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Introdução
A partir da lei de evolução de parâmetros eletromagnéticos de alta frequência com frequência, analisar o fenômeno de transição do mecanismo de atenuação da perda dielétrica acima de 10 GHz e aumento rápido da perda magnética. Este trabalho explica como o sistema material se adapta às características desta band a de frequência, compara os limites aplicáveis da estrutura metamaterial, do aerogel de grafeno e dos materiais baseados em ferrito na banda de alta frequência, e fornece um quadro de julgamento para a seleção de materiais de alta frequência absorventes em cenários de onda de 5G milímetros e radar de veículos.
Os engenheiros frequentemente encontram um fenômeno contraintuitivo na seleção de materiais absorventes de alta frequência: um prato absorvente de perda magnética que funciona bem na band a de frequência 2-6 GHz, quando mudado para cenários de 24 GHz ou 77 GHz, vivencia uma diminuição significativa no desempenho de absorção, que não pode ser compensado mesmo com um aumento da espessura.
O problema reside na dependência da banda de frequência do mecanismo de perda. O peso do mecanismo de perda do mesmo material em diferentes faixas de frequência mudará fundamentalmente, e essa mudança não é sempre visualmente aparente.
Transição do mecanismo de perda perto de 10 GHz
Na banda de frequência de 2-10 GHz, a perda dielétrica é geralmente o mecanismo dominante de atenuação dos materiais absorventes. A polarização da interface e a polarização do dipol em materiais baseados em carbono, polímeros condutivos e sistemas compostos contribuem principalmente para a dissipação de energia eletromagnética em campos elétricos alternados.
Mas após a frequência exceder 10 GHz, esse padrão inverse. Um estudo baseado em aerogel de carbono com base em amido/material composto de absorção de microondas FeCoNi mostrou que na faixa de 2-10 GHz, o ângulo de perda dielétrica tangente (tanque δ ε) e o ângulo de perda magnética tangente (tanque δ µ) ambos mostraram tendência para cima, e a perda dielétrica foi significativamente maior que a perda magnética, indicando que a faixa de frequência era dominada pela perda dielétrica. Sobre 10 GHz, a perda dielétrica começa a diminuir, enquanto a perda magnética aumenta rapidamente e se torna o principal mecanismo de perda.
A razão física desta transformação é que a contribuição da perda dielétrica vem principalmente da polarização dipólica e da polarização da interface. Estes mecanismos de polarização têm uma capacidade decrescente de seguir campos elétricos alternados em altas frequências, e o tempo de relaxamento da polarização já não corresponde ao período de alta frequência, resultando em uma diminuição da perda dielétrica com maior frequência. Ao mesmo tempo, a ressonância natural e a ressonância de troca de materiais magnéticos começam a dominar em altas frequências. A análise do mecanismo de perda magnética dos materiais compostos FeCoNi/SCA mostra que a ressonância de troca controla o comportamento de perda magnética na banda de frequência 14-18 GHz.
Para os engenheiros de materiais absorventes, essa mudança de mecanismo significa que o design de materiais absorventes de alta frequência não pode simplesmente "traduzir" a fórmula de materiais de perda magnética de baixa frequência para a banda de alta frequência, mas precisa reajustar a composição material e o design estrutural baseado no peso de perda da banda de frequência alvo.
Três rotas técnicas para materiais absorventes de alta frequência
Existem atualmente três principais caminhos técnicos na engenharia para os requisitos de absorção das faixas de frequência de ondas de milímetros, cada um adequado para diferentes cenários.
O primeiro tipo são absortores estruturais metamateriais
Os absortores de metamateriais atingem quase perfeita absorção das ondas eletromagnéticas através de elementos resonantes periódicos, e sua frequência de absorção é determinada pelas dimensões geométricas dos elementos em vez dos parâmetros eletromagnéticos intrínsecos do material. Um absortor de metamaterial de duas frequências para comunicação de ondas de 5G milímetros alcançou uma taxa de absorção de 99,71% e uma eficácia de escudo de 51,33 dB a 24 GHz, e uma taxa de absorção de 99,43% e uma eficácia de escudo de 46,7 dB a 26 GHz, com desempenho não afetado pelo ângulo de polarização. A vantagem dos absortores metamateriais reside em sua espessura extremamente fina e forte pico de absorção, tornando-as adequadas para o nível de chip ou nível de módulo cenários de supressão EMI com espaço limitado. Mas sua largura de banda de absorção é geralmente estreita, exigindo design preciso do tamanho da unidade para a frequência alvo.
O segundo tipo são absortores ligeiros baseados em carbono
Aerogeles de grafeno fornecem uma variedade de caminhos inerentes de atenuação por virtude de redes porosas tridimensionais e grupos funcionais ricos contendo oxigênio. No entanto, a largura de banda efetiva de absorção dos aerogênios de grafeno puro é limitada, apenas 6,46 GHz (11,54 – 18,00 GHz) a espessura de 1,95 mm, e falta de componentes de perda magnética, o que limita sua capacidade de absorção em baixas frequências. Ao acoplar o aerogel de grafeno com ressonância induzida pela estrutura, um absortor de metamaterial baseado no aerogel de grafeno com uma configuração de cónus de montagem alcançou uma largura de band a de absorção efetiva de 40,7 GHz (9,1 – 49,8 GHz), cobrindo uma gama de frequências ultra larga da banda X at é a banda V, e mantém a absorção estável no ângulo de incidência de ± 70°. O valor de engenharia deste tipo de material está no equilíbrio de cobertura ligeira e ultra ampla banda, tornando-o adequado para cenários sensíveis ao peso, como drones e aeroespaço.
O terceiro tipo é material baseado em ferrito
O ferrito hexagonal tipo M aumenta a absorção através da ressonância ferromagnética na banda de frequência de ondas de milímetros e também pode integrar a função de controle do feixe. Um trabalho de revisão analisou sistematicamente as aplicações multifuncionais de metasuperfície de ferritos tipo M em absorção de ondas de milímetros e controle de feixe, com ênfase especial no papel dos ferritos na ressonância ferromagnética e mecanismos de captura de ondas de superfície. Este tipo de material é adequado para cenários complexos que requerem absorção simultânea e modulação eletromagnética de ondas, como estações terrestres e sistemas de comunicação por satélite em redes não terrestres (NTN).
A tabela seguinte resume as características aplicáveis de três rotas técnicas na banda de frequência de ondas de milímetros:
Verificação engenharia do radar de onda de milímetros montado no veículo
O radar de onda de 77 GHz montado no veículo é um dos cenários mais típicos de aplicação de engenharia para materiais de alta frequência absorventes. O tamanho dos módulos de radar é geralmente cerca de 5 × 5 centímetros, com espaço interno extremamente limitado. No entanto, com uma frequência de trabalho de até 77 GHz, os sinais auto-entusiasmados são gerados facilmente dentro da cavidade, o que afeta a operação normal dos canais de recepção e transmissão.
Para esse cenário, materiais de absorção flexíveis de alta perda podem proporcionar valores de atenuação de 70 dB/cm ou mais a uma frequência de 77 GHz, absorvendo efetivamente sinais auto-emocionados gerados por radar de onda de milímetros. Outro tipo de solução adota formação co-injetável de partículas PBT absorventes e concha radar, que mostra boas características de absorção eletromagnética de ondas na banda de frequência de 77 GHz, pode efetivamente absorver sinais de clutter e antena lateral, reduzir interferência eletromagnética e melhorar a sensibilidade ao reconhecimento radar.
Estes casos de engenharia ilustram que a seleção de materiais de alta frequência de absorção não s ó deveria focar na curva de perda de reflexão laboratorial, mas também avaliar a capacidade de atenuação do material em condições de tamanho e montagem dos módulos.
Três julgamentos de engenharia em seleção
Primeiro, confirmar o peso do mecanismo de perda do material na banda de frequência alvo
Exigir que os fornecedores forneçam dados tangentes de perda dielétrica e tangentes de perda magnética para a banda de frequência alvo, em vez de apenas fornecer curvas de perda de reflexão. Se a frequência alvo exceder 10 GHz e o material ainda é dominado pela perda dielétrica, o desempenho de absorção pode não satisfazer as expectativas. O material ideal de alta frequência de absorção deve alcançar a sinergia de dois mecanismos de perda na faixa de frequência alvo, em vez de um viés extremo em relação a um.
Em segundo lugar, avaliar o valor de atenuação real do material na banda de ondas de milímetros
O pico da curva de perda de reflexão pode ocorrer em frequências específicas e em condições específicas de teste, enquanto o ângulo de incidente e o estado de polarização das ondas eletromagnéticas em cenários de engenharia frequentemente diferem dos testes de laboratório. Para aplicações de alta frequência como 77 GHz, os fornecedores devem ser obrigados a fornecer valores de atenuação (dB/cm ou dB/mm) para essa faixa de frequência, em vez de apenas fornecer dados de perda de reflexão. O valor de atenuação reflete mais diretamente a capacidade do material de absorver ondas eletromagnéticas por espessura de unidade, e tem uma correlação mais forte com efeitos de engenharia.
Em terceiro lugar, prestar atenção à estabilidade da polarização e à estabilidade angular das estruturas metamateriais
Se um absortor estruturado de metamaterial for selecionado, sua retenção de desempenho em diferentes ângulos de polarização e ângulos de incidente deve ser confirmada. Alguns absortores metamateriais apresentam excelente desempenho sob incidência vertical, mas suas taxas de absorção diminuem drasticamente sob incidência oblica ou condições de polarização cruzada. O design de metamaterial estável de ângulo largo (como manter a absorção estável dentro de ± 70° de intervalo) é mais confiável em cenários como radar de veículos e antenas de estação de base.
Advanced Institute (Shenzhen) Technology Co., Ltd.A série de materiais de absorção de marcas de platina de pesquisa abrange três principais modelos: XJY-MH100, XJY-MH150 e XJY-MH200. A parte real da permeabilidade magnética abrange ≥ 100 a ≥ 200, e o intervalo de frequência recomendado abrange 10 MHz a 40 GHz. Os modelos de alta frequência foram otimizados para as características do mecanismo de perda da banda de frequência de ondas milímetros.
A espessura padrão do produto pode ser tão baixa como 0,2 mm, com uma intervalo de temperatura de trabalho de -40 °C a 150 °C, e uma taxa de retardante de chama de UL94 V-0. Ele suporta montagem flexível, corte de precisão e composto multicamada. Para mais informação técnica, visitehttp://www.avanzado.cn/.