帶電介質板對電磁波的衰減特性研究

張超，孔曉玉，鄭丹丹

(河北太行計量檢測有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

電介質，又叫作絕緣體，它們中的電子被束縛在它所屬的原子核周圍，因而在物質內部的自由電子極少，即使受到外電場的作用，其分子中的絕大多數(shù)帶電粒子也只能作微觀位移，不可能像導體中的自由電子那樣發(fā)生宏觀遷移[1]。

電導率是表示物質傳輸電流能力強弱的一種測量值，以歐姆定律定義為電流密度和電場強度的比率。相對介電常數(shù)表征材料的介電性質或極化性質的物理參數(shù)，其值等于預測材料為介質與以真空介質制成的同尺寸電容器電容量之比[2-4]。介電常數(shù)與電導率之間的關系是εe=ε(1-jκ/ωε)。其中，εe為介電常數(shù)，κ 為介質的電導率，ω 為電磁波的角頻率，ε 為理想介質的介電常數(shù)。由此推導出，當εe=ε 時，電導率為0，面電導率為0。帶電量為0 時電導率為0，帶電量不為0 時電導率不為0。

物質的導電性不僅與其凝聚狀態(tài)和組成結構有關，而且與物質所處的外電場條件有關，物質在傳導靜電過程中，導電性是由物質與電場共同確定的。處在強場中的物質，分子電偶極矩的大小、分子的排列分布狀態(tài)、結晶點陣的熱振動情況等都可能發(fā)生較大的變化，從而改變物質的導電性能[5]。

通過固體介質的表面有一種表面導電電流IS=GSU，其中，GS為固體介質的表面電導，單位為S。如果固體介質表面上加以兩平行的平板電極，極間距離為d，電極長度為l，則，比例系數(shù)γS為介質的表面電導率，它與介質電導具有相同的單位，亦為西門子。此時亦可寫成表面電流密度形式，其中，JS為表面電流密度，單位為Am-1。介質的表面電導率γS(或表面電阻率ρS)的數(shù)值不僅與介質的性質有關，而且受到周圍環(huán)境的濕度、溫度、介質表面結構和玷污情況的影響[6]。

當電介質相對導體為正電時，在電介質上產生的放電區(qū)域為均勻的圓狀，放電面積比較小，釋放的能量也比較少；當電介質相對于導體為負電位時，在電介質上產生的放電區(qū)域是不規(guī)則的星狀區(qū)域，區(qū)域面積比較大，釋放的能量也較多[7]。

不同電導率的介質對電磁波的散射不同，在電導率較小的導體介質中，介質會對電磁波產生散射及吸收，導致電磁波的能量發(fā)生衰減，對于電導率較大的導體介質，電導率入射到其表面后，會發(fā)生趨膚效應，電磁波只在介質表面?zhèn)鞑ド⑸?，并發(fā)生衰減，不會入射到介質深處，衰減程度大于低電導率介質[8-9]。

1 電介質與電磁波的相互作用

基于對電磁波與介質相互作用的研究，進而研究帶電介質對電磁波的傳播影響。研究電磁波的傳播特性主要研究電磁波的反射及透射特性，上述傳播特性受材料電磁參數(shù)的影響。介質帶電會改變這些參數(shù)繼而影響電磁波的傳播特性。

當電磁波垂直入射到兩種介質交界面時會發(fā)生反射、透射吸收等現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 電磁波在介質交界處的入射、反射和透射

假設一束電磁波從介質a 入射到介質b，入射方向為z 方向，且入射波、反射波以及透射波的電場方向為x方向，則入射波的電場Ei及磁場Hi可以表示為：

其中，ex和ey為相互垂直且與傳播方向z 也垂直的x 及y 方向的單位向量，Eim為入射波的磁感應強度；k 為傳播系數(shù)，，η 為本征阻抗，阻抗可由下式表示：

(1)對于金屬等鐵磁性材料：

(2)對于非金屬等絕緣性好的材料：

其中，ε 和μ 為介質的介電常數(shù)和磁導率，σ 為電導率，ω 為電磁波的角頻率。同理，電磁波的反射波和透射波的電場及磁場可表示為：

其中，Er和Et分別為反射波和透射波的電場，Hr和Ht分別為反射波和透射波的磁場，Erm和Etm分別為反射波和透射波的電場強度。

傳輸線理論中的反射系數(shù)能夠對材料的電磁波的吸收性能進行定量描述，反映介質材料對入射電磁波的反射衰減的程度[10]。

2 帶電介質板對電磁波衰減的實驗設計

本實驗采用高壓源噴電方式使介質板帶電。介質板帶電后，經(jīng)過認真的消電處理，再進行后面的帶電實驗，因為物體的帶電歷史或帶電狀態(tài)直接影響物體的靜電起電電量和物體帶電的符號。原來不帶電的物體相互間第一次接觸、分離起電的測量結果能反映物體的實際起電性質[11]。

實驗材料選?。焊鶕?jù)物體表面電荷的消散規(guī)律，經(jīng)過一系列靜電泄露實驗，最終選定實驗的介質材料為亞克力板(長度為60 cm，寬度為60 cm，厚度分別為4 mm、15 mm、30 mm)、PVC 板(長度為60 cm、寬度為60 cm、厚度分別為3 mm、15 mm、30 mm)和PP 板(長度為60 cm，寬度為60 cm，厚度分別為3 mm、15 mm、30 mm)。

實驗儀器：信號源SML01(9 kHz～1.1 GHz)，信號源SMR 20(1 GHz～20 GHz)，雙錐天線2 個，對數(shù)周期天線ETS3142E(26 MHz～6 GHz)2 個，喇叭天線BBHA9120D(1201)2 個，以及頻譜儀AgilentE4440A(3 Hz～26.5 GHz)、正高壓源、負高壓源、消電器。

實驗選取頻率：一般在每10 倍頻程內選擇不少于3個頻率點，為了更好地研究不同頻率下的電磁波衰減規(guī)律，增加了頻點密度，最終選取頻點為：1 GHz，1.2 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz，1.6 GHz，1.7 GHz，1.8 GHz，1.9 GHz，2.0 GHz，2.1 GHz，2.2 GHz，2.3 GHz，2.4 GHz，3 GHz，4 GHz，5 GHz，6 GHz，7 GHz，8 GHz，9 GHz，10 GHz，12 GHz，15 GHz，17 GHz。實驗過程中天線距離屏蔽材料的距離嚴格按照標準執(zhí)行，且地面做標記，保證實驗的可重復性，整個操作過程穿上防靜電服。

實驗搭建系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 介質板屏蔽效能測量實驗系統(tǒng)框圖

實驗步驟如下：

(1)連接實驗儀器，調整天線均為垂直極化，信號源輸出功率10 dBm；

(2)記錄各頻點通過空氣后的接收功率；

(3)保證實驗條件不變，將所測介質板安裝在屏蔽室窗口，利用非接觸式表對介質板進行電壓測量，記錄基礎電壓下各頻點的接收功率；

(4)利用噴電法增加介質板表面電荷量，記錄高電壓下各頻點的接收功率。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

以3 mm PP 板為例，將數(shù)據(jù)以三維圖形式呈現(xiàn)，數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 3 mm PP 板不同電壓不同頻率下的接收功率示意圖

由圖3 可見，隨著帶電量的增加，接收功率越來越小，說明介質板帶電，增大了對電磁波的衰減。經(jīng)過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計整理，發(fā)現(xiàn)實驗的介質板都有此趨勢，說明電荷對于介質板對電磁波的衰減是有影響的。

以3 GHz 的3 mm PP 板為例，不同電壓下的接收功率和擬合曲線如圖4 所示。

圖4 3 GHz 下3 mm PP 板的接收功率

圖4 直觀地反映了在電壓為0 處接收功率最大，隨著帶電量的增加，接收功率出現(xiàn)了明顯衰減，亞克力板、PVC 板的接收功率也有此規(guī)律，實驗驗證了介質板帶電對電磁波的衰減是有一定影響的，帶電量越大，衰減越大。

各種材料的衰減量最值統(tǒng)計如表1 所示。

表1 各材料的功率衰減量最值統(tǒng)計表

各種因素對帶電介質板電磁波衰減量的影響如下。

(1)不同厚度對帶電介質板電磁波衰減量的影響如圖5 所示。由圖5 可知，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結果判斷帶電介質板厚度與電磁波衰減量并不成比例關系。

圖5 不同厚度下帶電介質板的電磁波衰減量

(2)不同頻率對帶電介質板電磁波衰減量的影響如圖6 所示。由圖6 可知，隨著頻率的增加，電磁波的衰減量整體呈增大趨勢，以PP 板為例進行分析，3 mm PP 板隨著頻率增大，電磁波衰減單調增加；15 mm PP 板正電壓下隨著頻率增加電磁波衰減量單調增加；15 mm PP板負電壓下及30 mm PP 板隨著頻率增加，電磁波衰減量先增加后減小，整體趨勢平緩。在3 GHz 頻段以下，在記錄的有效數(shù)據(jù)中，大部分電磁波衰減量在0.3 dB 以下，且分布比較集中；在3 GHz～10 GHz 頻段，電磁波衰減量呈明顯上升趨勢；在10 GHz～18 GHz 頻段，電磁波衰減量與帶電介質板厚度及介質板的帶電極性相關性更明顯。

圖6 不同頻率下PP 板電磁波衰減量

(3)不同材料對帶電介質板電磁波衰減量的影響如圖7 所示。由圖7 可知，同種材料下不同厚度及不同電壓下對電磁波衰減量的影響趨勢是相同的。

圖7 不同材料下帶電介質板電磁波衰減量

4 結論

電磁波傳播過程中會遇到各種障礙，由于障礙的形狀、尺寸、材料性質等的不同會造成電磁波不同形式的散射，使接收到的電磁波能量有所衰減。當電磁波遇到的障礙物帶有靜電時，由于自由電子在電磁波磁場中發(fā)生受迫振動，受迫的自由電子被看作電偶極子，向外散射電磁波，造成散射場增加，同時自由電子的振動消耗了傳播中的電磁波能量，造成電磁波傳播過程中的能量損耗[12-13]。帶電介質板對電磁波衰減的實驗驗證了帶電量對電磁波傳播的影響是增強的，隨著帶電量增加，對電磁波的衰減量增加。