铁磁涂层碳纤维复合材料电磁防护性能仿真计算

陈卫涛 韩晋阳 贺应平（襄阳宏伟航空器有限责任公司，湖北 襄阳 441022）



铁磁涂层碳纤维复合材料电磁防护性能仿真计算

陈卫涛 韩晋阳 贺应平
（襄阳宏伟航空器有限责任公司，湖北 襄阳 441022）

摘 要：采用CST软件可以针对铁磁涂层碳纤维正交网格板进行模型建立并计算其电磁性能；仿真结果表明双层铁磁碳纤维在0.3GHz～4.0GHz频率内电磁波吸收率所占比重增加，3.0GHz高达38%；在0.3GHz～4.0GHz频率下电磁防护性能理论值达94%以上。

关键词：CST软件；铁磁涂层碳纤维；反射率；电磁防护

随着信息社会的飞速发展，电子产品的普及，电子产品给人们带来便利的同时对人类身体也带来一定的危害。为解决电磁辐射污染问题，当前主要采取使用电磁波屏蔽和吸收材料来抑制和防止电磁波的辐射和泄漏。但屏蔽材料会带来电磁波的自我反射干扰，而电磁波吸收材料是一种能够吸收衰减入射的电磁波、而反射和透射都很小的功能材料。采用吸波材料可以实现对辐射电磁波的吸收衰减，既抑制了外界电磁波对自身的干扰，又很少对外界辐射电磁波，国内对于碳纤维电磁吸收复合材料研究才刚刚开始。本文通过CST软件平台对3K铁磁涂层碳纤维进行建模和反射率、透射率仿真计算，对于各向异性的铁磁涂层碳纤维复合材料的电磁性能进行了理论验证。

1 铁磁涂层碳纤维结构模型

铁磁涂层碳纤维为3K碳纤维，等效为2.5×0.075mm的碳纤维薄片，网格间距取4mm，正方形排列的铁磁碳纤维材料电磁参数为各向异性，在构建网格中呈规律性取向分布，如图1所示。对于各向异性材料构成的吸波材料吸波性能的建模，将基于纤维复合材料严格矩阵形式的各向异性电磁参数，基于传输线模型，针对分层结构采用传输矩阵方法计算复合材料的电磁吸收性能。

图1铁磁涂层碳纤维结构模型

2 计算方法

结合电磁场相关算法，利用CST软件对其反射（S11）和透射（S21）进行了仿真计算，纤维吸波结构优化设计软件系统功能如图2所示，包括材料库管理、优化设置及计算、优化结果输出等功能模块。其中材料库管理模块包括新建材料库、编辑修改材料库和选用材料库等功能；优化设置与计算模块包括优化设置和优化计算等功能；优化结果输出模块包括优化方案报告、反射系数计算及导出优化结果等功能。X波段（8GHz～12GHz）和P波段（12GHz～18GHz）的连续铁磁碳纤维的电磁性能表征和部分测试工作，拟采用波导试样（分别进行0°和90°方向测试）和矢量网络分析仪方法测试其电磁参数。

填充待测试样介质的一段波导，构成二端网络，如图3所示。

图2电磁性能优化设计软件系统功能

图3 S参数流程图

图3是一个连接在传输线上的二端口装置，它受到来自两个方向的入射波激励。可以证明反射率（S11）和透射率（S21）表达式如下：

式中：Γ0为试样长度为无限长时介质表面的反射系数，即：

理想情况下，空波导和填充材料部分只存在TE10模。此时：

3 碳纤维吸波板反射率和透射率的CST仿真计算结果

通过建模利用CST电磁仿真软件对c1g4碳纤维排列结构吸波板的反射率和透射率进行了仿真，c1g4碳纤维板结构即铁磁碳纤正交网格间距取4mm，网格层数为双层。3K铁磁碳纤维电导率取10s/m，玻璃钢介电常数为3.2，图4为仿真结果。不难发现0.5GHz～4GHz频率范围内，反射率S11在-1dB～-4dB，并随着频率增大而逐步减小；透射率S21在 -20dB～-11dB，并随着频率增大而逐步增加。这与一般电磁屏蔽材料的电磁衰减性能变化趋势相吻合。

图4

图4为反射率R（S11）和透射率T （S21）CST仿真结果（4mm，10s/m）。

根据能量守恒，电磁波入射能量p0、电磁波反射能量pr、电磁波吸收能量pa和电磁波透射能量pt关系如公式（6）。

如果以反射率、吸收率、透射率表示，存在如（7）所示表达式：

其中：R为反射率，A为吸收率，T为透射率。

根据反射率和透射率可以求出吸收率，表1为计算结果，可以看出，随着频率的升高，铁磁碳纤维复合材料板的电磁性能所占比率增加。其中1-T即为电磁波屏蔽性能，计算得到0.3GHz～4.0GHz频率下的电磁波屏蔽性均超过94.1%，最高达99.6%。这为铁磁碳纤维电磁防护产品的设计提供了重要的参考价值。

表1铁磁碳纤维防电磁辐射板反射率、透射率和吸收率仿真计算表

结论

（1）用CST软件可以针对铁磁纤维正交网格板进行模型建立并计算其电磁性能。

（2）仿真结果表明双层铁磁碳纤维在0.3GHz～4.0GHz频率范围其反射率随电磁波频率增大而减小，电磁波吸收率所占比重增加，高达38%。

（3）通过初步仿真计算铁磁涂层碳纤维网格结构复合材料模型的电磁防护性能，在0.3GHz～4.0GHz频率下达到94%以上，铁磁碳纤维电磁防护产品的设计提供了参考依据。

参考文献

［1］杨冉冉，顾兆栴.磁性涂层碳纤维各向异性铺层板的反射率计算［J］.宇航材料工艺，2014，44（5）：16-19.

中图分类号：TB332

文献标识码：A