁氧体吸波元件系列，其中目前国内外EMC屏蔽暗室使用最多的两种规格的铁氧体吸波体已投入批量生产。由于采用了一系列先进工艺技术，该系列产品经有关方面初步测试，认为其各项性能指标已达到了国外同类产品水平。

图1 贴在金属屏蔽墙上的铁氧体吸波体
2．理论分析
图1是贴在金属屏蔽墙上的铁氧体吸波体的典型情况。其反射系数可表示为：
(1)
其中：
Γ为反射系数
ηo为自由空间波阻
ηt为贴在金属表面上铁氧体吸波体的波阻，可表示为：

其中：
μr为复数磁导率；
εr为复介电常数；
t为铁氧体体的厚度；
λo为自由空间波长。
在低频部分，由于铁氧体吸波体的厚度比电磁波的波长要小得多，因此：

所以，铁氧体墙的波阻可以简化为：

从该式可以看出，在低频范围内复介电常数对铁氧体体波阻的影响可以忽略不计。将该式代入（1）式，并且 μr=反射系数可以进一步表示为：

同时由于在30MHz的低频段附近， ，因此反射率可以最终简化为：

该式给出了铁氧体吸波体对垂直入射电磁波的反射性能与其固有的磁损耗角正切的简单关系，表明了提高铁氧体磁损耗角正切可以提高其吸波性能，这对铁氧体吸波体的设计具有直接指导作用。
3．性能分析
本公司开发的铁氧体吸波体系列产品主要以公司已通过鉴定的R2K5射频宽带NiZn铁氧体材料为主导配方。图2给出了R2K5材料的相对磁导率，图3是该材料分别利用（1）式和（6）式计算的反射率。从图3可以看出，（6）式在50MHz以下都给出了很好的结果，在大约100MHz以上差别较大，这说明了复介电常数在高频段对反射率的影响。

图2 R2K5材料的相对磁导率 图3 由(1)式和(6)式计算的反射率
从图4可以看出，在100MHz以下，介电常数基本上保持不变，且其虚部可以忽略不计。这也进一步说明，铁氧体吸波材料的设计应当主要考虑磁导率的影响。
根据（1）式计算吸波体厚度t对反射率的影响，如图5所示。可以看出，在低频段，厚度对吸波性能具有显著影响，吸波体越厚吸波性能越好，但厚度的增加意味着重量的增加，这对安装和使用成本控制都是不利因素。

图4 R2K5材料的介电常数 图5 吸波体厚度对吸波性能的影响
4．设计准则
根据以上的理论和计算分析，可以得出以下几点关于铁氧体吸波体的设计准则：
(1)铁氧体吸波体设计的关键在于提高低频（30MHz附近）部分的吸波性能；
(2)在低频部分，铁氧体吸波体的吸波性能与其固有的磁损耗角正切有直接关系，提高铁氧体磁损耗角正切可以直接提高其低频吸波性能；
(3)在低频部分，铁氧体吸波体的厚度对吸波性能具有显著影响，吸波体越厚其吸波性能越好，设计中应综合考虑吸波体的厚度及其重量的影响。
(4)介电常数对吸波性能的影响主要在100MHz以上的高频部分。
5．本公司生产的铁氧体吸波体系列产品
本公司研制成功的铁氧体吸波体系列产品，采用具有高磁损耗角正切的NiZn铁氧体材料，运用500-1000吨大吨位自动液压精密成型、精确温控保形烧结以及全六面高精度研磨等一系列先进技术，产品的电气性能和外观尺寸已达到国外同类产品水平，已通过了国内有关方面和日本厂商的初步测试和认定，反映良好。目前，公司已开发出矩形（薄片式、方格式）、瓦形和锥形等铁氧体吸波元件，其中有两种型号和规格已批量生产，如表1所示。

6．结论
EMC电波暗室要在低频端（即30MHz到150MHz）满足辐射干扰测试的场地要求的关键在于射频吸收体在低频范围的性能。通过正确设计，厚度仅几毫米的铁氧体吸波体在30MHz的低频端都具有很好的对法向入射波的吸收能力。本文建立了铁氧体吸波体设计的理论模型，利用该模型对公司新近研制成功的R2K5材料进行了吸波体的设计和性能分析，并在此基础上总结出了关于铁氧体吸波体的设计准则。运用这些准则，本公司成功地设计和生产了两种目前使用最广的铁氧体吸波体，其电气性能和机械性能已达到了国外同类产品水平。■