水泥砂漿電磁屏蔽效能的研究

呂志蕊，冀志江，吳祿軍，唐章宏，王 群

（1.北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京 100124； 2.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

引言

隨著各種家用、商用電子產品的日益普及以及電子計算機、電氣設備、高壓輸電線等設備的廣泛應用，電磁輻射產生的電磁干擾不僅影響到電子產品功能的實現，同時也對人體健康產生了極其嚴重的威脅。使用具有一定屏蔽效能的建筑材料能降低電磁輻射的危害。圖1 是一種鋼絲網水泥砂漿材料的結構示意圖，從右到左分別為變換層、吸收層、鋼絲網。工程應用中按照基礎墻體-鋼絲網-吸收層-變換層的順序施工，變換層的一側面向電磁波波源，使得鋼絲網水泥砂漿材料既可用于屏蔽戶外的電磁輻射，也可用于防止室內電磁輻射向外泄漏，對提高電磁信息泄露的防護水平方面具有重要的工程應用價值。

鋼絲網由于柔韌性好，能夠加固水泥制品而被廣泛應用在水泥砂漿材料中。研究表明一定孔徑的鋼絲網具有比較好的屏蔽效能[1]。在水泥砂漿材料中加入鋼絲網結構可以提高屏蔽材料的屏蔽效能，通過計算找出了滿足屏蔽要求的鋼絲網的孔徑尺寸，并按照計算尺寸加工鋼絲網作為水泥樣板的結構組成部分。本文對鋼絲網水泥砂漿材料屏蔽效能的理論進行了分析，參照屏蔽效能的測試標準，在250kHz～2GHz 頻段測試了實際制備的水泥樣板的屏蔽效能，同時對測試過程中外部環(huán)境的影響進行了分析。圖2 為測試的水泥樣板實物圖，結構如圖1 所示。

1 水泥砂漿電磁屏蔽原理

水泥砂漿材料對電磁場的屏蔽主要依靠其對電磁波的反射、吸收作用。圖3 中給出了電磁波在屏蔽材料中傳播的示意圖[2]。圖中的標號標注了電磁波入射到屏蔽材料時，可能發(fā)生的反射、折射、透射、干涉等物理現象。電磁波①入射到材料表面，由于空氣與材料中導電體的波阻抗不一致引起一部分電磁波②被反射回空氣介質中，另一部分電磁波③發(fā)生折射穿透進入屏蔽材料中。材料中的吸收層由至少兩層的不同電磁吸收能力的吸波砂漿組成，進入其中的電磁波由于屏蔽材料在電磁場中產生的電損耗、磁損耗及介電損耗而消耗部分能量，即部分電磁波被吸收。剩余電磁波⑥在到達屏蔽材料的另一面時同樣由于阻抗不匹配，使部分電磁波反射回屏蔽材料內，形成在屏蔽材料內的多次反射，剩余部分⑤、⑧穿透屏蔽材料進入空氣介質。評價一種屏蔽材料優(yōu)劣的主要指標是在一定頻率范圍的電磁波入射時，電磁波經過屏蔽材料后透射值的多少來衡量。當一定能量的電磁波入射到材料表面后，如果透射量很少，表明電磁波能量衰減大，說明材料的屏蔽效能很高，反之亦然[3]。

圖1 水泥屏蔽板結構圖

圖2 水泥樣板

2 鋼絲網屏蔽效能計算

通過計算發(fā)現，網孔形狀為正方形，網格平均邊長為0.21cm，鋼絲直徑為0.1cm 的鋼絲網具有滿足要求的屏蔽效能。下面是鋼絲網屏蔽效能的計算過程。金屬屏蔽體孔陣所形成的電磁泄漏，可采用等效傳輸線法進行分析，其表達式為[4]：

式中 Aa——孔的傳輸損耗；

Ra——孔的單次反射損耗；

Ba——多次反射損耗；

K1——與孔個數有關的修正項；

K2——由趨膚深度不同而引入的低頻修正項；

K3——由相鄰孔間相互耦合而引入的修正項。

式(1)中前三項分別對應于實心型屏蔽體的屏效計算式中的吸收損耗、反射損耗和多次反射損耗。后三項是針對非實心型屏蔽引入的修正項。

結合上述公式，利用Matlab 軟件計算出鋼絲網在250kHz-2GHz 頻段內的屏蔽效能如圖4 所示。

圖3 電磁能量在電磁屏蔽材料中的傳播

圖4 250kHz～2GHz 頻段鋼絲網屏蔽效能

圖4 表明鋼絲網在250kHz～100MHz 頻段內的屏蔽效能在50dB 以上，屏蔽效能較高，隨著頻率的增加，屏蔽效能逐漸降低，當頻率增加到2GHz 時鋼絲網的屏蔽效能降低到13.78dB。

3 水泥樣板屏蔽效能的測試

為了研究水泥樣板的屏蔽效果，基于GJB 6190-2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測試方法》的測試方法，結合實驗室的測試儀器和低頻段工作天線，在250kHz～2GHz頻率范圍內對水泥樣板和環(huán)境值進行檢測。結合實際天線的工作頻段，測試過程中分別采用低頻段環(huán)形天線(天線型號：SAS-564，SAS-563B，頻段為250kHz～30MHz)作為發(fā)射、接收天線；高頻段使用對數周期天線(天線型號：SAS-521-2，頻段為25MHz～2GHz)作為發(fā)射、接收天線。

3.1 測試過程

調節(jié)測試系統(tǒng)，從電磁波發(fā)射端按照發(fā)射天線、水泥樣板(變換層一側面向發(fā)射天線)、接收天線順序進行放置。使用環(huán)形天線測試時，調節(jié)天線到合理位置，發(fā)射、接收天線距屏蔽板水平距離為9.5cm，距地面垂直高度為65.5cm。接通E8257D 信號發(fā)生器及E7405A 頻譜分析儀，預熱15 分鐘后設置測量參數，發(fā)射信號開始測試。

使用環(huán)形天線測試后，再換用對數周期天線進行水泥樣板屏蔽效能的測試。由于水泥樣板尺寸相對對數周期天線較小，所以對數周期天線與樣板的相對位置不能過遠。另外為了避免因發(fā)射和接收天線距離過近而導致信號耦合的現象產生，并保證天線在空間損耗不大，選取放置水泥屏蔽板到發(fā)射、接收天線水平距離分別為290cm、42cm。兩個天線中心位置對準，天線離地面高度為45cm。圖5 為對數周期天線測試水泥樣板接收天線一側的測試圖。

最后保持天線位置不變，將屏蔽板撤離，分別使用對數周期天線和環(huán)形天線發(fā)射和接收信號條件下的參考值進行測試，并保存數據。

圖5 對數周期天線測試水泥樣板

圖6 250kHz～30MHz 水泥樣板屏蔽效能變化

圖7 25MHz～2GHz 水泥樣板屏蔽效能變化

圖8 250kHz～30MHz 外部環(huán)境信號

3.2 測試結果

以下分別給出環(huán)形天線和對數周期天線的測試結果。使用環(huán)形天線測得的屏蔽板在250kHz～30MHz 的屏蔽效能如圖6。

從圖6 可以看到，在250kHz～30MHz 頻段，水泥樣板的屏蔽效能值在10～15dB 左右。

使用對數周期天線測得的屏蔽樣板在25MHz～2GHz的屏蔽效能如圖7 所示。

圖7 可以看出，在25MHz～2GHz 頻段，水泥樣板的屏蔽效能值大部分在15dB 以上，隨著頻率的增加，水泥樣板屏蔽效果越來越理想。

4 測試結果分析

由圖6 所示，在9MHz～18MHz 頻段內屏蔽效能偏低，發(fā)現在測試的過程中，發(fā)射天線信號不輸出的情況下，頻譜分析儀在9MHz～18MHz 出現了信號疊加，如圖8 所示。為了驗證該頻段下測試結果的正確性，需要分析環(huán)境對測試結果的影響程度。

為了避免測試過程中由于環(huán)境電磁場對測試結果的影響，在測試結果的處理中，可在計算水泥樣板的屏蔽效能時消除環(huán)境電磁場的影響以獲得更準確計算結果：

式中，p1，p2分別為放置水泥樣板前后的接收功率，單位：(W)；p0為外部環(huán)境信號接受功率，單位：(W)；SE 為水泥樣板屏蔽效能值，單位：(dB)。

由圖8 看出，在9MHz～18 MHz 頻段內，從外部環(huán)境中接收到得最大信號不超過-45dBm，或0.31623×10-4mW，即(2)式中分子分母中的第二項值。圖9 為未加水泥樣板時的接收信號，可以看出，未加樣板時信號接收器在9MHz～18MHz 頻段內接收到的最小功率為-5dBm，或0.3162mW，即(2)式中分子中的第一項值?？梢钥闯龇肿觾身椣嗖? 個數量級，環(huán)境產生的影響相對非常小，可以忽略。由此可以看出環(huán)境電磁場對計算的屏蔽效能幾乎沒有影響，水泥樣板在該頻段下的屏蔽效能還有改進的空間。

環(huán)形天線在高頻段24MHz～30MHz 出現了跳變，主要是因為越靠近天線截止頻率，天線的駐波比值過大，導致在這一頻段天線性能不穩(wěn)定。通過對比兩天線交叉頻段的測試結果，發(fā)現在25MHz～30MHz 頻段，采用對數周期天線測量結果很差，而環(huán)形天線卻很好。主要原因是因為天線振子的輻射起主要作用的是振子的長度，天線的相位中心隨著工作頻率降低向天線的尾端移動[5-6]，對數周期天線的兩翼在低頻段起作用。在測試的過程中，由于水泥樣板尺寸相對對數周期天線兩翼較小，導致在測試的過程中，低頻段對數周期天線的兩翼信號可以繞過水泥樣板被接收，導致在該頻段，采用對數周期天線測試的結果偏小，而環(huán)形天線相對水泥樣板尺寸過小，繞射信號小，因而測試的結果較好。

圖9 未加樣板時的接收信號

將鋼絲網屏蔽效能的計算結果圖4 與水泥樣板實際測試結果圖6、圖7 相對比，可以看出，在 1GHz ～2GHz頻段內，水泥樣板實際測試的屏蔽效能在20dB 左右波動，這一測試結果與鋼絲網屏蔽效能的計算結果大致符合。但在250kHz～1GHz 頻段內，水泥樣板實際的屏蔽效能明顯沒有達到計算的水平，主要是因為水泥樣板由于沒有基礎墻體的支撐而達不到足夠的強度，受此限制不能制備尺寸足夠大的水泥樣板，導致測試時信號在水泥樣板周圍發(fā)生繞射使得實際測量的屏蔽效能值與理論值有所偏差。另外由于測試場地的限制，天線到水泥樣板的測試距離沒有達到遠場要求，也是導致測試值與計算值有所差距的原因。

5 結論

本文通過研究鋼絲網水泥砂漿樣板的電磁屏蔽性能，發(fā)現在中波段的屏蔽效能達到15dB 以上，短波段除了9MHz～18MHz 頻段內屏蔽效能相對較低，其他頻段內水泥樣板的屏蔽效能也都達到10dB 以上。這種鋼絲網水泥砂漿材料對于中短波的天線輻射有比較好的屏蔽效能。在高頻段，水泥樣板的屏蔽效能值大部分在15dB 以上。總體來看，這種水泥砂漿材料具有比較理想的屏蔽效能。

[1]王永利, 張潔. 電纜屏蔽金屬網屏蔽效能的工程計算[J]. 北京:電子測量與儀器學報. 2008(S2), 26-30.

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[4]楊克俊. 電磁兼容原理與設計技術[M]. 北京：人民郵電出版社,2004:64-66.

[5]劉克成, 宋學誠. 天線原理[M].韶山：國防科技大學出版社, 1989:155-156.

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