織物屏蔽效能的法蘭同軸法和屏蔽室法測(cè)試對(duì)比研究

肖 紅， 唐章宏， 施楣梧， 王 群

(1. 總后軍需裝備研究所， 北京 100082； 2. 北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100022)

織物屏蔽效能的法蘭同軸法和屏蔽室法測(cè)試對(duì)比研究

肖 紅1， 唐章宏2， 施楣梧1， 王 群2

(1. 總后軍需裝備研究所， 北京 100082； 2. 北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100022)

為研究不銹鋼織物的屏蔽效能，采用法蘭同軸法(30 MHz～1.5 GHz)和屏蔽室法(1～18 GHz、18～26.5 GHz)，對(duì)樣品的屏蔽效能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試研究。結(jié)果表明，2種不同測(cè)試方法和條件下，電磁波的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量在樣品平面分布顯著不同，屏蔽室法可以清晰反映出各向異性織物電磁屏蔽效能的方向性，而法蘭同軸法則不能。法蘭同軸測(cè)試時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁波長(zhǎng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致同樣尺寸金屬紗線排列間距和縫隙孔洞對(duì)屏蔽效能的影響不如屏蔽室法明顯。只有經(jīng)、緯向金屬紗線排列間距相同，電性能宏觀各向同性的電磁屏蔽織物，在2種測(cè)試方法下才遵循同樣的規(guī)律性，且也是經(jīng)濟(jì)、有效的屏蔽未知方向電磁波的最佳結(jié)構(gòu)形式。

法蘭同軸法； 屏蔽室法； 屏蔽效能； 各向異性

Abstract The electromagnetic shielding effectiveness of a series of stainless fabrics are tested by the flange coaxial method (30-1.5 GHz) and the shielding chamber method(1-18 GHz, 18-26.5 GHz). By the two different testing methods, the distributions of the electric field component and the magnetic field component on the sample surface are obviously different. The shielding chamber method can reflect the directivity of the anisotropy fabrics and the flange coaxial method is disabled. Because the electromagnetic wave length is longer in the flange coaxial method, the same metal fiber distance and the aperture of the same size affects the electromagnetic shielding effectiveness tested by the flange coaxial method less than that by the shielding chamber method. Only the electromagnetic shielding fabrics, with the same metal arrangement spacing in the warp and weft yarn, with macro isotropic electric properties, follows the same regularity tested with two kinds of test methods, and also is the economic and effective optimum structure form to shield the unknown direction electromagnetic waves.

Keywords flange coaxial method; shielding chamber method; shielding effectiveness; anisotropy

根據(jù)電磁波頻段不同，材料電磁屏蔽效能的測(cè)試方法可以分為3類：1)適合近場(chǎng)環(huán)境的測(cè)試方法。頻率范圍1～30 MHz，屬于磁場(chǎng)屏蔽范圍，可采用ASTM-ES-7雙盒法和改進(jìn)的MIL-STD-285法進(jìn)行測(cè)試[1]；2)適合遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境的測(cè)試方法。頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz，有ASTM-ES-7推薦的同軸傳輸法以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的法蘭同軸法；其中，同軸傳輸法的測(cè)試結(jié)果受樣品與同軸傳輸裝置的接觸阻抗影響較大，而法蘭同軸法減小了樣品與同軸裝置接觸阻抗的影響，使測(cè)試結(jié)果更加穩(wěn)定[2]；3)屏蔽室法。頻率范圍在1 GHz以上，常用的頻率范圍為1～40 GHz，根據(jù)發(fā)射天線不同，頻段又可以細(xì)分為1～18 GHz、18～26.5 GHz、26.5～40 GHz等[3-4]。3種方法中，近場(chǎng)環(huán)境的磁場(chǎng)屏蔽方法適用的頻率太低；屏蔽室法需要專門的屏蔽室環(huán)境、天線等，每次測(cè)試需要布置遠(yuǎn)場(chǎng)電磁環(huán)境、組合各個(gè)單位，測(cè)試成本高、對(duì)測(cè)試技能要求高；而采用法蘭同軸儀測(cè)試時(shí)，設(shè)備成臺(tái)性好，操作時(shí)只需將樣品放入夾具間即可，簡(jiǎn)單方便。因此，目前對(duì)電磁屏蔽織物的屏蔽效能測(cè)試[4-5]基本都采用法蘭同軸法[5-7]。

隨電磁產(chǎn)品的增多，法蘭同軸法適用的頻率范圍30 MHz～1.5 GHz已不能滿足要求。如手機(jī)的通訊頻率多在2～3 GHz、微波爐的頻率多在2.45 GHz，且電磁屏蔽織物也越來(lái)越多地用于1～18 GHz或更高頻段范圍的屏蔽或電磁隱身。為了滿足要求，GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)試方法》同時(shí)規(guī)定了采用法蘭同軸法和屏蔽室法用于不同頻段的測(cè)量，并規(guī)定了相應(yīng)的發(fā)射天線類型。

傳統(tǒng)的金屬屏蔽材料均是各向同性、宏觀均勻介質(zhì)。而電磁屏蔽織物結(jié)構(gòu)形式多樣[8]，部分是在緯向單一方向加入金屬纖維，當(dāng)電磁波以不同方式極化時(shí)，會(huì)使其屏蔽效能產(chǎn)生顯著方向性，這一現(xiàn)象已在前期的研究中得到證明[9]。本文通過(guò)法蘭同軸法和屏蔽室法，對(duì)系列電磁屏蔽織物樣品的屏蔽效能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試分析，以探究2種方法對(duì)織物屏蔽效能測(cè)試的差異，指導(dǎo)后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

表1示出樣品所用紗線類別。所有織物樣品的經(jīng)、緯密度均為240根/10 cm，平紋組織，樣品尺寸為18 cm×18 cm。織物織造用紗排列方式如表2所示。表中，S1∶S0(1∶10)是指1根S1紗和10根S0紗相間循環(huán)排列。其他比例同此。當(dāng)金屬纖維紗線只在織物緯向織入時(shí)，其在織物中平行排列；金屬纖維紗線在織物的經(jīng)、緯向均有時(shí)，其在織物中呈網(wǎng)格狀排列。

表1 織物用紗線及其參數(shù)

表2 織物用紗排列方式

樣品B9和B10采用濃硫酸腐蝕掉棉纖維，獲得不銹鋼纖維骨架，部分樣品形貌如圖1所示。用手按壓，以保證良好導(dǎo)通。根據(jù)織物密度，估算相鄰纖維中心間距(即相鄰2根纖維截面中心之間的距離)為0.416 mm。部分樣品的形貌如圖1所示。經(jīng)緯雙向含有不銹鋼纖維的樣品具有金屬纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)緯密度和排列比例一樣時(shí)，是電性能宏觀均勻材料，如樣品B6～B10、樣品B11以及樣品B16；而只在緯向含有不銹鋼纖維的樣品以及雙向含有不銹鋼纖維但排列比例不同時(shí)，是顯著的電性能各向異性材料，如樣品B1～B3、樣品B12～B15和B17～B18。

1.2 測(cè)試方法及指標(biāo)

采用法蘭同軸法和屏蔽室法分別對(duì)上述樣品進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試在北京工業(yè)大學(xué)電磁屏蔽與防護(hù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2.1 法蘭同軸法

法蘭同軸法測(cè)試設(shè)備為Agilent 4396B網(wǎng)絡(luò)阻抗頻譜分析儀、DN1015型遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效能測(cè)試裝置(同軸型)。內(nèi)部同軸電纜是最常見(jiàn)的一種傳輸線，它的屏蔽層可以將電磁場(chǎng)封閉在屏蔽腔體內(nèi)，又可以將外界的電磁場(chǎng)阻擋在屏蔽腔體外。測(cè)試時(shí)，將樣品放入同軸夾具，接上網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀，如圖2所示。該電磁波相當(dāng)于空間的平面電磁波，因此測(cè)量結(jié)果是試樣對(duì)垂直入射平面波的透射系數(shù)S21，而屏蔽效能SSE=-S21。頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz，樣品為圓形，樣品有效測(cè)試直徑為115 mm。

發(fā)熱中的寶寶，每天對(duì)水和食物的需要量應(yīng)該較平日多，但通常因?yàn)樯眢w不適，補(bǔ)充是件不容易的事。給煩躁或者睡眠中的寶寶口服補(bǔ)水，最簡(jiǎn)單易行的辦法是，用滴劑的膠頭滴管擠水給他喝，一滴管1～2毫升，一滴管一滴管地喂，不會(huì)嗆到寶寶。發(fā)熱中的寶寶需要易消化的食物，少食多餐，避免進(jìn)食過(guò)量，以免增加胃腸道的負(fù)擔(dān)，一般單次食物量約為平時(shí)的2/3，總量最好比平時(shí)多一兩成。

同軸測(cè)試時(shí)，電磁波同時(shí)存在水平和垂直極化，其電場(chǎng)分量E和磁場(chǎng)分量H相互正交，在樣品平面中心沿徑向均勻分布，并沿坡印廷矢量方向S即同軸傳輸線方向傳播，如圖3所示。

1.2.2 屏蔽室法

屏蔽室法測(cè)試設(shè)備為Agilent E8257D信號(hào)發(fā)生器(250 kHz～40 GHz)、E7405AEMC頻譜分析儀(100 Hz～26.5 GHz)、喇叭天線(1～18 GHz)、喇叭天線(18～26.5 GHz)、吸波屏。測(cè)試時(shí)，根據(jù)GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》，布置發(fā)射和接收天線位置及環(huán)境等條件。發(fā)射和接收天線分別連接信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀，吸波屏放置在2個(gè)天線的中間位置，反射天線、接收天線及材料放置臺(tái)的中心位置在同一高度上對(duì)齊,如圖4所示。頻率范圍為1～18 GHz和18～26.5 GHz，樣品尺寸為18 cm×18 cm。

屏蔽室法測(cè)試時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線發(fā)射的電磁波只存在水平極化或垂直極化，電場(chǎng)分量E和磁場(chǎng)分量H在樣品平面互相垂直分布，并沿垂直于樣品平面的坡印廷矢量S方向傳播，如圖5所示。

1.2.3 屏蔽效能

上述2種方法，樣品的屏蔽效能均等于透射系數(shù)的絕對(duì)值。計(jì)算式如下：

式中：P1為放置樣品時(shí)的接收功率，dBm；P2置空處的接收功率，dBm。

2 結(jié)果及討論

基于對(duì)同軸法和屏蔽室法測(cè)試條件的分析，不同方法電磁波的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量在樣品平面的分布不同，推測(cè)將導(dǎo)致對(duì)同一批樣品的屏蔽效能變化規(guī)律存在差異。

2.1 對(duì)各向異性織物的測(cè)試差異

采用屏蔽室法測(cè)試時(shí)，由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量在樣品平面互相垂直，且均沿同一方向，當(dāng)樣品旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)分量方向會(huì)和金屬紗線方向在某個(gè)旋轉(zhuǎn)角度保持平行。此時(shí)，金屬紗線不能產(chǎn)生和外加磁場(chǎng)相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，導(dǎo)致屏蔽效能為零，如圖6(a)所示，當(dāng)B1旋轉(zhuǎn)到75°時(shí)基本接近0。同時(shí)，樣品隨旋轉(zhuǎn)角度的變化，屏蔽效能發(fā)生顯著變化，從樣品的金屬紗線水平放置時(shí)的最大屏蔽效能35 dB，減小至樣品旋轉(zhuǎn)75°時(shí)的基本接近0。當(dāng)樣品垂直放置于樣品臺(tái)時(shí)，SSE為0，這在前期實(shí)驗(yàn)中得到充分證明[10]。

采用同軸法測(cè)試時(shí)，各向異性樣品不能表現(xiàn)出方向性差異。一是樣品形狀為圓形，以圓心為中心點(diǎn)時(shí)，難以體現(xiàn)方形樣品的方向性；二是同軸腔內(nèi)，電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量在樣品圓形平面沿半徑方向均勻分布，無(wú)方向性。采用該方法測(cè)得的單方向含有金屬纖維紗線的B1樣品，屏蔽效能峰值約20 dB，小于屏蔽室法測(cè)試時(shí)的最大值，在0.4 GHz以后，隨著頻率的增加，屏蔽效能減少。

2.2 對(duì)不同金屬紗線排列樣品的測(cè)試差異

由于同軸法測(cè)試對(duì)織物方向性不敏感，導(dǎo)致宏觀上具有各向同性、雙向含有不銹鋼纖維樣品B6的屏蔽效能在1.5 GHz內(nèi)，高出單向含有不銹鋼纖維的樣品B1約20 dB，如圖7(a)所示。但是，當(dāng)采用屏蔽室法測(cè)試時(shí)，當(dāng)B1的金屬纖維放置方向和磁場(chǎng)分量方向垂直時(shí)，B1和B6的屏蔽效能相當(dāng)，幾乎沒(méi)有差異，如圖7(b)所示。表明，采用屏蔽室法測(cè)試時(shí)，天線發(fā)出的橫電波導(dǎo)致只有一個(gè)方向的金屬纖維對(duì)屏蔽起到作用，而另一個(gè)方向的金屬纖維沒(méi)有任何作用。這和不銹鋼纖維織物對(duì)不同極化方式電磁波的屏蔽效能的仿真計(jì)算結(jié)果一致[11]，電磁波的單一極化方式使得經(jīng)緯2個(gè)方向的金屬纖維的屏蔽作用互相獨(dú)立。但是，實(shí)際使用中，難以判斷電磁場(chǎng)入射方向，因此，需要宏觀上各向同性電磁屏蔽材料，而不能只是單方向加入具有屏蔽功能的材料。

2.3 對(duì)不同金屬含量樣品的測(cè)試差異

對(duì)于單向含有金屬纖維的B1～B3系列樣品，金屬纖維在緯紗中的含量由40%、30%、20%逐漸遞減，無(wú)論是小于1.5 GHz還是1～18 GHz范圍內(nèi)，樣品的屏蔽效能均差異不大，隨著金屬含量的降低，峰值略有減小，如圖8所示。

對(duì)于宏觀均勻分布有金屬纖維的，具有金屬纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的B6～B8系列樣品，在1.5 GHz以內(nèi)，隨著纖維含量增加，屏蔽效能有所增加。含量30%的樣品B7的屏蔽效能平均高出含量20%的樣品B8約3 dB；含量40%的樣品B6的屏蔽效能平均高出含量30%的樣品B8約7 dB，如圖9(a)所示。在1～18 GHz范圍內(nèi)，3個(gè)不同含量樣品的屏蔽效能差異不大，但是在部分較窄頻段也有差異，如12～14 GHz，如圖9(b)所示。主要是因?yàn)?種方法對(duì)應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)不同，法蘭同軸法電磁波長(zhǎng)較長(zhǎng)，樣品的屏蔽效能將大于屏蔽室法測(cè)試結(jié)果，即樣品的屏蔽效能在較大電磁波長(zhǎng)頻段內(nèi)較好、樣品之間的差異較為顯著。

2.4 對(duì)不同金屬紗線間距樣品的測(cè)試差異

B11～B15系列樣品其金屬纖維紗線在經(jīng)紗方向的排列間距一樣，但在緯紗的排列間距逐漸增加。采用同軸法和屏蔽室法測(cè)試時(shí)，表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，隨著間距增加，屏蔽效能減小，但由于頻段不一樣，2種方法測(cè)試的下降幅度有所差異。低頻段，如1.5 GHz時(shí)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)200 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于間距的變化，導(dǎo)致相鄰金屬紗線中心間距由0.416 mm(樣品B11)變化到2.08 mm(樣品B12)時(shí)，屏蔽效能下降了10 dB左右，如圖10(a)所示；而在8～14 GHz內(nèi)，屏蔽效能下降了15 dB左右，如圖10(b)所示。

2.5 對(duì)不同交叉點(diǎn)導(dǎo)通樣品的測(cè)試差異

樣品B9和B10均為包芯紗，不銹鋼長(zhǎng)絲被棉纖維包覆，如圖1所示。整個(gè)織物呈現(xiàn)如棉纖維一樣的白色，理論上織物中金屬纖維不存在導(dǎo)通。無(wú)論是30 MHz～1.5 GHz的同軸法數(shù)據(jù)，還是1～18 GHz的屏蔽室法數(shù)據(jù)，均表明經(jīng)過(guò)濃硫酸去除棉纖維后的樣品其屏蔽效能和原包芯紗樣品接近，而且，不銹鋼骨架的屏蔽效能略小于不銹鋼沒(méi)有任何接觸的原樣品，尤其在30 MHz～1.5 GHz頻段，如圖11所示。

這些數(shù)據(jù)表明，織物中金屬纖維之間的接觸導(dǎo)通可能對(duì)屏蔽效能的影響不大。需要注意的是：1)樣品中金屬纖維都是密排，相鄰紗線中心距約為0.416 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于18 GHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)16.7 mm，也小于26.5 GHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)11.3 mm，因此，金屬纖維間可能存在耦合現(xiàn)象，此時(shí)，接觸導(dǎo)通就不起主導(dǎo)作用；2)腐蝕后織物變得稀疏，纖維間容易滑移，導(dǎo)致纖維間孔隙改變，部分區(qū)域出現(xiàn)極大孔隙。因此，導(dǎo)致在較高頻18～26.5 GHz段，如圖11(c)所示，屏蔽效能出現(xiàn)較大差異。例如，B10腐蝕后樣品的屏蔽效能小于原樣達(dá)到10 dB，而B(niǎo)9腐蝕后樣品也普遍小于原樣2 dB左右。觀察樣品發(fā)現(xiàn)，樣品B9腐蝕后，出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)較大的孔隙，導(dǎo)致屏蔽效能變化較大。

從不同頻率段的數(shù)據(jù)可以看出，隨著頻率增加，波長(zhǎng)變小，同一樣品的屏蔽效能逐漸變小。如B9樣品，由1.5 GHz以下的30 dB，降至6～18 GHz的25 dB左右，進(jìn)一步降至18～26.5 GHz的22 dB左右。

2.6 對(duì)不同網(wǎng)格尺寸樣品的測(cè)試差異

樣品B13～B15的經(jīng)向金屬纖維和棉紗按1∶1排列，緯向按照1∶10、1∶15、1∶20依次排列，經(jīng)緯向具有不同尺寸的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；樣品B16～B18的經(jīng)向金屬纖維和棉紗按照1∶10排列，緯向按照1∶10、1∶15、1∶20依次排列。法蘭同軸法測(cè)試時(shí)，B13～B15的屏蔽效能高出B16～B18系列，如圖12(a)所示，因?yàn)榍罢呓?jīng)向排列比為1∶1，整體上金屬紗線的排列緊密程度要高于后者；且在經(jīng)向排列密度相同時(shí)，隨著緯向排列密度的減小，屏蔽效能呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。屏蔽室法測(cè)試時(shí)，B13和B16、B14和B17、B15和B18，這3組的屏蔽效能都分別相同，因?yàn)槠浣?jīng)向金屬纖維紗線排列間距相同，而緯向的金屬紗線排列間距則沒(méi)有任何影響，如圖12(b)所示。屏蔽室法測(cè)試時(shí)，如果旋轉(zhuǎn)矩形金屬網(wǎng)格樣品，將會(huì)出現(xiàn)屏蔽效能的顯著變化，而在同軸法測(cè)試時(shí)，樣品的旋轉(zhuǎn)不會(huì)導(dǎo)致屏蔽效能變化。

3 結(jié) 論

由于電磁屏蔽效能難以計(jì)算得到，多采用實(shí)驗(yàn)手段獲取，并作為電磁參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，紡織材料具有不同于傳統(tǒng)各向同性、均勻的金屬屏蔽材料的方向性，導(dǎo)致不同測(cè)試方法得出的數(shù)據(jù)規(guī)律存在明顯不同。

對(duì)于低頻段(30 MHz～1.5 GHz)測(cè)試用的法蘭同軸法，由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量在樣品平面沿樣品中心沿徑向均勻分布，因此對(duì)方向性不敏感，導(dǎo)致對(duì)于單向含有金屬紗線的樣品也會(huì)測(cè)試出具有一定的屏蔽效能，但是較低。屏蔽室法可以測(cè)試較寬的頻段，如1～18 GHz、18～26.5 GHz等，甚至更高頻段，采用的是雙脊喇叭天線，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)在樣品平面互相垂直、分布具有一定方向性，這樣導(dǎo)致其對(duì)各向異性的樣品測(cè)試時(shí)，具有顯著的方向性。當(dāng)樣品放置方向差異90°時(shí)，可出現(xiàn)屏蔽效能最大值和最小值為零的極端數(shù)據(jù)。且2種方法對(duì)各向異性電磁屏蔽織物，無(wú)論是在纖維含量、排列方式、金屬紗線間距等的比較分析方面，由于頻段和電磁場(chǎng)分布的差異，導(dǎo)致了顯著的差異。

對(duì)于金屬屏蔽織物，無(wú)論采用何種測(cè)試方法，前提條件是織物樣品應(yīng)該具有各向同性、宏觀均勻的電性能，即織物經(jīng)、緯向均含有同樣排列間距的金屬纖維紗線。這一點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)電磁屏蔽織物的基本原則，這樣才能滿足實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)未知電磁波的良好屏蔽，且不做多余設(shè)計(jì)。比如，經(jīng)緯向金屬纖維排列間距不一樣時(shí)，排列間距緊密的一個(gè)方向的金屬纖維紗線是浪費(fèi)且不必要的。

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Comparative research on electromagnetic shielding effectiveness of fabric tested by flange coaxial method and shielding chamber method

XIAO Hong1, TANG Zhanghong2, SHI Meiwu1, WANG Qun2

(1.TheQuartermasterResearchInstituteoftheGeneralLogisticsDepartmentofthePLA,Beijing100082,China;2.InstituteofMaterials,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)

10.13475/j.fzxb.20150306308

2015-03-31

2015-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51403232)

肖紅(1976—)，女，高級(jí)工程師，博士。主要研究方向?yàn)楣δ苄约徔椘?。E-mail:76echo@vip.sina.com。

TS 106

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