寬頻范圍同類型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能變化規(guī)律

汪秀琛 李亞云 段佳佳 劉哲 周忠

摘 要：同類型雙層電磁屏蔽織物的應(yīng)用非常廣泛，但其在1～18 GHz寬頻范圍屏蔽效能的變化規(guī)律到目前還未探明，尤其是某些情況下雙層織物比單層織物屏蔽效能低的現(xiàn)象還未合理解釋。選擇鍍銅鎳?yán)w維、鍍銀纖維、不銹鋼纖維等常用電磁屏蔽織物設(shè)計實驗，采用小窗法屏蔽效能測試系統(tǒng)獲取單層及雙層織物的屏蔽效能，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及電磁理論，探索雙層織物屏蔽效能的變化規(guī)律，并解釋某些頻段雙層電磁屏蔽織物屏蔽效能低于單層的原因。結(jié)果表明：同類型雙層織物的屏蔽效能不完全遵循雙層理想屏蔽體的屏蔽效能變化規(guī)律，大多數(shù)情況下雙層織物比單層的屏蔽效能高;但在一定條件下，雙層織物之間可能形成非穩(wěn)定微小扁平諧振腔，使同類型雙層電磁屏蔽織物在某些頻段屏蔽效能低于單層;選擇合適的織物材料及確定合理的雙層之間間隙距離，可以有效降低微小扁平諧振腔的發(fā)生。研究結(jié)果對雙層電磁屏蔽織物屏蔽效能的設(shè)計、生產(chǎn)、評價及相關(guān)理論問題的研究具有參考價值。

關(guān)鍵詞：寬頻范圍;同類型;雙層電磁屏蔽織物;屏蔽效能;變化規(guī)律

Abstract：The same-type double-layer electromagnetic shielding （EMS） fabric is widely applied. Nevertheless， the variation rule of its shielding effectiveness （SE） in the wide frequency range of 1～18 GHz has not been revealed yet. Especially， it is unexplained that the SE value of double-layer fabric is lower than that of single-layer fabric in some cases. Copper-nickel-plated fiber fabrics， silver-plated fiber fabrics and stainless steel fiber fabrics are selected for designing experiments. The SE values of the single-layer fabrics and double-layer fabrics are obtained by the small window method SE test system. The experimental data and electromagnetic theory are relied on for exploring the variation rule of the SE of the double-layer fabrics and explaining the reason why the SE value of the double-layer EMS fabric is lower than that of the single layer fabric in some frequency bands. The results show that the SE of same-type double-layer fabric does not completely follow the SE variation rule of ideal double-layer shield.In most cases， the SE value of double-layer fabric is higher than that of single-layer fabric. However， an unstable flattened micro-resonator between double-layer fabrics under certain conditions may be formed， causing the SE value of same-type double-layer EMS fabric to be lower than that of single-layer fabric in some frequency bands.The occurrence of flattened micro-resonatorc an be largely reduced if suitable fabric materials are chosen and a reasonable gap distance between two layers of the fabrics is determined. The research results are of reference value to the design， production， evaluation and research on related theoretical problems on the SE of double-layer EMS fabrics.

Key words：wide frequency range; same type; double-layer electromagnetic shielding fabric; shielding effectiveness; variation rule

同類型雙層電磁屏蔽織物經(jīng)常被用在各種電磁兼容及電磁防護(hù)領(lǐng)域，例如服裝、柔性遮蓋物、復(fù)合材料基體等，但其屏蔽效能的變化規(guī)律至今沒有明確，一些現(xiàn)象尚待解釋。由于織物多孔、柔軟、易變形等特點，同類型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能并不是簡單的兩個單層疊加，也不遵循理想雙層介質(zhì)屏蔽效能計算公式[1]，多次測試發(fā)現(xiàn)同類型雙層織物在某些頻段時存在比單層屏蔽效能降低的情況。這種情況一旦發(fā)生，雙層織物做成的服裝、遮罩物、復(fù)合材料等會在某些情況下失去電磁防護(hù)作用，不知不覺對防護(hù)對象造成傷害，成為電磁防護(hù)的隱形殺手。但造成這種現(xiàn)象的原因至今尚未明確，因此，研究同類型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能變化規(guī)律及揭示其中的異常現(xiàn)象具有重要意義。

到目前為止，寬頻范圍的雙層同類型電磁屏蔽織物屏蔽效能變化規(guī)律相關(guān)研究較少報道，對存在的異常現(xiàn)象也未見提及。已有研究多集中在多層織物的吸波特性方面，如Choi等[2]制備了一種由棉織物層、玻璃纖維層及碳納米管層構(gòu)成的三層復(fù)合織物，并分析了不同層纖維結(jié)構(gòu)及性能對復(fù)合織物反射率及吸收率的影響。Brzezinski等[3]對多層聚合物與屏蔽織物構(gòu)建的電磁材料進(jìn)行討論，認(rèn)為電磁波反射層和電磁波吸收層進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，可以大幅提高材料的吸波性能。有學(xué)者對多層織物屏蔽效能進(jìn)行了一定探索，鄭倩雪等[4]研究了雙層和多層織物的屏蔽效能，并分析了間隔距離對雙層織物屏蔽效能的影響。梁然然等[5]及Marcinia等[6]則討論了雙層及多層電磁屏蔽織物疊放角度、疊放間距、疊放方式、織物層數(shù)排放時金屬紗線結(jié)構(gòu)對雙層及多層電磁屏蔽織物屏蔽效能的影響，其他與雙層電磁屏蔽織物相關(guān)的工作主要集中在雙層織物中間夾層對服裝屏蔽性能的影響[7]、織物屏蔽效能計算[8]、相關(guān)性能分析[9]等。另外也有一些文獻(xiàn)涉及多層紡織品的屏蔽效能研究，如利用多層組合進(jìn)行表面頻率選擇[10]等，但其多層的組合方式及目的與本文討論內(nèi)容并不相同。

綜上，到目前為止還未有針對1～18 GHz寬頻范圍同類型電磁屏蔽織物屏蔽效能規(guī)律進(jìn)行的研究，也未對某些頻段雙層織物比單層織物屏蔽效能降低這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋。因此，本文選擇不同參數(shù)的鍍銅鎳?yán)w維、鍍銀纖維、不銹鋼纖維等電磁屏蔽織物制作同類型雙層樣布，采用小窗法測試每塊樣布單層及雙層時的屏蔽效能，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及電磁理論，分析雙層電磁屏蔽織物屏蔽效能的大小變化規(guī)律，并揭示在一定條件下雙層織物比單層織物屏蔽效能降低的原因，為多層電磁屏蔽織物的設(shè)計、生產(chǎn)及評價提供參考。

1 實 驗

1.1 材 料

材料主要包含采用鍍銅鎳、鍍銀、不銹鋼3種類型纖維制造的電磁屏蔽織物，每種類型織物包含多塊具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的樣布，其中鍍銅鎳?yán)w維電磁屏蔽織物27塊，鍍銀纖維電磁屏蔽織物32塊，不銹鋼纖維電磁屏蔽織物53塊。具有代表性的3塊樣布見表1。

1.2 測試方法

依據(jù)GJB 6190-2008《電磁屏蔽效能測量方法》，采用DR-S08小窗法屏蔽效能測試箱（北京鼎容實創(chuàng)科技有限公司）、AV3629D微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建系統(tǒng)測試織物的屏蔽效能，頻率范圍為1～18 GHz。采用Keyence VK-X110形狀測量激光顯微鏡觀測面料的表面結(jié)構(gòu)。采用面料厚度測試儀、密度鏡、電子天平及直尺等測試織物的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 同類型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能

對所有樣布的單層屏蔽效能進(jìn)行測試，同時也對緊密疊放狀態(tài)即間隙為零時的同類型雙層電磁屏

蔽織物在1～18 GHz頻段的屏蔽效能進(jìn)行了測試，變化情況如圖1所示。從圖1（a）可見，100%鍍銅鎳?yán)w維的所有樣布在1～18 GHz頻段時雙層均比單層的屏蔽效能增加;從圖1（b）可見，100%鍍銀纖維的織物大多數(shù)情況遵守這個規(guī)律，但在一些高頻段會出現(xiàn)雙層織物屏蔽效能低于單層的情況，在16 GHz頻段范圍有明顯的降低區(qū)域;從圖1（c）可見，不銹鋼纖維混紡雙層織物在高頻段的屏蔽效能比單層增加顯著，但是在低頻段范圍個別頻點則出現(xiàn)雙層織物屏蔽效能低于單層的現(xiàn)象，可以看出其存在兩個明顯的降低區(qū)。將上述每種類型樣布在不同頻點的雙層狀態(tài)屏蔽效能與單層狀態(tài)屏蔽效能相減，可明顯看到箭頭（圖2）所指的頻段范圍有負(fù)值出現(xiàn)。

2.2 機(jī)理分析

由實驗可以得出，對于鍍銅鎳?yán)w維、鍍銀纖維及不銹鋼纖維這些主流電磁屏蔽織物類型，無論其原 料、組織及密度如何變化，在1～18 GHz寬頻范圍下，同類型雙層電磁屏蔽織物一般情況下屏蔽效能比單層有所增加，但是增加值隨頻段有所變化。其中，鍍銅鎳?yán)w維織物在1～18 GHz范圍內(nèi)增幅比較均勻，鍍銀纖維織物在10 GHz以下增幅較多，10 GHz以上增幅下降，而不銹鋼纖維織物則呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象，10 GHz以下增幅較少，10 GHz以上增幅較多。鍍銅鎳?yán)w維織物全頻段沒有出現(xiàn)增幅為負(fù)值的情況，而鍍銀纖維織物則在16 GHz左右出現(xiàn)增長負(fù)值，不銹鋼纖維織物則在1～2 GHz頻段及7 GHz左右出現(xiàn)增長負(fù)值。

局部頻段雙層屏蔽效能比單層低的現(xiàn)象是織物本身材料屬性及疊放緊密程度所致，其根本原因是試樣的柔軟性和延伸性及疊放的平整程度等，使雙層織物之間形成封閉或未封閉的扁平間隙區(qū)，如圖3所示。

這些扁平間隙區(qū)具有多樣性，在尺寸及形狀方面無規(guī)則可循，但其在雙層織物局部形成的腔體在一定頻段條件下會形成諧振腔，這種現(xiàn)象會嚴(yán)重降低雙層同類型織物的屏蔽效能。

圖4為電磁波入射時雙層電磁屏蔽織物不同區(qū)域場強(qiáng)變化示意。當(dāng)電磁波以場強(qiáng)E1（V/m）入射第一層織物時，原透過第一層的電場強(qiáng)度為E2′（V/m），其值為：

由于織物內(nèi)部導(dǎo)電纖維的排列及電磁參數(shù)的綜合作用，當(dāng)某個頻段單層織物屏蔽性能增強(qiáng)時（如圖1（b）中的16 GHz左右，圖1（c）中的1～2 GHz頻段及7 GHz左右），意味織物在該頻點導(dǎo)電性能更好，織表面反射電磁波的能力更強(qiáng)，在一定條件下，E2′可能在扁平間隙區(qū)域發(fā)生反復(fù)反射，并且不斷改變方向。根據(jù)諧振發(fā)生的規(guī)律，一般擾動波長需要小于腔體尺寸才能發(fā)生強(qiáng)諧振效應(yīng)，由于扁平間隙區(qū)域兩層織物之間的垂直距離尺寸有限，難以在1～18 GHz發(fā)生諧振，但與織物表面平行的橫向及縱向尺寸可能較大，從而滿足波長條件，此時E2′發(fā)生多次反射并改變方向后，就可能在此扁平間隙區(qū)域的水平方向引發(fā)共振發(fā)生諧振效應(yīng)，從而形成扁平諧振腔。發(fā)生諧振后E2′增強(qiáng)為E2（V/m），一般情況下其方向與織物表面基本平行，如圖4所示。根據(jù)電磁理論，衡量諧振腔積聚電磁能量的品質(zhì)因子Q（無量綱）如式（2）：

很明顯，由于雙層織物在形成微小扁平諧振腔頻段的高導(dǎo)電性及極小的距離，導(dǎo)致電阻R及電容C均較小，從而使Q較大，因此使E2′被大幅度提升至E2，在一定條件下甚至大于E1，即：

式（4）說明在特定條件下兩層織物若形成微小扁平諧振腔，則會導(dǎo)致腔體內(nèi)的場強(qiáng)異常增加，使電磁波透過兩層織物后的場強(qiáng)E3（V/m）反而比透過一層織物的場強(qiáng)E2′要大，即此時兩層織物的屏蔽效能低于單層織物的屏蔽效能。

2.3 雙層織物屏蔽效能降低的產(chǎn)生條件

根據(jù)織物柔軟易變形特點，雙層織物在重疊時，扁平間隙區(qū)域的出現(xiàn)是隨機(jī)的、多樣的，如圖3所示，其具體位置由疊放的緊密程度、均勻程度、拉緊程度及材料柔軟度及彈性等因素決定。因此，形成扁平諧振腔需要的條件如下：

a）兩層織物之間需形成有效的間隙區(qū)域，其形狀可以為不規(guī)則，但周圍要有封閉或者未封閉的重疊周界存在，如圖3所示。

b）根據(jù)電磁理論，扁平間隙區(qū)域在與織物表面平行的橫向、縱向或某個方向尺寸要大于1/2個波長才能形成諧振效應(yīng)。

c）織物表面有足夠的反射電磁波能力，反射性能越大，則諧振效應(yīng)越明顯。

根據(jù)上述條件可知，雙層織物形成諧振效應(yīng)的頻段是任意的，具體是否發(fā)生諧振，與波長、扁平間隙的形狀、尺寸大小有密切關(guān)系。對某些扁平間隙區(qū)，由于上述條件并不滿足，所以不會出現(xiàn)諧振效應(yīng)，而對于某些扁平區(qū)域，某個頻段的波長正好可以滿足要求，從而形成諧振效應(yīng)，在該頻段大幅度降低了雙層織物的屏蔽效能。

2.4 雙層織物避免屏蔽效能降低的設(shè)計原則

若在雙層同類型織物之間形成微小扁平諧振腔，無疑對雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響，甚至使其喪失電磁防護(hù)作用，給防護(hù)對象造成隱形傷害，因此需要有效避免。根據(jù)長期試驗，總結(jié)了如下設(shè)計原則：

a）防止在兩層之間形成扁平間隙：一是使兩層緊密貼緊，不留間隙，二是若間隙不可避免，則防止封閉或半封閉周界存在，這樣可以避免生成扁平間隙區(qū)域。由于雙層織物的柔軟特點，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，即使雙層之間有膠質(zhì)物進(jìn)行黏合，有時也會產(chǎn)生局部或大或小的扁平間隙，尤其對于服裝的雙層來說，這種局部扁平間隙出現(xiàn)的幾率會更大，例如在有必要的絎縫線設(shè)計時，會人為地制造多個扁平間隙區(qū)。解決此問題的有效方法是在織物之間添加襯墊物人為拉大雙層織物之間的距離，此時雖然出現(xiàn)間隙，但卻不會出現(xiàn)封閉或者半封閉周界，也就不會形成扁平諧振腔。

b）選擇合適材料：根據(jù)諧振腔形成原理，應(yīng)首先選擇反射電磁波性能較弱的屏蔽材料制作織物，以減少多次反射引發(fā)諧振效應(yīng)的幾率。如圖1（a）所示的鍍銅鎳?yán)w維織物，由于屏蔽成分中有磁性材料鎳的存在，其反射特性有所減弱，因此在雙層織物之間難以滿足形成諧振的反射條件，從而在寬頻范圍未出現(xiàn)明顯的雙層屏蔽效能小于單層的情況。另外，合理增加織物表面的粗糙度、增加織物的厚度及選擇吸波材料作為中間層等都是可以降低反射系數(shù)的方法?？傊灰茐膬蓪又g形成諧振現(xiàn)象的多次反射行為，理論上即可避免雙層同類型織物屏蔽效能小于單層的情況發(fā)生。

3 結(jié) 論

a）同類型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能并非是簡單兩個單層織物的疊加，其中鍍銅鎳?yán)w維電磁屏蔽織物在1～18 GHz全頻段雙層的屏蔽效能均大于單層，鍍銀纖維織物及不銹鋼纖維織物在大多數(shù)頻段雙層的屏蔽效能大于單層，但有些頻段則雙層的屏蔽效能小于單層。

b）雙層電磁屏蔽織物屏蔽效能比單層降低的原因是由于兩層織物之間在某一頻段或頻點可能形成微小扁平諧振腔而造成的，是否形成微小諧振腔則由織物電磁波波長、扁平間隙各向尺寸、織物本身材料的反射性能等條件綜合決定。

c）避免出現(xiàn)雙層同類型電磁屏蔽織物屏蔽效能小于單層的不利情況，應(yīng)從防止在兩層之間形成扁平諧振腔著手，減少扁平間隙的形成機(jī)會，降低織物材料的電磁波反射性能，或者雙層之間添加吸波材料，均是較為有效的方法。

本文研究結(jié)果對雙層電磁屏蔽復(fù)合材料、雙層電磁屏蔽服裝等產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)及測試有指導(dǎo)意義，可防止雙層織物制作而成的服裝、復(fù)合材料等在某些頻段失去電磁防護(hù)作用而成為電磁防護(hù)中的隱形殺手。

參考文獻(xiàn)：

[1] SCHULZ R B， PLANTZ V C， BRUSH D R.Shielding theory and practice[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 1988，30（3）：187-201.

[2] CHOI J， JUNG H T.A new triple-layered composite for high-performance broadband microwave absorption[J]. Composite Structures，2015，122：166-171.

[3] BRZEZINSKI S， RYBICKI T， KARBOWNIK I，et al.Light， multi-layer， screening textiles with a high capacity for absorbing electromagnetic fields in the high frequency range[J]. International Journal of Materials Research，2012，103（5）：638-642.

[4] 鄭倩雪，劉哲，張永恒，等.雙層防電磁輻射織物的屏蔽效能[J].紡織學(xué)報，2016，37（1）：47-51.

[5] 梁然然，肖紅，王妮.雙層及多層電磁屏蔽織物的屏蔽效能[J].紡織學(xué)報，2017，38（9）：51-58.

[6] MARCINIAK K， GRABOWSKA K E， STEMPIEN Z， et al.Shielding of electromagnetic radiation by multilayer textile sets[J].Textile Research Journal，2019，89（6）：948-958.

[7] 李亞萍，汪秀琛，潘振，等.導(dǎo)電海綿在電磁屏蔽服裝中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2018，26（1）：39-44.

[8] LIU Z， SU Y， LI Y P，et al.Numerical calculation of shielding effectiveness of electromagnetic shielding fabric based on finite difference time domain[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2016，50（4）：593-603.

[9] 楊陳.超聲波處理時間對鍍銀棉織物性能影響[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2018，26（5）：59-61，65.

[10] ALONSO-GONZALEZ L， VER-HOEYE S， FERNANDEZ-

GARCIA M， et al.Layer-to-layer angle interlock 3D woven bandstop frequency selective surface[J].Progress in Electromagnetics Research-Pier，2018，162：81-94.