低反射、高吸收海水電磁屏蔽體

王身云，岑大維，蘭桂英

（南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用電磁研究中心，南京 210044）

電磁輻射產(chǎn)生的危害主要包括電磁干擾、電磁信息泄露和電磁環(huán)境污染等方面[1]。降低電磁輻射危害的有效手段包括限制電磁輻射劑量、利用電磁屏蔽技術(shù)等。電磁屏蔽是利用屏蔽體來(lái)阻擋或減弱電磁能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)，通常采用屏蔽效能來(lái)定量描述電磁波屏蔽的效果，其定義為在防護(hù)區(qū)域未加載屏蔽體時(shí)和加載屏蔽體時(shí)的電場(chǎng)幅值之比。從物理機(jī)制上看，電磁波被屏蔽體阻擋的機(jī)制包括反射效應(yīng)、吸收效應(yīng)以及多次反射和吸收效應(yīng)。因此，電磁屏蔽材料主要包括三種類(lèi)型：以反射損耗為主的電磁屏蔽材料，這類(lèi)材料以導(dǎo)電材料為主，如金屬材料[2]、導(dǎo)電涂料[3]、導(dǎo)電塑料[4]等；反射損耗與吸收損耗相結(jié)合的電磁屏蔽材料，以具有磁性的導(dǎo)電材料為主，如Ni-P合金[5]，其主要應(yīng)用于低頻磁屏蔽[6]；以吸收損耗為主的低反射電磁屏蔽材料，主要應(yīng)用于精密電子設(shè)備和隱身目標(biāo)的電磁屏蔽。當(dāng)電子設(shè)備內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)電磁反射時(shí)，可能導(dǎo)致自干擾現(xiàn)象，從而影響電子設(shè)備的性能發(fā)揮。在軍事上，針對(duì)敵方強(qiáng)電磁干擾，低反射電磁屏蔽材料在保護(hù)電磁能量入侵的同時(shí)，還具有反電磁探測(cè)的能力。目前研究低反射、高吸收的電磁屏蔽材料，存在一定的困難。從材料的電磁本構(gòu)關(guān)系上可以看到，單元材料在增加損耗因素的同時(shí)，難以滿(mǎn)足電磁阻抗匹配。因此，通常采用多元材料來(lái)同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)條件。文獻(xiàn)[7]指出，采用多元材料來(lái)設(shè)計(jì)低反射、高吸收電磁屏蔽體時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮材料損耗和阻抗匹配兩個(gè)因素。近期的研究表明，具有較高電導(dǎo)率的海水層結(jié)構(gòu)對(duì)電磁傳輸產(chǎn)生較強(qiáng)損耗，從而展示出較好的電磁屏蔽效能[8]。海水的高電導(dǎo)率特性會(huì)引起阻抗失配，類(lèi)似于其他高電導(dǎo)率材料，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁反射，不利于應(yīng)用在精密電子設(shè)備和電磁隱身目標(biāo)等場(chǎng)合。因此，有耗海水物質(zhì)屬于第一類(lèi)電磁屏蔽材料。為了消除電磁屏蔽體表面產(chǎn)生的電磁反射，本質(zhì)問(wèn)題是重新設(shè)計(jì)其輸入阻抗，使其與電磁入射空間媒質(zhì)的特性阻抗相匹配。

文中首先針對(duì)反射型海水電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，研究其輸入阻抗特性。利用平面波和傳輸線(xiàn)理論，針對(duì)反射型海水電磁屏蔽體，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的阻抗匹配媒質(zhì)層，使得入射電磁波能夠有效或全部穿透到海水電磁屏蔽體內(nèi)部，產(chǎn)生傳導(dǎo)損耗和極化損耗，從而實(shí)現(xiàn)具有低反射、高吸收特性的海水電磁屏蔽體。

1 研究方法

考慮層狀海水電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，入射波為平面電磁波。文獻(xiàn)[8]研究表明，平面波照射到多層（有耗或無(wú)耗）媒質(zhì)的反射系數(shù)和透射系數(shù)表達(dá)式為：

式中：0k和Sk分別為干擾源區(qū)域和防護(hù)區(qū)域的媒質(zhì)波數(shù)；0μ和Sμ分別為干擾源區(qū)和被屏蔽區(qū)域的磁導(dǎo)率；ijX為多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣元素。由于海水是有耗介質(zhì)，而空氣可近似為理想的無(wú)損耗介質(zhì)，二者的特性阻抗存在較大差異。為了使入射電磁波能夠有效穿透到海水電磁屏蔽體內(nèi)部，則必須加載額外的匹配介質(zhì)層，來(lái)滿(mǎn)足阻抗匹配條件。利用傳輸線(xiàn)理論的電路匹配思想，反射型海水電磁屏蔽體的阻抗匹配層可由2層媒質(zhì)構(gòu)成。因此，具有電磁匹配特性的海水電磁屏蔽體可以采用4層材料構(gòu)成，如圖1所示。其中，第1層為封裝玻璃層，第2層為有耗海水層，第3層介質(zhì)為海水電磁屏蔽體輸入阻抗in(2)η的實(shí)數(shù)變換層，第4層為實(shí)數(shù)輸入阻抗in(3)η的空氣阻抗匹配變換層。

圖1 基于匹配層的海水電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)Fig.1 Seawater electromagnetic shielding structure based on matching layer

針對(duì)第i層媒質(zhì)的輸入阻抗，其計(jì)算公式為：

式中：di為第i層媒質(zhì)的厚度；ηi為第i層媒質(zhì)的為媒質(zhì)的導(dǎo)納率、阻抗率和復(fù)數(shù)波數(shù)，分別由媒質(zhì)的電磁特性參數(shù)表示[8]。

研究過(guò)程中，當(dāng)?shù)?層和第2層媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定時(shí)，其復(fù)數(shù)輸入阻抗ηin(2)為確定值。采用兩層理想媒質(zhì)來(lái)對(duì)其輸入阻抗進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。為了節(jié)省材料類(lèi)型，第3層媒質(zhì)采用第1層相同媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)到實(shí)數(shù)輸入阻抗變換。利用傳輸線(xiàn)原理，第3層媒質(zhì)的厚度 d3應(yīng)為滿(mǎn)足條件：，φ2為復(fù)數(shù)輸入阻抗ηin(2)的復(fù)角。最后，通過(guò)第4層媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)前3層媒質(zhì)實(shí)數(shù)輸入阻抗ηin(3)到空氣特性阻抗變換，即滿(mǎn)足 ηin(4)=η0。第4層媒質(zhì)采用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器原理，其媒質(zhì)特性阻抗η4和厚度d3應(yīng)滿(mǎn)足條件：

2 實(shí)例分析

為了對(duì)比，以文獻(xiàn)[8]中所計(jì)算的反射型海水電磁屏蔽體為研究基礎(chǔ)。其中，DM305型號(hào)的封裝玻璃層厚度 d1=d3=3.0 cm，介電常數(shù)的實(shí)部，虛部忽略。海水層厚度 d2=9.0 cm，海水電磁參數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)條件t=20 ℃，鹽度值S=3.5%時(shí)，Klein和Swift擬合的海水Debye模型參考值。根據(jù)能量守恒關(guān)系，入射波照射到電磁屏蔽體上的反射功率r(ω)2、透射功率和吸收功率 A (ω)之間的關(guān)系可表示為：

這種未加匹配結(jié)構(gòu)的海水電磁屏蔽體的電磁能量配比如圖 2a所示。可以看到，在所計(jì)算的工作頻段（200～700 MHz），非匹配海水電磁屏蔽體對(duì)電磁能量的阻擋機(jī)制以電磁反射為主。針對(duì) ISM 頻段（433.05～434.79 MHz），其中心頻率 f0=433.92 MHz。利用上述傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)原理，重新計(jì)算第 3層媒質(zhì)厚度： d3=18 cm；第 4層媒質(zhì)厚度和相對(duì)介電常數(shù)：d4=4.1 cm，εr4=18。該匹配海水電磁屏蔽體對(duì)平面照射電磁波的能量分配比值如圖2b所示?？梢钥吹剑肷潆姶挪ㄔ谥行念l率處產(chǎn)生了零反射功率和接近于1的吸收功率，半吸收功率帶寬覆蓋了ISM頻段。

從圖2中可以看到，兩種海水電磁屏蔽體的透射功率均接近于0，表明低反射海水電磁屏蔽體能夠保持良好電磁屏蔽的優(yōu)勢(shì)。為了更好地比較兩種海水電磁屏蔽體的電磁屏蔽效果，圖3給出了對(duì)應(yīng)的電磁屏蔽效能?？梢钥吹剑咴?00～700 MHz頻段內(nèi)的電磁屏蔽效能達(dá)到60 dB以上，滿(mǎn)足二級(jí)屏蔽要求。在低反射、高吸收頻段內(nèi)，匹配海水電磁屏蔽體的屏蔽效能略有下降，這是由于入射電磁波有更多的功率進(jìn)入電磁屏蔽體內(nèi)部，多次反射和多次透射效應(yīng)略有增強(qiáng)所致。最后，為了驗(yàn)證匹配海水電磁屏蔽體的低反射、高吸收物理機(jī)制，計(jì)算了其輸入阻抗。

圖2 屏蔽體電磁能量（反射、穿透與吸收）損耗比Fig.2 Shielding electromagnetic energy (reflection, penetration and absorption) loss ratio: a) Unmatched seawater magnetic shielding; b) Matched sea water magnetic shielding

圖3 屏蔽效能比較Fig.3 Comparison of shielding effectiveness

從圖4中可以看出，針對(duì)沒(méi)有匹配的海水電磁屏蔽體，輸入阻抗與空氣特性阻抗具有較大差異，從而導(dǎo)致較強(qiáng)的反射效應(yīng)。針對(duì)匹配海水電磁屏蔽體，其輸入阻抗在中心頻點(diǎn)處滿(mǎn)足實(shí)部 R e[ηin(4)]=η0(377 Ω)，虛部 I m[ηin(4)]=0。匹配海水電磁屏蔽體的輸入阻抗與空氣阻抗完全匹配，從而導(dǎo)致入射電磁波功率全部進(jìn)入到海水層內(nèi)部，以傳導(dǎo)損耗和極化損耗方式轉(zhuǎn)換成熱能。

圖4 輸入阻抗比較Fig.4 Comparison of input impedance: a) unmatched seawater magnetic shielding; b) matched seawater magnetic shielding

在上述匹配媒質(zhì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了計(jì)算方便，將第1、3層玻璃媒質(zhì)和第4層匹配媒質(zhì)的損耗忽略。當(dāng)匹配媒質(zhì)為良介質(zhì)時(shí)，即其損耗因素非常小時(shí)（例如文獻(xiàn)[8]中給出的玻璃損耗因素僅為ε''(ω)=0.0003ε0），對(duì)上述計(jì)算結(jié)果影響非常小。另外，文中所設(shè)計(jì)的低反射、高吸收電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)針對(duì)所考慮頻段的中心頻率，半功率相對(duì)帶寬約12%。為了擴(kuò)展低反射電磁屏蔽的匹配帶寬，可以增加匹配媒質(zhì)層和媒質(zhì)類(lèi)型，通過(guò)串聯(lián)形成多頻點(diǎn)匹配，從而達(dá)到寬帶低反射、高吸收特性。

3 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種低反射、高吸收海水電磁屏蔽體的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)反射型海水電磁屏蔽體的輸入阻抗和傳輸線(xiàn)理論，可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的電磁匹配媒質(zhì)結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，加載了匹配媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的海水電磁屏蔽體可以展示出較好的低反射、高吸收電磁屏蔽特性。該方法可以有效推廣到針對(duì)其他反射型電磁屏蔽體的低反射、高吸收特性設(shè)計(jì)，并有望在精密儀器設(shè)備的電磁屏蔽和目標(biāo)反探測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。