劉倩 王海嬰 (中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢)

　　摘要：電磁屏蔽織物正廣泛應(yīng)用于保護(hù)人員不受電磁輻射的傷害,且由于其柔軟輕便,適于用作射頻防護(hù)服材料。為了準(zhǔn)確評(píng)估射頻防護(hù)服的屏蔽效能(SE),需要首先研究電磁屏蔽織物的特性。從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度評(píng)估電磁屏蔽織物的屏蔽效能。將薄層電磁屏蔽材料視為平面金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu),從而推導(dǎo)出其SE,通過選取幾種典型的電磁屏蔽織物對(duì)其SE進(jìn)行了測(cè)試和分析比較。
　　關(guān)鍵詞：電磁屏蔽織物;金屬絲網(wǎng);屏蔽效能(SE)
　　1 引言
　　隨著電子信息和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,電子設(shè)備越來越多的應(yīng)用于人們的日常生活和工業(yè)領(lǐng)域。同時(shí),人員暴露于電磁輻射限值的EMC標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格,公眾對(duì)電磁輻射對(duì)人體的傷害越來越重視,目前已開發(fā)出很多種電磁屏蔽材料。電磁屏蔽織物正廣泛用于衰減電磁輻射,特別是射頻防護(hù)服的生產(chǎn)和制造。本文首先用經(jīng)典屏蔽理論分析了電磁屏蔽織物的屏蔽效能,最后選取了幾種典型的屏蔽織物測(cè)試其屏效。
　　2 數(shù)值分析
　　為了準(zhǔn)確評(píng)估射頻防護(hù)服的SE,需要首先研究屏蔽織物的特性。由于屏蔽織物通常由金屬纖維和普通棉纖維縱橫交錯(cuò)混合紡織而成,如圖1所示,因此可將這種薄層屏蔽材料近似視為平面金屬絲網(wǎng)(圖2)。

　　
　　對(duì)電場(chǎng)而言,SE可用下式定義:
　　                              SE=201gE1/E2       (1)
　　其中E1表示屏蔽后的電場(chǎng)強(qiáng)度,E2為未屏蔽情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度。
　　2.1 金屬絲網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型
　　假設(shè)每個(gè)獨(dú)立網(wǎng)孔均為方形,且每個(gè)交點(diǎn)良好連接。當(dāng)網(wǎng)孔尺寸相對(duì)于波長(zhǎng)而言非常小時(shí),這種良好連接的網(wǎng)狀屏蔽結(jié)構(gòu)在電磁上可視為等效阻抗算子ZS。該算子與空間平均切向電場(chǎng)ES成正比,與空間平均表面電流密度JS成反比,即
　　                               ES=ZS•JS       (2)
　　對(duì)于尺寸為αS×αS網(wǎng)狀屏蔽結(jié)構(gòu),其等效阻抗為:
　　

　　其中Z′W為金屬絲單位長(zhǎng)度的內(nèi)部阻抗,▽S為表面微分算子。絲網(wǎng)的電感LS和單位長(zhǎng)度上的內(nèi)阻抗Z′W為

　
　　　　式中,R′W=(πr2WσW)-1是單位長(zhǎng)度絲網(wǎng)絲的直流電阻,τW=μWσWr2
　　W是擴(kuò)散時(shí)間常數(shù),Bn(•)是n階第一類貝塞爾函數(shù)。σW和μW分別是金屬絲的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率,K=ω√(μ0ε0,εr)是絲網(wǎng)兩側(cè)的電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),由于兩側(cè)都是空氣,εr≈1。令網(wǎng)孔占用的表面z=0。則ZS可寫為以下形式:
　　

　　根據(jù)矩陣的特征值,可以得出:相對(duì)垂直于絲網(wǎng)平面的橫向電場(chǎng)波(TE)傳播方式和橫向磁場(chǎng)波(TM)傳播方式的阻抗分別為:
　　                       ZS1=Z′W+jωLS=ZS      (7)
　                             ZS2=ZS+jωLS×△₂S/2K₂εr     (8)
　　其中,△₂S是絲網(wǎng)表面的拉普拉斯算子。
　　2.2 平面金屬絲網(wǎng)對(duì)平面波的SE
　　為評(píng)估平面網(wǎng)狀屏蔽對(duì)入射平面波的屏蔽效能,我們僅需要估算電場(chǎng)垂直入射和平行入射兩種極化方向的傳輸系數(shù),每種情況采用合適的表面阻抗特征值。對(duì)垂直極化平面波,其有效表面阻抗為ZS1=ZS。反射和傳輸系數(shù)分別為:
　　

　　其中,Z0=μ0/ε0為空氣的特征阻抗。θ是絲網(wǎng)平面的法線與TEM入射平面的夾角。平面波的屏蔽效能為:
　　                                  SE₁₂(θ)=-20lg|T₁₂(θ)|      (13)
　　如果金屬絲網(wǎng)為完美導(dǎo)體,則
　　                      SE1(θ)=-20lg•(2ωLS/Z0)cosθ1+(2ωLS/Z0)2cos2θ      (14)

　　
　　當(dāng)金屬絲的電導(dǎo)率為有限值時(shí)：

　　
　　根據(jù)以上分析,可以應(yīng)用等效表面阻抗的概念和計(jì)算電磁學(xué)方法進(jìn)一步評(píng)估射頻防護(hù)服的屏蔽效能。
　　3 測(cè)試
　　選取三種典型的電磁屏蔽織物材料:金屬鍍織物、不銹鋼纖維織物和耐久型織物。
　　3.1 電性能的測(cè)試
　　表面電阻率直觀地反映材料的導(dǎo)電性。我們選取金屬鍍屏蔽織物進(jìn)行表面電阻率測(cè)試。采用與涂層接觸面為10mm×10mm的正方形棒狀電極進(jìn)行對(duì)角測(cè)試,確保電極截面與被測(cè)樣品有良好的接觸,在測(cè)試時(shí)測(cè)量端面應(yīng)施加2kg/cm3的壓力,待測(cè)樣品與電極截面必須干凈,另外測(cè)試設(shè)備的精度不低于0.001Ω。
　　為了使得所測(cè)得表面電阻率準(zhǔn)確可靠,測(cè)試時(shí)應(yīng)進(jìn)行兩次對(duì)角測(cè)試,所測(cè)得數(shù)值分別記為R1和R2。表面電阻率:
　　                                   RS=(RS1+RS2)/2    (19)
　　其中，
　　                                   RS1=R1/(18.7×1)    (20)
　　                                   RS2=RS/(18.7×1)    (21)
　　測(cè)試結(jié)果如表一所示。

　　表一  表面電阻率測(cè)試結(jié)果

　　3.2 SE的測(cè)試
　　選用法蘭同軸方法對(duì)電磁屏蔽織物的SE進(jìn)行測(cè)試,該方法為NBS推薦,且廣泛應(yīng)用于測(cè)量平面材料對(duì)平面波入射的屏蔽效能(遠(yuǎn)場(chǎng))。測(cè)試配置如圖3所示。

　　
　　由于在同軸傳輸線內(nèi)的場(chǎng)為TEM波,采用特征阻抗為50Ω的同軸裝置,外徑為76mm,內(nèi)徑33mm,另采用一個(gè)133mm的法蘭連接,使得同軸裝置兩端對(duì)稱的部分更好的耦合。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來監(jiān)測(cè)插入損耗和反射損耗。校準(zhǔn)后,將試樣裁剪為與法蘭相同的形狀尺寸,則可用通過測(cè)量S12或S21即可獲得試樣的屏蔽效能。該項(xiàng)試驗(yàn)主要采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(HP8712B)和同軸測(cè)試裝置的進(jìn)行,頻率范圍主要在300kHz-1.3GHz以內(nèi)。若測(cè)試使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀更精確,測(cè)試設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍足夠大,則低頻可以測(cè)到1MHz。而對(duì)1.5GHz以上的頻率,由于更高次模的引入將導(dǎo)致測(cè)試裝置內(nèi)的場(chǎng)不再是TEM波,因此測(cè)試上限頻率不應(yīng)超過模TE11的截止頻率:

　　
　　D和d為同軸電纜的直徑。
　　最終測(cè)試了三類十種典型屏蔽織物,編號(hào)001,006,007,008為金屬鍍織物,002,004,005,009,012為不銹鋼纖維織物,003號(hào)為耐久型屏蔽織物。

　　
　　三類材料的測(cè)試結(jié)果分別如圖4,5,6所示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳輸特性測(cè)試方式是以電纜及同軸裝置的直通狀態(tài)為基準(zhǔn),測(cè)試接入屏蔽織物以后的信號(hào)強(qiáng)度,并計(jì)算和顯示該信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)直通狀態(tài)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度的分貝數(shù)。由于接入屏蔽織物以后將導(dǎo)致通過信號(hào)的減弱,故測(cè)試結(jié)果往往是負(fù)的分貝數(shù),屏蔽織物的屏蔽性能正是通過負(fù)的分貝數(shù)來表示。

　　
　　圖7為三類屏蔽織物的SE的比較。此外,為評(píng)估材料的耐磨損特性,所有的試樣都在洗衣機(jī)里洗滌了3次之后并重新測(cè)試。圖8為同種材料洗滌后的SE比較。
　　圖中可見,金屬鍍材料表現(xiàn)出最好的SE,對(duì)平面波輻射達(dá)到70-80dB,不銹鋼纖維織物為20-40dB,耐久型屏蔽織物約為30dB。
　　三類材料中不銹鋼纖維材料屏效的頻響變化最大,在300kHz-1.3GHz頻率范圍內(nèi),不銹鋼纖維材料屏效的頻響隨頻率增加呈增加趨勢(shì),變化可達(dá)10-20dB,在頻率低端效果差;耐久型材料屏效的頻響隨頻率增加呈增加趨勢(shì),整體變化穩(wěn)定,300kHz附近的屏蔽效能略低于30dB,1.3GHz附近略高與30dB,變化約5dB左右;金屬鍍材料頻響整體相對(duì)平坦,局部區(qū)間振蕩起伏改變明顯,局部變化可達(dá)10dB。
　　金屬鍍材料屏蔽效能下降比較明顯,約20-30dB,但其屏蔽效能依然大于50dB,而不銹鋼材料和耐久型材料屏蔽效能基本不變。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　本文從理論分析和實(shí)際測(cè)試兩個(gè)角度評(píng)估了電磁屏蔽織物的屏蔽效能。用法蘭同軸法對(duì)三類典型屏蔽織物進(jìn)行了測(cè)試,并分析比較了SE、頻率響應(yīng)和耐洗滌性。在未來的工作中,將進(jìn)一步開展射頻防護(hù)服的SE的估算研究。