新型立絨織物頻率選擇表面頻響特征影響因素

王亞靜， 肖 紅， 程煥煥， 施楣梧， 王 群， 唐章宏

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100082；3. 北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100124)

新型立絨織物頻率選擇表面頻響特征影響因素

王亞靜1,2， 肖 紅2， 程煥煥1， 施楣梧2， 王 群3， 唐章宏3

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100082；3. 北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100124)

為探究具有柔性特點(diǎn)的頻率選擇表面的頻響特性，以導(dǎo)電紗線為結(jié)構(gòu)單元材料，采用立絨紡織加工手段，制備U型立絨織物頻率選擇表面，并對(duì)樣品進(jìn)行透射系數(shù)測(cè)試與分析，研究頻響特征的影響因素。單元結(jié)構(gòu)尺寸、行距、絨毛高度、絨毛傾斜角度增加，樣品的諧振頻率均向低頻移動(dòng)；U型單元導(dǎo)電紗線絨毛密度增加，諧振頻率向高頻移動(dòng)；單元底部總長(zhǎng)度相同時(shí)，U型的個(gè)數(shù)幾乎不影響織物的諧振頻率，但隨著相同U型單元的個(gè)數(shù)增加，諧振頻率持續(xù)向低頻移動(dòng)；當(dāng)鍍銀纖維作為結(jié)構(gòu)單元材料時(shí)，其諧振處的峰值及帶寬均較大，而結(jié)構(gòu)更為規(guī)整的裸銅絲樣品，其諧振峰則更加尖銳而陡峭。U型立絨織物對(duì)入射角具有穩(wěn)定性，但受極化方式影響較大。

U型立絨織物； 頻率選擇表面； 影響因素； 頻響特性

頻率選擇表面(frequency selective surfaces, FSS)是一種一維或二維排列的周期結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的FSS結(jié)構(gòu)單元為金屬貼片或金屬孔徑。其中，貼片型結(jié)構(gòu)FSS對(duì)諧振頻率附近的電磁波表現(xiàn)為全反射，孔徑型FSS表現(xiàn)為全透射[1]。關(guān)于FSS的研究，目前大都為單層[2-3]、多層[4-5]以及立體[6-7]的金屬單元結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)電磁功能材料、單元尺寸、排列參數(shù)等指標(biāo)，獲取特定諧振點(diǎn)和帶寬、多頻、角度穩(wěn)定、小型化等特性[4,8]。以金屬材料作為結(jié)構(gòu)單元的FSS，通過(guò)電路板印刷、化學(xué)刻蝕、金屬材料涂層等技術(shù)制備[9-10]，具有材質(zhì)硬、質(zhì)量重、加工靈活性差的缺點(diǎn)，因而，制備輕質(zhì)柔性的電磁功能周期結(jié)構(gòu)頻率選擇織物(FSF)具有重要意義。

基于人工電磁媒質(zhì)，以導(dǎo)電紗線為結(jié)構(gòu)單元材料，普通纖維為介質(zhì)材料，采用紡織加工手段，制備具有周期結(jié)構(gòu)電磁功能紡織材料，其兼其易制備、質(zhì)輕、柔軟、帶通頻率可設(shè)計(jì)等特性[11]，應(yīng)用于可穿戴天線、通信窗、功能織物等領(lǐng)域[12-13]。

近年來(lái)，諸多學(xué)者采用機(jī)織[13]、針織[14]、刺繡[15]、絲網(wǎng)印刷[16]、噴墨打印[17]、選擇性化學(xué)鍍[14]等紡織加工手段，制備了各種頻響特性的平面周期結(jié)構(gòu)紡織品(二維FSF)，并取得了初步的研究成果。與二維FSF相比，立體周期結(jié)構(gòu)織物(三維FSF)具有更多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、角度穩(wěn)定性等特點(diǎn)。肖紅等[18]已探究出由偶極子高度方向延伸而得的三維FSF，具有雙頻效應(yīng)等特點(diǎn)；文獻(xiàn)[19]也有相關(guān)報(bào)道。本文將進(jìn)一步系統(tǒng)研究U型立絨三維FSF的頻響特性影響因素。

1 立絨FSF

1.1 立絨FSF的特點(diǎn)

探究的立絨織物基本單元為U型立體結(jié)構(gòu)，是由偶極子單元兩端點(diǎn)沿垂直單元長(zhǎng)度方向延伸而得?；诹⒔q織物的三維FSS，相比普通金屬單元結(jié)構(gòu)的三維FSS，具有輕質(zhì)、易制備以及其他材料難以達(dá)到柔性[12，19]的特點(diǎn)；相比于二維FSS，在尺寸上具有三維設(shè)計(jì)空間，增加了設(shè)計(jì)維度。1.2 立絨FSF的頻響特征影響因素

頻響特性是影響FSS最重要的性能，是指FSS對(duì)入射電磁波的反射、透射、吸收、諧振和極化等現(xiàn)象隨電磁波頻率發(fā)生變化的性能，主要指標(biāo)有諧振頻率、阻帶帶寬或傳輸帶寬及其穩(wěn)定性、反射系數(shù)、透射系數(shù)等。頻響特性受多因素影響，單元形狀、周期尺寸及介質(zhì)的電磁性能(與介質(zhì)厚度、材料、加載方式相關(guān))是頻響特性的決定性因素[20]。實(shí)際應(yīng)用中，入射波角度和極化方式未知不可控，所以FSS的入射角和極化穩(wěn)定性也至關(guān)重要。1.2.1 單元設(shè)計(jì)

1)單元形狀及其尺寸。不同單元形狀的FSS頻響特性不同，如天線理論中，偶極子單元不同粗細(xì)振子使相同極化和入射條件下的諧振點(diǎn)不同。Y型單元FSS對(duì)入射角穩(wěn)定性相對(duì)較好，但極化穩(wěn)定性不太好[21]。除此之外，立絨FSF的單元設(shè)計(jì)還包括絨毛密度、絨毛傾斜角度、U型連通情況等參數(shù)。相同單元形狀，單元長(zhǎng)度、高度不同的FSS，也會(huì)有不同的諧振現(xiàn)象。

2)排列方式及其單元間距。結(jié)構(gòu)單元的排列方式也稱柵格形式。二維柵格排列一般分為矩形柵格和三角形柵格2種。由于單元形狀的性能差別，不同單元適用不同排列形式。偶極子形、方環(huán)形和圓環(huán)形等單元一般采用矩形柵格，而Y形、六邊形等宜采用三角形排列形式。單元間距比單元尺寸對(duì)頻響特性的影響要小。當(dāng)單元間距變大時(shí)，諧振頻率開(kāi)始向低頻方向移動(dòng)，隨后移動(dòng)幅度變小[22]。當(dāng)單元間距增大到一定程度時(shí)，單元間的耦合效應(yīng)可以忽略，諧振頻率變化不明顯。

1.2.2 材料與工藝

1)材料的電磁參數(shù)。包括周期結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)材料和介質(zhì)層材料。對(duì)于二維FSS來(lái)說(shuō)，除了結(jié)構(gòu)單位形狀及尺寸，介質(zhì)層材料的相對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)磁導(dǎo)率、損耗角以及金屬單元的電導(dǎo)率等電磁性能參數(shù)均影響周期結(jié)構(gòu)的頻響特性。如金屬材料的電導(dǎo)率越大，對(duì)電磁波損耗就越大，諧振峰的透射系數(shù)絕對(duì)值越大[22]。

2)介質(zhì)層。其影響因素包括介質(zhì)的材料、厚度和介質(zhì)加載方式。隨介質(zhì)板厚度增加，諧振帶寬越大，諧振頻率先下降后回升[23]。介質(zhì)加載方式一般可分為3種：介質(zhì)作為基底材料加載、夾心結(jié)構(gòu)加載和多層加載。多層電磁材料加載的巧妙設(shè)計(jì)可具有寬帶、低入射損耗、高選擇性、低輪廓或入射角度和極化穩(wěn)定等特性[24]。

3)織造工藝。運(yùn)用針織、機(jī)織、刺繡、選擇性化學(xué)鍍、噴墨打印、絲網(wǎng)印刷等紡織工藝，織造具有電磁特性的周期結(jié)構(gòu)織物。本文中的立絨FSF，采用U型立絨加工方式進(jìn)行制備。

電磁波入射角不同時(shí)，F(xiàn)SS頻響特性不同，入射角對(duì)其對(duì)稱結(jié)構(gòu)的頻響特性影響不大。對(duì)于開(kāi)槽方形單元FSS，隨電磁波入射角增加，TE(transverse electric)波極化的諧振頻率逐漸增加，帶寬逐漸降低；TM(trousverse magnetic)波極化的諧振頻率變化不明顯，但帶寬逐漸增加。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文中實(shí)驗(yàn)所用紗線相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表1所示。若無(wú)特殊說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)所用紗線股數(shù)參考表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用材料及其參數(shù)Tab.1 Materials used in experiments and their parameters

2.2 樣品制備

2.2.1 金屬紗線模型樣品制備

2.2.1.1 不同結(jié)構(gòu)尺寸與材料的模型樣品 為了探究單元結(jié)構(gòu)尺寸及材料對(duì)FSF頻響特性的影響，采用鍍銀長(zhǎng)絲制作不同高度、尺寸、絨毛密度的織物模型樣品；采用不同紗線如不銹鋼包芯紗、不銹鋼混紡紗、鍍銀長(zhǎng)絲、普通錦綸長(zhǎng)絲制備不同材料的模型樣品，進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析。FSF的單元結(jié)構(gòu)均為U型，示意圖、實(shí)物圖分別如圖1、2所示，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2所示。

圖1 基于單U型單元三維FSS模型示意圖Fig.1 Sketch of single U velvet 3-D periodic structure fabric model based on copper wire

圖2 金屬紗線模型樣品實(shí)物圖Fig.2 Physical maps of metallic yarn model sample. (a) Front; (b) Side; (c) Back

樣品編號(hào)單元長(zhǎng)度L/mm行距Dy/mm間距Dx/mm高度h/mm材料A-h0-#6660鍍銀長(zhǎng)絲A-h1-#6663鍍銀長(zhǎng)絲A-h2-#6666鍍銀長(zhǎng)絲A-h3-#6669鍍銀長(zhǎng)絲B-y1-#6366鍍銀長(zhǎng)絲B-y2-#6666鍍銀長(zhǎng)絲B-y3-#6966鍍銀長(zhǎng)絲C-s1-#2223鍍銀長(zhǎng)絲C-s2-#6663鍍銀長(zhǎng)絲C-s3-#8883鍍銀長(zhǎng)絲D-m1-#6666鍍銀長(zhǎng)絲D-m2-#6666銅絲D-m3-#6666普通錦綸長(zhǎng)絲D-m4-#6663鍍銀長(zhǎng)絲D-m5-#6663不銹鋼包芯紗D-m6-#6663不銹鋼混紡紗

2.2.1.2 不同絨毛密度的模型樣品 導(dǎo)電紗線的絨毛密度用U型結(jié)構(gòu)中不同股數(shù)的導(dǎo)電紗線表征。文獻(xiàn)[18]中，已經(jīng)對(duì)比分析了3種絨毛密度的FSF，本文拓展至5種不同絨毛密度的FSF，以更加完善地討論其諧振現(xiàn)象的變化規(guī)律。樣品尺寸參數(shù)均為L(zhǎng)=h=9 mm,Dx=Dy=6 mm獨(dú)立U型單元結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)單元由單股紗線合股而成，其中單股線密度為10.2 tex，合股紗線線密度為4、102、163、224、286 tex的樣品，分別編號(hào)為Ag-S1-#、Ag-S2-#、Ag-S3-#、Ag-S4-#、Ag-S5-#。實(shí)物如圖2所示，基布是普通滌綸布，用聚乙烯(PE)泡沫板支撐紗線，防止紗線倒伏。

2.2.1.3 不同絨毛傾斜角度的模型樣品 圖3示出絨毛傾斜示意圖及伍意角度絨毛傾斜樣品實(shí)物圖。為探究絨毛傾斜角度對(duì)諧振的影響，將16股的U型三維FSF的Ag-S3-#，取下1～2層1mm厚的PE泡沫板，沿單元長(zhǎng)度L延伸方向從外向內(nèi)依次拉扯未取下的PE泡沫板，使固定在PE泡沫板里的絨毛傾斜至設(shè)定角度θ，形成不同絨毛傾斜角度的U型三維FSF；之后，剪下U型絨毛傾斜FSF中的偶極子，探究不同絨毛傾斜角度下U型及單獨(dú)雙立柱單元結(jié)構(gòu)FSF的頻響特性。

圖3 絨毛傾斜示意圖及任意角度絨毛傾斜樣品實(shí)物圖Fig.3 Schematic diagram of incline of velvet and physical map of arbitrary angle of velvet. (a) Inclination of velvet; (b) Inclination of double-column velvet; (c) Photograph of sample with random angle of velvet

任意角絨毛的樣品，是指絨毛傾斜角度不同、傾斜方向不一，取下支撐絨毛的所有PE泡沫板，對(duì)樣品進(jìn)行手工隨意角度壓絨處理，使得絨毛傾斜角度各不相同，如圖3(c)所示。

2.2.2 立絨周期結(jié)構(gòu)織物樣品制備

以上實(shí)驗(yàn)樣品中的單元結(jié)構(gòu)均為獨(dú)立U型，現(xiàn)探究U型結(jié)構(gòu)單元多樣的連通方式，如圖4所示。以小樣機(jī)制備的簇絨地毯作基底介質(zhì)，鍍銀紗線構(gòu)成U型結(jié)構(gòu)單元，制備不同連通方式的U型立絨FSF，立絨FSF如圖5所示，參數(shù)見(jiàn)表3所示。

2.3 測(cè)試方法

本文實(shí)驗(yàn)采用屏蔽室法測(cè)試透射系數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)包括安捷倫E8257D信號(hào)發(fā)生器、E7405AEMC頻譜分析儀、喇叭天線和吸波屏等，測(cè)試系統(tǒng)圖如圖6

圖4 U型連通方式示意圖Fig.4 Sketch of different U connecting. (a) Sample with bottom unconnectivity; (b) Number of different U type; (c) Different U type number with same unit bottom length

圖5 U型立絨織物正面和反面Fig.5 Positive and negative of U velvet FSF. (a) Front; (b) Back

樣品編號(hào)單元長(zhǎng)度L/mm間距(Dx=Dy)/mm單元高度h/mm連通方式所用結(jié)構(gòu)材料D-u1-6#669U鍍銀長(zhǎng)絲D-u2-6#1269雙U鍍銀長(zhǎng)絲D-u3-6#1869三U鍍銀長(zhǎng)絲D-u1-9#969U鍍銀長(zhǎng)絲D-u2-9#1869雙U鍍銀長(zhǎng)絲D-u1-12#1269U鍍銀長(zhǎng)絲

所示。根據(jù) GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》，設(shè)置測(cè)試環(huán)境條件，有效測(cè)試試樣大小為18 cm×18 cm。

圖6 屏蔽室法測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)圖Fig.6 Schematic diagram and measured diagram of testing system for transmission coefficient

透射系數(shù)計(jì)算公式為

式中：P1為放置樣品測(cè)試的接收功率，dBm；P2為置空處的接收功率，dBm；S21為透射系數(shù)，dB。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸

3.1.1 單元行距

保持單元間距Dx=6 mm和單元高度h=6 mm不變，制作單元行距Dy分別為3、6、9 mm的樣品(依次對(duì)應(yīng)B-y1-#，B-y2-#，B-y3-#)，測(cè)試其透射系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同單元行距樣品的透射系數(shù)Fig.7 Transmission coefficient results for samples with different line spacing

隨著絨毛行距Dy的增加，諧振頻率向低頻移動(dòng)，帶寬會(huì)明顯變窄。當(dāng)間距過(guò)大時(shí)，電磁波與絨毛之間發(fā)生諧振的幾率減小，使得結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的選擇性下降。

3.1.2 單元尺寸

探究不同單元尺寸對(duì)其結(jié)構(gòu)頻響特性的影響，絨高保持3 mm，分別制備單元尺寸Dx=Dy=L=2 mm(C-s1-#)，Dx=Dy=L=6 mm(C-s2-#)，Dx=Dy=L=8 mm(C-s3-#)的金屬紗線樣品(試樣編號(hào)分別為A-h0-#、A-h1-#、A-h2-#、A-h3-#)，測(cè)得其透射系數(shù)如圖8所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)單元尺寸樣品透射系數(shù)Fig.8 Transmission coefficient results for samples with different unit structure sizes

隨著循環(huán)單元尺寸的增加，諧振頻率會(huì)大大向低頻率移動(dòng)，帶寬也將逐漸變窄。帶寬的變化與FSS的等效電容和電感有關(guān)，諧振頻率的變化主要與等效電流密切相關(guān)，而單元間距的變化使其等效電容發(fā)生變化，單位長(zhǎng)度的變化引起等效電流的變化。3.1.3 立絨高度

在其他條件相同情況下，制作U型底部單元長(zhǎng)度為6 mm，絨毛高度分別為0、3、6、9 mm的立絨樣品，測(cè)得其透射系數(shù)如圖9所示。

圖9 不同立絨高度樣品的透射系數(shù)Fig.9 Transmission coefficient results for samples with different velvet height

在Dx=Dy=6 mm時(shí)，單位長(zhǎng)度L=6 mm情況下，當(dāng)h=0 mm時(shí)，樣品A-h0-#為二維FSS，樣品透射系數(shù)在2～18 GHz范圍內(nèi)接近于0，對(duì)該段電磁波呈現(xiàn)透通性。隨著絨毛高度的增加，等效電容和電流均增加，如3.1.2所述，將分別導(dǎo)致諧振頻率和帶寬的變化。圖9結(jié)果表明，絨毛高度增加使得諧振頻率迅速向低頻率移動(dòng)且?guī)捵冋?/p>

3.2 結(jié)構(gòu)材料

當(dāng)單元結(jié)構(gòu)尺寸相同(Dx=Dy=h=6 mm)時(shí)，分別采用不同結(jié)構(gòu)材料如鍍銀長(zhǎng)絲樣品D-m1-#、裸銅絲樣品D-m2-#、普通錦綸樣品D-m3-#制備樣品，其透射系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖10(a)所示。當(dāng)單元結(jié)構(gòu)尺寸為Dx=Dy=6 mm、h=3 mm時(shí)，分別采用鍍銀長(zhǎng)絲D-m4-#、不銹鋼包芯紗D-m5-#、不銹鋼混紡紗D-m6-#制備樣品，其透射系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖10(b)所示。采用不具有導(dǎo)電性能的普通錦綸長(zhǎng)絲制作的樣品，其透射系數(shù)幾乎為0。表明非導(dǎo)電材料具有透波特性。而導(dǎo)電性能最為優(yōu)良、結(jié)構(gòu)更為規(guī)整的裸銅絲樣品的透射曲線，更加陡峭尖銳、且諧振點(diǎn)峰值絕對(duì)值較大，說(shuō)明材料導(dǎo)電性能、結(jié)構(gòu)規(guī)整性對(duì)頻響特性的影響很大。鍍銀長(zhǎng)絲樣品的帶寬和諧振頻率峰值均大于棉/不銹鋼樣品。原因是前者的導(dǎo)電性優(yōu)于后者，而不銹鋼樣品具有一定的磁導(dǎo)率，影響電磁波的選擇透通性。

圖10 不同材料的透射系數(shù)Fig.10 Transmission coefficient results for samples with different velvet materials. (a)Samples with h=6 mm； (b)Samples with h=3 mm

3.3 絨毛密度

用不同股數(shù)的鍍銀長(zhǎng)絲調(diào)節(jié)樣品的絨毛密度。采用單紗線密度為10.2 tex的鍍銀長(zhǎng)絲，制備具有相同單元尺寸，不同導(dǎo)電紗線股數(shù)的U型周期結(jié)構(gòu)模型樣品。

樣品的諧振頻率在5.0～6.0 GHz間變化測(cè)試結(jié)果如圖11所示。隨著絨毛密度的增加，單元之間的距離減小，鍍銀紗線的整體半徑增大，單元耦合電容減小，諧振頻率變大。諧振峰的峰值變化沒(méi)有明顯的規(guī)律，其理論仍在探究中。

圖11 不同線密度導(dǎo)電紗的透射系數(shù)Fig.11 Transmission coefficient results for samples with different density of conductive yarns

3.4 絨毛傾斜角度

絨毛傾斜現(xiàn)象在簇絨地毯的實(shí)際使用中很常見(jiàn)，如絨毛單一方向傾斜或支撐紗線稀疏而導(dǎo)致絨毛向各個(gè)方向傾斜等。實(shí)驗(yàn)中使用16股鍍銀紗線樣品Ag-S3-#，U型單元與雙立柱單元FSF絨毛傾斜結(jié)構(gòu)如圖3所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12。從圖12(a)可看出，樣品為U型單元，隨著絨毛傾斜角度的增大，諧振頻率先緩慢變小后趨于不變，變化范圍較?。煌干湎禂?shù)先增大后減小，變化范圍較大。即絨毛傾斜主要影響透射系數(shù)，對(duì)諧振頻率影響不大。Cheng等[19]分析出隨著絨毛高度的減小，諧振點(diǎn)向高頻移動(dòng)。從圖12(b)可看出，雙立柱型結(jié)構(gòu)單元樣品傾斜不同角度的透射系數(shù)基本保持0不變，說(shuō)明影響諧振頻率的主要是U型結(jié)構(gòu)連通的底部，而不是單獨(dú)的雙立柱結(jié)構(gòu)。任意角度的絨毛傾斜，使絨毛間相互連通，相當(dāng)于金屬板，對(duì)電磁波形成反射。U型結(jié)構(gòu)單元任意角的透射系數(shù)值比雙立柱型結(jié)構(gòu)單元任意角的透射系數(shù)值稍小，主要原因是U型結(jié)構(gòu)由偶極子連接雙立柱，連通性相對(duì)更好些。

本文將U型三維FSS應(yīng)用于立絨產(chǎn)品，非導(dǎo)電纖維間隔導(dǎo)電纖維，起到支撐和固定作用，并且緊湊的絨毛排列可有效解決導(dǎo)電絨毛連通倒伏的問(wèn)題。

圖12 不同絨毛傾斜角下樣品Ag-S3-#的透射系數(shù)Fig.12 Transmission coefficient results for sample Ag-S3-# with different incidence angles. (a) Unit cell with U type; (b) Unit cell with double-column type

3.5 U型底部連通方式

3.5.1 底部是否連通對(duì)FSF頻響特性的影響

單元的完整性對(duì)FSF頻響特性十分重要，測(cè)試表2中的D-m6-#樣品底部剪斷前和剪斷后(見(jiàn)圖4(a))的透射系數(shù)，所得結(jié)果如圖13所示。

圖13 U型立絨D-m6-#樣品底部剪斷前后的透射系數(shù)對(duì)比Fig.13 Transmission coefficient of sample D-m6-# with U velvet before and after bottom cut

對(duì)比U型底部被剪斷前后，剪斷后的FSF在2～18 GHz范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，對(duì)電磁波基本呈現(xiàn)透通性。U型立絨織物單元結(jié)構(gòu)的底部連通直接影響織物的頻響特性。結(jié)合小節(jié)3.4中雙立柱織物的頻向特性，可得U型結(jié)構(gòu)中的偶極子使得FSF產(chǎn)生諧振，絨毛高度影響諧振參數(shù)的大小。

3.5.2 底部總長(zhǎng)度相同U型連通個(gè)數(shù)不同的影響

一般情況下，U型簇絨地毯織機(jī)上織造的一個(gè)小U型遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于9 mm，因而需探究單元底部總長(zhǎng)度相同的情況下不同U型的個(gè)數(shù)對(duì)頻響特性的影響結(jié)果如圖14所示。單元底部總長(zhǎng)度為固定值12 mm時(shí)，制作單U型結(jié)構(gòu)單元織物樣品D-u1-12#和雙U型樣品D-u2-6#，測(cè)試結(jié)果如圖14(a)所示；單元底部總長(zhǎng)度為18 mm時(shí)，制作雙U單元的樣品D-u2-9#和三U單元樣品D-u3-6#，測(cè)試結(jié)果如圖14(b)所示。

圖14 單元底部總長(zhǎng)度一定U型連通個(gè)數(shù)es with different U number with same bottom length

單元底部長(zhǎng)度為12 mm的單U和雙U型樣品的諧振頻率分別為11.8、12 GHz。單元底部長(zhǎng)度為18 mm的雙U型和三U型樣品，諧振點(diǎn)均為10.44 GHz。即當(dāng)立絨FSF的U型單元底部總長(zhǎng)度為固定值時(shí)，連通U型的個(gè)數(shù)幾乎不影響織物的諧振頻率。根據(jù)此特性，可使用U型簇絨地毯織機(jī)織造不同單元形狀的FSS。圖中曲線的輕微移動(dòng)，與制樣誤差、排列縫隙等因素相關(guān)。

3.5.3 U型連通個(gè)數(shù)對(duì)FSF頻響特性的影響

單個(gè)U型長(zhǎng)度均為6 mm，隨著U型連通個(gè)數(shù)的增加(如圖4(b)所示)，研究其透射系數(shù)曲線變化規(guī)律，測(cè)試結(jié)果如圖15所示。分析10～14 GHz內(nèi)的諧振點(diǎn)，U型連通個(gè)數(shù)越多，諧振頻率會(huì)向低頻移動(dòng)。由于U型連通個(gè)數(shù)增多，單元底部總長(zhǎng)度增大，易在低頻發(fā)生諧振。

圖15 U型連通個(gè)數(shù)與結(jié)構(gòu)頻響特性關(guān)系Fig.15 Transmission coefficient of samples with different U number

3.6 測(cè)試條件中的入射角與極化方式

將表2中D-m5-#樣品水平放置在拱形樣品架上，測(cè)試其反射系數(shù)，通過(guò)改變?nèi)肷涮炀€和接受天線與吸波屏法線之間的夾角，得到不同角度入射時(shí)樣品的反射系數(shù)如圖16所示。在樣品水平放置時(shí)，隨著入射角的變化，諧振頻率和反射性能沒(méi)有波動(dòng)，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)具有一定的角度穩(wěn)定性。

圖16 不同入射角度下樣品的反射系數(shù)Fig.16 Reflection coefficient results for samples under different incidence angles

用屏蔽室法測(cè)透射系數(shù)，驗(yàn)證不同入射波極化方式對(duì)樣品頻響特性的影響，測(cè)試結(jié)果如圖17所示。而由于單元結(jié)構(gòu)形狀為立體U型，受入射波極化方式影響較大。當(dāng)將樣品垂直放置時(shí)，樣品對(duì)電磁波基本呈現(xiàn)全部透通性。

圖17 不同極化波入射時(shí)透射系數(shù)Fig.17 Reflection coefficient results for samples under different polarization methods

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于立絨織物的三維FSS，實(shí)驗(yàn)探究了平面立體周期結(jié)構(gòu)、單元結(jié)構(gòu)尺寸、材料、絨毛密度、絨毛傾斜角度以及連通方式等參數(shù)對(duì)頻響特性的影響，得出以下結(jié)論。

1)絨毛行距的增加，產(chǎn)生的諧振頻率向低頻緩慢移動(dòng)，帶寬會(huì)明顯變細(xì)；循環(huán)單元周期尺寸或絨毛高度的增加，諧振頻率會(huì)向低頻率移動(dòng)，帶寬逐漸變窄。

2)由導(dǎo)電紗線構(gòu)成的尺寸和形狀相同的結(jié)構(gòu)單元FSF，紗線導(dǎo)電性越好，織物的諧振現(xiàn)象越明顯。隨著絨毛傾斜角度的增大，諧振頻率向低頻移動(dòng)；織物的絨毛密度越大，諧振頻率越高。

3)破壞U型底部結(jié)構(gòu)， FSF不產(chǎn)生諧振；單元底部總長(zhǎng)度相同時(shí)，U型個(gè)數(shù)基本不影響織物的諧振效應(yīng)；但相同U型個(gè)數(shù)越多，單元底部總長(zhǎng)度越大，諧振頻率向低頻移動(dòng)。

4)在樣品水平放置時(shí)，隨著入射角的變化，該結(jié)構(gòu)具有一定的角度穩(wěn)定性。但該結(jié)構(gòu)受入射波極化方式影響較大。

基于立絨織物的FSS具有常規(guī)FSS所不具有的輕質(zhì)柔性特點(diǎn)，并且從原料、單元形狀、尺寸等方面具有多種可設(shè)計(jì)性。以上實(shí)驗(yàn)探究所得出的結(jié)論，將有利于開(kāi)發(fā)特定諧振點(diǎn)的產(chǎn)品，有利于進(jìn)一步指導(dǎo)立絨FSF的研究。

FZXB

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Influence factors of frequency response characteristics for new velvet fabric with frequency selective surface

WANG Yajing1，2, XIAO Hong2, CHENG Huanhuan1, SHI Meiwu2, WANG Qun3, TANG Zhanghong3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticsSupportDepartment,Beijing100082,China; 3.CollegeofMaterial,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

With the metallic yarns as the conductive structure unit material, the new frequency selective fabrics based on U velvet were papered by velvet weaving method to explore the frequency response characteristics of flexible frequency selective surface. By testing and analyzing transmission coefficient of samples, influence factors of frequency response characteristics were studied. With the increase of unit structure size, line spacing, velvet height or inclination angle of testing, the resonant frequency shifts to low frequency, the density of the conductive yarns is increased, and the resonant frequency is moved to the high frequency, with the same unit bottom length, the resonant frequency of different U connections has little change. The increasing of the number of the same U connecting leads to the lower frequency. When silver fiber is used as the unit conductive material, the resonance peak and bandwidth of the sample are larger. And the resonant peak of bare copper wire samples is sharper and steeper. U type velvet fabric has the stability performance of the angle of incidence, but has a great influence on the way of polarization.

U-type velvet fabric; frequency selective surface; influence factor; frequency response characteristic

10.13475/j.fzxb.20161100310

2016-10-31

2016-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51673211)

王亞靜(1991—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)殡姶殴δ苤芷诮Y(jié)構(gòu)紡織材料。肖紅，通信作者， E-mail：76echo@vip.sina.com。

TS 106

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