普通建筑物的電磁屏蔽技術(shù)

李承耀 辛國(guó)良 編譯 區(qū)健昌 校

（1.中國(guó)航天建筑設(shè)計(jì)院；2.北京理工大學(xué)）

1 引言

當(dāng)今電磁波屏蔽（電磁屏蔽）的概念就是要作到建筑物內(nèi)的電磁波不能泄漏出去，建筑物外的電磁波也不能進(jìn)入建筑物內(nèi)。過(guò)去電磁屏蔽技術(shù)主要是面向工業(yè)企業(yè)實(shí)驗(yàn)室用的，現(xiàn)今已是手機(jī)、電腦普及時(shí)代，為了防止各種工業(yè)用設(shè)備及民用電氣設(shè)備由于電磁波干擾產(chǎn)業(yè)的誤動(dòng)作，以及防止因竊聽(tīng)造成的信息泄漏，采用電磁屏蔽技術(shù)是非常必要的。

隨著工業(yè)產(chǎn)品的高頻化和國(guó)際化，在日本，電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)變得越來(lái)越有必要。另外，對(duì)于屏蔽產(chǎn)品的可靠性和成本要求也會(huì)愈加嚴(yán)格。

一方面，各個(gè)工業(yè)企業(yè)都在謀求縮小設(shè)備投資，對(duì)用于一般建筑物的屏蔽技術(shù)，就要考慮擴(kuò)大市場(chǎng)的問(wèn)題。

如前所述，現(xiàn)在的屏蔽室要作到不能從屏蔽室內(nèi)部泄漏出電磁波，還要能屏蔽電磁波從外面進(jìn)入。為此，目前適用于一般建筑物的屏蔽技術(shù)就有必要解決只允許需要頻率的電磁波通過(guò)，對(duì)該頻以外的電磁波進(jìn)行屏蔽的技術(shù)問(wèn)題。

下面分別說(shuō)明能夠滿足上述要求的各種方案。

2 薄板型電磁波吸收體（薄板型電介體）

現(xiàn)在，這種薄板型電磁波吸收體已部分投入實(shí)際使用，如前面已說(shuō)明的，對(duì)于一般建筑物考慮應(yīng)用屏蔽技術(shù)的場(chǎng)合，有必要對(duì)手機(jī)等的特定屏蔽進(jìn)行屏蔽。因此，使用薄板型電磁波吸收體，不僅僅是屏蔽（反射）電磁波，而且防止電磁波從內(nèi)向外或從外向內(nèi)的泄漏所采取的吸收方法。

實(shí)際上，是將這種薄板型電磁波吸收體埋入墻壁材料內(nèi)。這種電磁波吸收體的有效寄窄帶頻率范圍是GHz頻帶。對(duì)于想要屏蔽的頻率，要把電磁波吸收體的吸收性能調(diào)整為最大，就可以得到既屏蔽了特定的頻率，又使其他頻率通過(guò)的結(jié)果。另外，即使是無(wú)線LAN等的電磁波，使用吸收體也能夠防止在墻壁表面上的亂反射。

今后，假如這個(gè)電磁波吸收體有可能用作寬頻帶的吸收體，的確，可以考慮將它用作一般建筑物的屏蔽材料。

2.1 薄板型電磁波吸收體（薄板形電介體）的技術(shù)內(nèi)容

（1）希望解決的課題

今后，電磁波的利用越來(lái)越廣闊，必然會(huì)從微波段擴(kuò)大到次毫米波段。開(kāi)發(fā)這種薄板型電磁波吸收體，就是要把用于這些頻率范圍內(nèi)的堅(jiān)、薄、而且壽命長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)型電磁波吸收體實(shí)用化。

（2）原理

圖1和圖2是應(yīng)用本技術(shù)的最簡(jiǎn)單的電磁波吸收體的實(shí)例圖。圖1為表面圖，圖2為截面圖。

圖1中，將邊長(zhǎng)為W的正方形金屬薄膜，相互絕緣地配置在支承體4的表面上。只在支承體4進(jìn)里的一面配置有金屬薄膜。

圖1 表面圖

圖2 截面圖

圖3 原理說(shuō)明圖

圖3（a）是把薄板豎起，電磁波從左側(cè)垂直直入身時(shí)的截面說(shuō)明圖。圖3（b）是其反射的截面說(shuō)明圖。

圖3（a）中，從金屬薄膜1的表面入射的電場(chǎng)是Ei1，它是完全被反射的（反射波相位為-180°），圖3（b）表示的是反射回來(lái)的反射電場(chǎng)EY1。Ei2一邊在支承體4中，像虛線箭頭所示那樣變化，一邊實(shí)線箭頭所示那樣分為上下兩部分，在金屬薄膜 1和金屬板3之間傳播。在金屬薄膜1與金屬板3之間Eiz還有從另一側(cè)同樣進(jìn)入的電場(chǎng)，這些來(lái)自上下兩個(gè)電場(chǎng)的相位是相反的，如圖3（a）所示，在金屬薄膜1中間的內(nèi)側(cè)點(diǎn)C處，合成電場(chǎng)通常為零。即在C點(diǎn)有金屬短路板處是等值的，從上下兩個(gè)方向進(jìn)入的電場(chǎng)在C點(diǎn)處是完全反射的。在C點(diǎn)處各反射波見(jiàn)圖 3（b）。一邊像虛線箭頭那樣變化，一邊沿著實(shí)績(jī)箭頭傳播，在沒(méi)有金屬膜的部分再次合成，形成反射電場(chǎng)而輻射出去。

EY2的相位決定于金屬薄膜 1的連長(zhǎng)W，支承體4的厚度D和電氣特性。調(diào)整這些參數(shù)使EY2的反射相位延遲360°，就可使其和入射波同相。一方面，因?yàn)镋Y1與入射波Ei1（=Ei2）之間有 180°的相伴差，所以EY2與EY1的相位差為 180°，它們之間是反相的。

即來(lái)自有金屬薄膜部分1的反射波與來(lái)自沒(méi)有金屬薄膜1部分的反射波EY2的相位差為180°。它們?cè)诳臻g交替分布，在充分遠(yuǎn)的點(diǎn)產(chǎn)生相互抵消的作用，從而使反射波強(qiáng)度衰減。

本技術(shù)確定了特許2545721號(hào)權(quán)利。

（3）實(shí)施實(shí)例與特征

下面是實(shí)施本技術(shù)的一個(gè)實(shí)例。

厚度1.2mm特氟綸支承體4的一面上配置了每邊為 9mm的正方形薄膜，與頻率為 10.3GHz時(shí)的完全反射相比較，反射波的強(qiáng)度能降低40dB。即使入射角改變16°，反射波也有25dB的衰減。

在本實(shí)例中，支承體4的厚度大約相當(dāng)于電波波長(zhǎng)的4/100左右，與過(guò)去用的X/4型比較，可能要薄大約1/6的厚度。

能夠作出很薄的和很輕的電磁波吸收體是這項(xiàng)技術(shù)的最大特點(diǎn)。只要調(diào)整使用的材料和尺寸，這項(xiàng)電磁波吸收體技術(shù)就能用于微波段、毫米波段到超高頻波段。也能適用于今后將擴(kuò)展的頻率范圍。吸收體的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，可以說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)的一大特征是制造性能優(yōu)良和生產(chǎn)成本低廉（表1）。

表1 簡(jiǎn)要的制造過(guò)程

能用于該電磁波吸收體支承體的聚合物薄膜的加工尺寸，有很大的自由度，材料性能的選擇是很多的，使用很容易，耐久性也好。

綜合上述特征，只能寄希望于開(kāi)發(fā)新的制造電磁波吸收體技術(shù)，制造出過(guò)去不能制造的又薄、又輕、又經(jīng)濟(jì)的電磁波吸收體。

這項(xiàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)的結(jié)果，既補(bǔ)充和完善了以前的技術(shù)，又適應(yīng)21世紀(jì)的IT業(yè)、多媒體、JIS等新技術(shù)、新系統(tǒng)的新發(fā)展，確信可用于為改善城市電波環(huán)境和措施而開(kāi)拓的新技術(shù)市場(chǎng)。

圖4為研究而試作的薄板實(shí)例。圖5為用本技術(shù)的薄板與現(xiàn)在使用的有挖根生的電磁波吸收體作比較。

2.2 與過(guò)去技術(shù)的比較

表2為用本技術(shù)試制的薄板與現(xiàn)在應(yīng)用的挖根生的電磁波吸收體的比較情況。

表2 與以前的技術(shù)比較

圖4 試制的薄板實(shí)例

圖5 格于型電磁波吸收體的構(gòu)造

圖6 格子型電磁波吸收體的特征

2.3 研究結(jié)果

該技術(shù)的特點(diǎn)是比以前用的技術(shù)更能實(shí)現(xiàn)微波段的超薄型、超輕量、費(fèi)用低廉的電磁波吸收體。現(xiàn)在通過(guò)理論的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)，可以確認(rèn)實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)新技術(shù)的可能性是很高的。

（1）格子型

如圖 5，使用金屬襯里的導(dǎo)電性聚合物薄膜作為基體，表面上是周期排列的登機(jī)牌貴婦人導(dǎo)體格子，得到了如圖 6的吸收特性。吸收體的厚度為1.2mm時(shí)，表示的是10GHz頻帶電磁波的吸收特性。另外表示了通過(guò)改變金屬格子的間距可以調(diào)整吸收電磁波的頻率，表示間距變小，吸收體吸收電磁波的頻率更高。這是研究本技術(shù)期望的后果。

（2）補(bǔ)丁型（類似棋盤格）

補(bǔ)丁型組成適用于正在開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù)（特許）。圖7是其中一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例，圖8和圖9是這種結(jié)構(gòu)的吸收特性。

圖7 補(bǔ)丁型結(jié)構(gòu)

圖8 吸收特性-1

圖9 吸收特性-2

圖8是將每邊3mm的正方形（金屬薄膜）補(bǔ)丁按 6mm間距配置的吸收特性的曲線與沒(méi)有補(bǔ)丁型配置的吸收特性曲線進(jìn)行比較。由于采取補(bǔ)丁型配置，可以發(fā)送其吸收效果。這時(shí)它的厚度是2mm。

圖9是采用了1.5mm厚的導(dǎo)電性薄膜，并示出了當(dāng)改變了金屬薄膜補(bǔ)丁的尺寸時(shí)，其吸收特性的變化情況，補(bǔ)丁之間的間距可以設(shè)定為正方形邊長(zhǎng)的2倍。當(dāng)補(bǔ)丁薄膜的尺寸變小時(shí)，被吸收的電磁波的頻率就變高了。可以獲得20dB以上的吸收特性。

根據(jù)上述情況，可以認(rèn)為已經(jīng)足夠取得完成開(kāi)發(fā)目標(biāo)的研究成果。

其次，用FDTD（Finite Difference Time Domain Method）有限差分時(shí)域法的數(shù)值的理論分析結(jié)果說(shuō)明，構(gòu)成材料的特性、尺寸吸收的頻率數(shù)、吸收特性等的關(guān)系是明確的。

1）薄膜的厚度，電介常數(shù)、tano、標(biāo)準(zhǔn)化的補(bǔ)丁尺寸，標(biāo)準(zhǔn)化間距、吸收頻率數(shù)和吸收特性。

2）補(bǔ)丁的尺寸，間距等吸收頻率的硬度特性。

上述結(jié)果啟發(fā)人們，把該技術(shù)應(yīng)用于毫米波段和超高頻段以及與其相適應(yīng)的尺寸精度保證將是一個(gè)研究課題。

3 百葉窗型屏蔽材料

圖 10表示在一般建筑物使用的金屬制百葉窗的接合部進(jìn)行屏蔽處理，由于要求能自由的開(kāi)啟或關(guān)閉百葉窗，就是要能夠自由的選擇房間內(nèi)的屏蔽情況。在企業(yè)中，在上班工作時(shí)房間的百葉窗是關(guān)閉的，房間處于屏蔽狀態(tài)即能夠防止電磁波泄漏出去，在停止工作的休息時(shí)間打開(kāi)百葉窗，通常使用的手機(jī)就可以向房間外發(fā)出通信電波。

圖10 百葉窗型屏蔽材料的圖象

在這種情況，不能僅僅依據(jù)頻率值，從百葉窗的外觀上考慮是同樣重要的，要考慮的是適用于一般建筑物的屏蔽材料。

4 其他

除了上述的屏蔽材料外，還要考慮在一般建筑物上能夠使用的屏蔽材料。

例如，薄板型電磁波吸收體的代用品，可以在墻壁材料中使用屏蔽網(wǎng)，網(wǎng)格的大小可以是被屏蔽頻率數(shù)的1/10以下。就有可能在一般建筑特中獲得足夠的屏蔽效果。

有關(guān)一般建筑物的屏蔽，要以反射和吸收兩個(gè)方面進(jìn)行考察，從擴(kuò)大市場(chǎng)來(lái)看，已經(jīng)有充分的可能性適應(yīng)商品化。