水泥砂漿電磁屏蔽效能的研究

呂志蕊，冀志江，吳祿軍，唐章宏，王 群

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124； 2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

引言

隨著各種家用、商用電子產(chǎn)品的日益普及以及電子計(jì)算機(jī)、電氣設(shè)備、高壓輸電線等設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁輻射產(chǎn)生的電磁干擾不僅影響到電子產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也對(duì)人體健康產(chǎn)生了極其嚴(yán)重的威脅。使用具有一定屏蔽效能的建筑材料能降低電磁輻射的危害。圖1 是一種鋼絲網(wǎng)水泥砂漿材料的結(jié)構(gòu)示意圖，從右到左分別為變換層、吸收層、鋼絲網(wǎng)。工程應(yīng)用中按照基礎(chǔ)墻體-鋼絲網(wǎng)-吸收層-變換層的順序施工，變換層的一側(cè)面向電磁波波源，使得鋼絲網(wǎng)水泥砂漿材料既可用于屏蔽戶外的電磁輻射，也可用于防止室內(nèi)電磁輻射向外泄漏，對(duì)提高電磁信息泄露的防護(hù)水平方面具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

鋼絲網(wǎng)由于柔韌性好，能夠加固水泥制品而被廣泛應(yīng)用在水泥砂漿材料中。研究表明一定孔徑的鋼絲網(wǎng)具有比較好的屏蔽效能[1]。在水泥砂漿材料中加入鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以提高屏蔽材料的屏蔽效能，通過計(jì)算找出了滿足屏蔽要求的鋼絲網(wǎng)的孔徑尺寸，并按照計(jì)算尺寸加工鋼絲網(wǎng)作為水泥樣板的結(jié)構(gòu)組成部分。本文對(duì)鋼絲網(wǎng)水泥砂漿材料屏蔽效能的理論進(jìn)行了分析，參照屏蔽效能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在250kHz～2GHz 頻段測(cè)試了實(shí)際制備的水泥樣板的屏蔽效能，同時(shí)對(duì)測(cè)試過程中外部環(huán)境的影響進(jìn)行了分析。圖2 為測(cè)試的水泥樣板實(shí)物圖，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1 水泥砂漿電磁屏蔽原理

水泥砂漿材料對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽主要依靠其對(duì)電磁波的反射、吸收作用。圖3 中給出了電磁波在屏蔽材料中傳播的示意圖[2]。圖中的標(biāo)號(hào)標(biāo)注了電磁波入射到屏蔽材料時(shí)，可能發(fā)生的反射、折射、透射、干涉等物理現(xiàn)象。電磁波①入射到材料表面，由于空氣與材料中導(dǎo)電體的波阻抗不一致引起一部分電磁波②被反射回空氣介質(zhì)中，另一部分電磁波③發(fā)生折射穿透進(jìn)入屏蔽材料中。材料中的吸收層由至少兩層的不同電磁吸收能力的吸波砂漿組成，進(jìn)入其中的電磁波由于屏蔽材料在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電損耗、磁損耗及介電損耗而消耗部分能量，即部分電磁波被吸收。剩余電磁波⑥在到達(dá)屏蔽材料的另一面時(shí)同樣由于阻抗不匹配，使部分電磁波反射回屏蔽材料內(nèi)，形成在屏蔽材料內(nèi)的多次反射，剩余部分⑤、⑧穿透屏蔽材料進(jìn)入空氣介質(zhì)。評(píng)價(jià)一種屏蔽材料優(yōu)劣的主要指標(biāo)是在一定頻率范圍的電磁波入射時(shí)，電磁波經(jīng)過屏蔽材料后透射值的多少來衡量。當(dāng)一定能量的電磁波入射到材料表面后，如果透射量很少，表明電磁波能量衰減大，說明材料的屏蔽效能很高，反之亦然[3]。

圖1 水泥屏蔽板結(jié)構(gòu)圖

圖2 水泥樣板

2 鋼絲網(wǎng)屏蔽效能計(jì)算

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)孔形狀為正方形，網(wǎng)格平均邊長(zhǎng)為0.21cm，鋼絲直徑為0.1cm 的鋼絲網(wǎng)具有滿足要求的屏蔽效能。下面是鋼絲網(wǎng)屏蔽效能的計(jì)算過程。金屬屏蔽體孔陣所形成的電磁泄漏，可采用等效傳輸線法進(jìn)行分析，其表達(dá)式為[4]：

式中 Aa——孔的傳輸損耗；

Ra——孔的單次反射損耗；

Ba——多次反射損耗；

K1——與孔個(gè)數(shù)有關(guān)的修正項(xiàng)；

K2——由趨膚深度不同而引入的低頻修正項(xiàng)；

K3——由相鄰孔間相互耦合而引入的修正項(xiàng)。

式(1)中前三項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)于實(shí)心型屏蔽體的屏效計(jì)算式中的吸收損耗、反射損耗和多次反射損耗。后三項(xiàng)是針對(duì)非實(shí)心型屏蔽引入的修正項(xiàng)。

結(jié)合上述公式，利用Matlab 軟件計(jì)算出鋼絲網(wǎng)在250kHz-2GHz 頻段內(nèi)的屏蔽效能如圖4 所示。

圖3 電磁能量在電磁屏蔽材料中的傳播

圖4 250kHz～2GHz 頻段鋼絲網(wǎng)屏蔽效能

圖4 表明鋼絲網(wǎng)在250kHz～100MHz 頻段內(nèi)的屏蔽效能在50dB 以上，屏蔽效能較高，隨著頻率的增加，屏蔽效能逐漸降低，當(dāng)頻率增加到2GHz 時(shí)鋼絲網(wǎng)的屏蔽效能降低到13.78dB。

3 水泥樣板屏蔽效能的測(cè)試

為了研究水泥樣板的屏蔽效果，基于GJB 6190-2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)試方法》的測(cè)試方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試儀器和低頻段工作天線，在250kHz～2GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)水泥樣板和環(huán)境值進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合實(shí)際天線的工作頻段，測(cè)試過程中分別采用低頻段環(huán)形天線(天線型號(hào)：SAS-564，SAS-563B，頻段為250kHz～30MHz)作為發(fā)射、接收天線；高頻段使用對(duì)數(shù)周期天線(天線型號(hào)：SAS-521-2，頻段為25MHz～2GHz)作為發(fā)射、接收天線。

3.1 測(cè)試過程

調(diào)節(jié)測(cè)試系統(tǒng)，從電磁波發(fā)射端按照發(fā)射天線、水泥樣板(變換層一側(cè)面向發(fā)射天線)、接收天線順序進(jìn)行放置。使用環(huán)形天線測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)天線到合理位置，發(fā)射、接收天線距屏蔽板水平距離為9.5cm，距地面垂直高度為65.5cm。接通E8257D 信號(hào)發(fā)生器及E7405A 頻譜分析儀，預(yù)熱15 分鐘后設(shè)置測(cè)量參數(shù)，發(fā)射信號(hào)開始測(cè)試。

使用環(huán)形天線測(cè)試后，再換用對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行水泥樣板屏蔽效能的測(cè)試。由于水泥樣板尺寸相對(duì)對(duì)數(shù)周期天線較小，所以對(duì)數(shù)周期天線與樣板的相對(duì)位置不能過遠(yuǎn)。另外為了避免因發(fā)射和接收天線距離過近而導(dǎo)致信號(hào)耦合的現(xiàn)象產(chǎn)生，并保證天線在空間損耗不大，選取放置水泥屏蔽板到發(fā)射、接收天線水平距離分別為290cm、42cm。兩個(gè)天線中心位置對(duì)準(zhǔn)，天線離地面高度為45cm。圖5 為對(duì)數(shù)周期天線測(cè)試水泥樣板接收天線一側(cè)的測(cè)試圖。

最后保持天線位置不變，將屏蔽板撤離，分別使用對(duì)數(shù)周期天線和環(huán)形天線發(fā)射和接收信號(hào)條件下的參考值進(jìn)行測(cè)試，并保存數(shù)據(jù)。

圖5 對(duì)數(shù)周期天線測(cè)試水泥樣板

圖6 250kHz～30MHz 水泥樣板屏蔽效能變化

圖7 25MHz～2GHz 水泥樣板屏蔽效能變化

圖8 250kHz～30MHz 外部環(huán)境信號(hào)

3.2 測(cè)試結(jié)果

以下分別給出環(huán)形天線和對(duì)數(shù)周期天線的測(cè)試結(jié)果。使用環(huán)形天線測(cè)得的屏蔽板在250kHz～30MHz 的屏蔽效能如圖6。

從圖6 可以看到，在250kHz～30MHz 頻段，水泥樣板的屏蔽效能值在10～15dB 左右。

使用對(duì)數(shù)周期天線測(cè)得的屏蔽樣板在25MHz～2GHz的屏蔽效能如圖7 所示。

圖7 可以看出，在25MHz～2GHz 頻段，水泥樣板的屏蔽效能值大部分在15dB 以上，隨著頻率的增加，水泥樣板屏蔽效果越來越理想。

4 測(cè)試結(jié)果分析

由圖6 所示，在9MHz～18MHz 頻段內(nèi)屏蔽效能偏低，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試的過程中，發(fā)射天線信號(hào)不輸出的情況下，頻譜分析儀在9MHz～18MHz 出現(xiàn)了信號(hào)疊加，如圖8 所示。為了驗(yàn)證該頻段下測(cè)試結(jié)果的正確性，需要分析環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響程度。

為了避免測(cè)試過程中由于環(huán)境電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在測(cè)試結(jié)果的處理中，可在計(jì)算水泥樣板的屏蔽效能時(shí)消除環(huán)境電磁場(chǎng)的影響以獲得更準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果：

式中，p1，p2分別為放置水泥樣板前后的接收功率，單位：(W)；p0為外部環(huán)境信號(hào)接受功率，單位：(W)；SE 為水泥樣板屏蔽效能值，單位：(dB)。

由圖8 看出，在9MHz～18 MHz 頻段內(nèi)，從外部環(huán)境中接收到得最大信號(hào)不超過-45dBm，或0.31623×10-4mW，即(2)式中分子分母中的第二項(xiàng)值。圖9 為未加水泥樣板時(shí)的接收信號(hào)，可以看出，未加樣板時(shí)信號(hào)接收器在9MHz～18MHz 頻段內(nèi)接收到的最小功率為-5dBm，或0.3162mW，即(2)式中分子中的第一項(xiàng)值。可以看出分子兩項(xiàng)相差4 個(gè)數(shù)量級(jí)，環(huán)境產(chǎn)生的影響相對(duì)非常小，可以忽略。由此可以看出環(huán)境電磁場(chǎng)對(duì)計(jì)算的屏蔽效能幾乎沒有影響，水泥樣板在該頻段下的屏蔽效能還有改進(jìn)的空間。

環(huán)形天線在高頻段24MHz～30MHz 出現(xiàn)了跳變，主要是因?yàn)樵娇拷炀€截止頻率，天線的駐波比值過大，導(dǎo)致在這一頻段天線性能不穩(wěn)定。通過對(duì)比兩天線交叉頻段的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在25MHz～30MHz 頻段，采用對(duì)數(shù)周期天線測(cè)量結(jié)果很差，而環(huán)形天線卻很好。主要原因是因?yàn)樘炀€振子的輻射起主要作用的是振子的長(zhǎng)度，天線的相位中心隨著工作頻率降低向天線的尾端移動(dòng)[5-6]，對(duì)數(shù)周期天線的兩翼在低頻段起作用。在測(cè)試的過程中，由于水泥樣板尺寸相對(duì)對(duì)數(shù)周期天線兩翼較小，導(dǎo)致在測(cè)試的過程中，低頻段對(duì)數(shù)周期天線的兩翼信號(hào)可以繞過水泥樣板被接收，導(dǎo)致在該頻段，采用對(duì)數(shù)周期天線測(cè)試的結(jié)果偏小，而環(huán)形天線相對(duì)水泥樣板尺寸過小，繞射信號(hào)小，因而測(cè)試的結(jié)果較好。

圖9 未加樣板時(shí)的接收信號(hào)

將鋼絲網(wǎng)屏蔽效能的計(jì)算結(jié)果圖4 與水泥樣板實(shí)際測(cè)試結(jié)果圖6、圖7 相對(duì)比，可以看出，在 1GHz ～2GHz頻段內(nèi)，水泥樣板實(shí)際測(cè)試的屏蔽效能在20dB 左右波動(dòng)，這一測(cè)試結(jié)果與鋼絲網(wǎng)屏蔽效能的計(jì)算結(jié)果大致符合。但在250kHz～1GHz 頻段內(nèi)，水泥樣板實(shí)際的屏蔽效能明顯沒有達(dá)到計(jì)算的水平，主要是因?yàn)樗鄻影逵捎跊]有基礎(chǔ)墻體的支撐而達(dá)不到足夠的強(qiáng)度，受此限制不能制備尺寸足夠大的水泥樣板，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)信號(hào)在水泥樣板周圍發(fā)生繞射使得實(shí)際測(cè)量的屏蔽效能值與理論值有所偏差。另外由于測(cè)試場(chǎng)地的限制，天線到水泥樣板的測(cè)試距離沒有達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)要求，也是導(dǎo)致測(cè)試值與計(jì)算值有所差距的原因。

5 結(jié)論

本文通過研究鋼絲網(wǎng)水泥砂漿樣板的電磁屏蔽性能，發(fā)現(xiàn)在中波段的屏蔽效能達(dá)到15dB 以上，短波段除了9MHz～18MHz 頻段內(nèi)屏蔽效能相對(duì)較低，其他頻段內(nèi)水泥樣板的屏蔽效能也都達(dá)到10dB 以上。這種鋼絲網(wǎng)水泥砂漿材料對(duì)于中短波的天線輻射有比較好的屏蔽效能。在高頻段，水泥樣板的屏蔽效能值大部分在15dB 以上。總體來看，這種水泥砂漿材料具有比較理想的屏蔽效能。

[1]王永利, 張潔. 電纜屏蔽金屬網(wǎng)屏蔽效能的工程計(jì)算[J]. 北京:電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào). 2008(S2), 26-30.

[2]蔡仁鋼.電磁兼容原理、設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社.1997: 1.

[3]劉永肖. 電磁屏蔽砂漿的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué), 2006.

[4]楊克俊. 電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社,2004:64-66.

[5]劉克成, 宋學(xué)誠(chéng). 天線原理[M].韶山：國(guó)防科技大學(xué)出版社, 1989:155-156.

[6]陳順生. 天線原理[M].南京: 東南大學(xué)出版社, 1989: 244-245.