織物屏蔽效能的法蘭同軸法和屏蔽室法測試對比研究

肖 紅， 唐章宏， 施楣梧， 王 群

(1. 總后軍需裝備研究所， 北京 100082； 2. 北京工業大學 材料學院， 北京 100022)

織物屏蔽效能的法蘭同軸法和屏蔽室法測試對比研究

肖 紅1， 唐章宏2， 施楣梧1， 王 群2

(1. 總后軍需裝備研究所， 北京 100082； 2. 北京工業大學 材料學院， 北京 100022)

為研究不銹鋼織物的屏蔽效能，采用法蘭同軸法(30 MHz～1.5 GHz)和屏蔽室法(1～18 GHz、18～26.5 GHz)，對樣品的屏蔽效能進行了對比測試研究。結果表明，2種不同測試方法和條件下，電磁波的電場分量和磁場分量在樣品平面分布顯著不同，屏蔽室法可以清晰反映出各向異性織物電磁屏蔽效能的方向性，而法蘭同軸法則不能。法蘭同軸測試時，對應的電磁波長較長，導致同樣尺寸金屬紗線排列間距和縫隙孔洞對屏蔽效能的影響不如屏蔽室法明顯。只有經、緯向金屬紗線排列間距相同，電性能宏觀各向同性的電磁屏蔽織物，在2種測試方法下才遵循同樣的規律性，且也是經濟、有效的屏蔽未知方向電磁波的最佳結構形式。

法蘭同軸法； 屏蔽室法； 屏蔽效能； 各向異性

Abstract The electromagnetic shielding effectiveness of a series of stainless fabrics are tested by the flange coaxial method (30-1.5 GHz) and the shielding chamber method(1-18 GHz, 18-26.5 GHz). By the two different testing methods, the distributions of the electric field component and the magnetic field component on the sample surface are obviously different. The shielding chamber method can reflect the directivity of the anisotropy fabrics and the flange coaxial method is disabled. Because the electromagnetic wave length is longer in the flange coaxial method, the same metal fiber distance and the aperture of the same size affects the electromagnetic shielding effectiveness tested by the flange coaxial method less than that by the shielding chamber method. Only the electromagnetic shielding fabrics, with the same metal arrangement spacing in the warp and weft yarn, with macro isotropic electric properties, follows the same regularity tested with two kinds of test methods, and also is the economic and effective optimum structure form to shield the unknown direction electromagnetic waves.

Keywords flange coaxial method; shielding chamber method; shielding effectiveness; anisotropy

根據電磁波頻段不同，材料電磁屏蔽效能的測試方法可以分為3類：1)適合近場環境的測試方法。頻率范圍1～30 MHz，屬于磁場屏蔽范圍，可采用ASTM-ES-7雙盒法和改進的MIL-STD-285法進行測試[1]；2)適合遠場環境的測試方法。頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz，有ASTM-ES-7推薦的同軸傳輸法以及在此基礎上改進的法蘭同軸法；其中，同軸傳輸法的測試結果受樣品與同軸傳輸裝置的接觸阻抗影響較大，而法蘭同軸法減小了樣品與同軸裝置接觸阻抗的影響，使測試結果更加穩定[2]；3)屏蔽室法。頻率范圍在1 GHz以上，常用的頻率范圍為1～40 GHz，根據發射天線不同，頻段又可以細分為1～18 GHz、18～26.5 GHz、26.5～40 GHz等[3-4]。3種方法中，近場環境的磁場屏蔽方法適用的頻率太低；屏蔽室法需要專門的屏蔽室環境、天線等，每次測試需要布置遠場電磁環境、組合各個單位，測試成本高、對測試技能要求高；而采用法蘭同軸儀測試時，設備成臺性好，操作時只需將樣品放入夾具間即可，簡單方便。因此，目前對電磁屏蔽織物的屏蔽效能測試[4-5]基本都采用法蘭同軸法[5-7]。

隨電磁產品的增多，法蘭同軸法適用的頻率范圍30 MHz～1.5 GHz已不能滿足要求。如手機的通訊頻率多在2～3 GHz、微波爐的頻率多在2.45 GHz，且電磁屏蔽織物也越來越多地用于1～18 GHz或更高頻段范圍的屏蔽或電磁隱身。為了滿足要求，GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測試方法》同時規定了采用法蘭同軸法和屏蔽室法用于不同頻段的測量，并規定了相應的發射天線類型。

傳統的金屬屏蔽材料均是各向同性、宏觀均勻介質。而電磁屏蔽織物結構形式多樣[8]，部分是在緯向單一方向加入金屬纖維，當電磁波以不同方式極化時，會使其屏蔽效能產生顯著方向性，這一現象已在前期的研究中得到證明[9]。本文通過法蘭同軸法和屏蔽室法，對系列電磁屏蔽織物樣品的屏蔽效能進行了對比測試分析，以探究2種方法對織物屏蔽效能測試的差異，指導后續產品開發。

1 實驗部分

表1示出樣品所用紗線類別。所有織物樣品的經、緯密度均為240根/10 cm，平紋組織，樣品尺寸為18 cm×18 cm。織物織造用紗排列方式如表2所示。表中，S1∶S0(1∶10)是指1根S1紗和10根S0紗相間循環排列。其他比例同此。當金屬纖維紗線只在織物緯向織入時，其在織物中平行排列；金屬纖維紗線在織物的經、緯向均有時，其在織物中呈網格狀排列。

表1 織物用紗線及其參數

表2 織物用紗排列方式

樣品B9和B10采用濃硫酸腐蝕掉棉纖維，獲得不銹鋼纖維骨架，部分樣品形貌如圖1所示。用手按壓，以保證良好導通。根據織物密度，估算相鄰纖維中心間距(即相鄰2根纖維截面中心之間的距離)為0.416 mm。部分樣品的形貌如圖1所示。經緯雙向含有不銹鋼纖維的樣品具有金屬纖維網格結構，當經緯密度和排列比例一樣時，是電性能宏觀均勻材料，如樣品B6～B10、樣品B11以及樣品B16；而只在緯向含有不銹鋼纖維的樣品以及雙向含有不銹鋼纖維但排列比例不同時，是顯著的電性能各向異性材料，如樣品B1～B3、樣品B12～B15和B17～B18。

1.2 測試方法及指標

采用法蘭同軸法和屏蔽室法分別對上述樣品進行測試。測試在北京工業大學電磁屏蔽與防護實驗室進行。

1.2.1 法蘭同軸法

法蘭同軸法測試設備為Agilent 4396B網絡阻抗頻譜分析儀、DN1015型遠場屏蔽效能測試裝置(同軸型)。內部同軸電纜是最常見的一種傳輸線，它的屏蔽層可以將電磁場封閉在屏蔽腔體內，又可以將外界的電磁場阻擋在屏蔽腔體外。測試時，將樣品放入同軸夾具，接上網絡矢量分析儀，如圖2所示。該電磁波相當于空間的平面電磁波，因此測量結果是試樣對垂直入射平面波的透射系數S21，而屏蔽效能SSE=-S21。頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz，樣品為圓形，樣品有效測試直徑為115 mm。

發熱中的寶寶，每天對水和食物的需要量應該較平日多，但通常因為身體不適，補充是件不容易的事。給煩躁或者睡眠中的寶寶口服補水，最簡單易行的辦法是，用滴劑的膠頭滴管擠水給他喝，一滴管1～2毫升，一滴管一滴管地喂，不會嗆到寶寶。發熱中的寶寶需要易消化的食物，少食多餐，避免進食過量，以免增加胃腸道的負擔，一般單次食物量約為平時的2/3，總量最好比平時多一兩成。

同軸測試時，電磁波同時存在水平和垂直極化，其電場分量E和磁場分量H相互正交，在樣品平面中心沿徑向均勻分布，并沿坡印廷矢量方向S即同軸傳輸線方向傳播，如圖3所示。

1.2.2 屏蔽室法

屏蔽室法測試設備為Agilent E8257D信號發生器(250 kHz～40 GHz)、E7405AEMC頻譜分析儀(100 Hz～26.5 GHz)、喇叭天線(1～18 GHz)、喇叭天線(18～26.5 GHz)、吸波屏。測試時，根據GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》，布置發射和接收天線位置及環境等條件。發射和接收天線分別連接信號發生器和頻譜分析儀，吸波屏放置在2個天線的中間位置，反射天線、接收天線及材料放置臺的中心位置在同一高度上對齊,如圖4所示。頻率范圍為1～18 GHz和18～26.5 GHz，樣品尺寸為18 cm×18 cm。

屏蔽室法測試時，標準增益喇叭天線發射的電磁波只存在水平極化或垂直極化，電場分量E和磁場分量H在樣品平面互相垂直分布，并沿垂直于樣品平面的坡印廷矢量S方向傳播，如圖5所示。

1.2.3 屏蔽效能

上述2種方法，樣品的屏蔽效能均等于透射系數的絕對值。計算式如下：

式中：P1為放置樣品時的接收功率，dBm；P2置空處的接收功率，dBm。

2 結果及討論

基于對同軸法和屏蔽室法測試條件的分析，不同方法電磁波的電場分量和磁場分量在樣品平面的分布不同，推測將導致對同一批樣品的屏蔽效能變化規律存在差異。

2.1 對各向異性織物的測試差異

采用屏蔽室法測試時，由于電場和磁場分量在樣品平面互相垂直，且均沿同一方向，當樣品旋轉時，磁場分量方向會和金屬紗線方向在某個旋轉角度保持平行。此時，金屬紗線不能產生和外加磁場相反的感應磁場，導致屏蔽效能為零，如圖6(a)所示，當B1旋轉到75°時基本接近0。同時，樣品隨旋轉角度的變化，屏蔽效能發生顯著變化，從樣品的金屬紗線水平放置時的最大屏蔽效能35 dB，減小至樣品旋轉75°時的基本接近0。當樣品垂直放置于樣品臺時，SSE為0，這在前期實驗中得到充分證明[10]。

采用同軸法測試時，各向異性樣品不能表現出方向性差異。一是樣品形狀為圓形，以圓心為中心點時，難以體現方形樣品的方向性；二是同軸腔內，電磁波的電場和磁場分量在樣品圓形平面沿半徑方向均勻分布，無方向性。采用該方法測得的單方向含有金屬纖維紗線的B1樣品，屏蔽效能峰值約20 dB，小于屏蔽室法測試時的最大值，在0.4 GHz以后，隨著頻率的增加，屏蔽效能減少。

2.2 對不同金屬紗線排列樣品的測試差異

由于同軸法測試對織物方向性不敏感，導致宏觀上具有各向同性、雙向含有不銹鋼纖維樣品B6的屏蔽效能在1.5 GHz內，高出單向含有不銹鋼纖維的樣品B1約20 dB，如圖7(a)所示。但是，當采用屏蔽室法測試時，當B1的金屬纖維放置方向和磁場分量方向垂直時，B1和B6的屏蔽效能相當，幾乎沒有差異，如圖7(b)所示。表明，采用屏蔽室法測試時，天線發出的橫電波導致只有一個方向的金屬纖維對屏蔽起到作用，而另一個方向的金屬纖維沒有任何作用。這和不銹鋼纖維織物對不同極化方式電磁波的屏蔽效能的仿真計算結果一致[11]，電磁波的單一極化方式使得經緯2個方向的金屬纖維的屏蔽作用互相獨立。但是，實際使用中，難以判斷電磁場入射方向，因此，需要宏觀上各向同性電磁屏蔽材料，而不能只是單方向加入具有屏蔽功能的材料。

2.3 對不同金屬含量樣品的測試差異

對于單向含有金屬纖維的B1～B3系列樣品，金屬纖維在緯紗中的含量由40%、30%、20%逐漸遞減，無論是小于1.5 GHz還是1～18 GHz范圍內，樣品的屏蔽效能均差異不大，隨著金屬含量的降低，峰值略有減小，如圖8所示。

對于宏觀均勻分布有金屬纖維的，具有金屬纖維網格結構的B6～B8系列樣品，在1.5 GHz以內，隨著纖維含量增加，屏蔽效能有所增加。含量30%的樣品B7的屏蔽效能平均高出含量20%的樣品B8約3 dB；含量40%的樣品B6的屏蔽效能平均高出含量30%的樣品B8約7 dB，如圖9(a)所示。在1～18 GHz范圍內，3個不同含量樣品的屏蔽效能差異不大，但是在部分較窄頻段也有差異，如12～14 GHz，如圖9(b)所示。主要是因為2種方法對應的電磁波波長不同，法蘭同軸法電磁波長較長，樣品的屏蔽效能將大于屏蔽室法測試結果，即樣品的屏蔽效能在較大電磁波長頻段內較好、樣品之間的差異較為顯著。

2.4 對不同金屬紗線間距樣品的測試差異

B11～B15系列樣品其金屬纖維紗線在經紗方向的排列間距一樣，但在緯紗的排列間距逐漸增加。采用同軸法和屏蔽室法測試時，表現出同樣的規律，隨著間距增加，屏蔽效能減小，但由于頻段不一樣，2種方法測試的下降幅度有所差異。低頻段，如1.5 GHz時，對應波長200 mm，遠遠大于間距的變化，導致相鄰金屬紗線中心間距由0.416 mm(樣品B11)變化到2.08 mm(樣品B12)時，屏蔽效能下降了10 dB左右，如圖10(a)所示；而在8～14 GHz內，屏蔽效能下降了15 dB左右，如圖10(b)所示。

2.5 對不同交叉點導通樣品的測試差異

樣品B9和B10均為包芯紗，不銹鋼長絲被棉纖維包覆，如圖1所示。整個織物呈現如棉纖維一樣的白色，理論上織物中金屬纖維不存在導通。無論是30 MHz～1.5 GHz的同軸法數據，還是1～18 GHz的屏蔽室法數據，均表明經過濃硫酸去除棉纖維后的樣品其屏蔽效能和原包芯紗樣品接近，而且，不銹鋼骨架的屏蔽效能略小于不銹鋼沒有任何接觸的原樣品，尤其在30 MHz～1.5 GHz頻段，如圖11所示。

這些數據表明，織物中金屬纖維之間的接觸導通可能對屏蔽效能的影響不大。需要注意的是：1)樣品中金屬纖維都是密排，相鄰紗線中心距約為0.416 mm，遠遠小于18 GHz對應的波長16.7 mm，也小于26.5 GHz對應的波長11.3 mm，因此，金屬纖維間可能存在耦合現象，此時，接觸導通就不起主導作用；2)腐蝕后織物變得稀疏，纖維間容易滑移，導致纖維間孔隙改變，部分區域出現極大孔隙。因此，導致在較高頻18～26.5 GHz段，如圖11(c)所示，屏蔽效能出現較大差異。例如，B10腐蝕后樣品的屏蔽效能小于原樣達到10 dB，而B9腐蝕后樣品也普遍小于原樣2 dB左右。觀察樣品發現，樣品B9腐蝕后，出現了一個相對較大的孔隙，導致屏蔽效能變化較大。

從不同頻率段的數據可以看出，隨著頻率增加，波長變小，同一樣品的屏蔽效能逐漸變小。如B9樣品，由1.5 GHz以下的30 dB，降至6～18 GHz的25 dB左右，進一步降至18～26.5 GHz的22 dB左右。

2.6 對不同網格尺寸樣品的測試差異

樣品B13～B15的經向金屬纖維和棉紗按1∶1排列，緯向按照1∶10、1∶15、1∶20依次排列，經緯向具有不同尺寸的網格結構；樣品B16～B18的經向金屬纖維和棉紗按照1∶10排列，緯向按照1∶10、1∶15、1∶20依次排列。法蘭同軸法測試時，B13～B15的屏蔽效能高出B16～B18系列，如圖12(a)所示，因為前者經向排列比為1∶1，整體上金屬紗線的排列緊密程度要高于后者；且在經向排列密度相同時，隨著緯向排列密度的減小，屏蔽效能呈現減小趨勢。屏蔽室法測試時，B13和B16、B14和B17、B15和B18，這3組的屏蔽效能都分別相同，因為其經向金屬纖維紗線排列間距相同，而緯向的金屬紗線排列間距則沒有任何影響，如圖12(b)所示。屏蔽室法測試時，如果旋轉矩形金屬網格樣品，將會出現屏蔽效能的顯著變化，而在同軸法測試時，樣品的旋轉不會導致屏蔽效能變化。

3 結 論

由于電磁屏蔽效能難以計算得到，多采用實驗手段獲取，并作為電磁參數計算的基礎數據。但是，紡織材料具有不同于傳統各向同性、均勻的金屬屏蔽材料的方向性，導致不同測試方法得出的數據規律存在明顯不同。

對于低頻段(30 MHz～1.5 GHz)測試用的法蘭同軸法，由于電場和磁場分量在樣品平面沿樣品中心沿徑向均勻分布，因此對方向性不敏感，導致對于單向含有金屬紗線的樣品也會測試出具有一定的屏蔽效能，但是較低。屏蔽室法可以測試較寬的頻段，如1～18 GHz、18～26.5 GHz等，甚至更高頻段，采用的是雙脊喇叭天線，其電場和磁場在樣品平面互相垂直、分布具有一定方向性，這樣導致其對各向異性的樣品測試時，具有顯著的方向性。當樣品放置方向差異90°時，可出現屏蔽效能最大值和最小值為零的極端數據。且2種方法對各向異性電磁屏蔽織物，無論是在纖維含量、排列方式、金屬紗線間距等的比較分析方面，由于頻段和電磁場分布的差異，導致了顯著的差異。

對于金屬屏蔽織物，無論采用何種測試方法，前提條件是織物樣品應該具有各向同性、宏觀均勻的電性能，即織物經、緯向均含有同樣排列間距的金屬纖維紗線。這一點，也是設計電磁屏蔽織物的基本原則，這樣才能滿足實際使用過程中對未知電磁波的良好屏蔽，且不做多余設計。比如，經緯向金屬纖維排列間距不一樣時，排列間距緊密的一個方向的金屬纖維紗線是浪費且不必要的。

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Comparative research on electromagnetic shielding effectiveness of fabric tested by flange coaxial method and shielding chamber method

XIAO Hong1, TANG Zhanghong2, SHI Meiwu1, WANG Qun2

(1.TheQuartermasterResearchInstituteoftheGeneralLogisticsDepartmentofthePLA,Beijing100082,China;2.InstituteofMaterials,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)

10.13475/j.fzxb.20150306308

2015-03-31

2015-09-22

國家自然科學基金項目(51403232)

肖紅(1976—)，女，高級工程師，博士。主要研究方向為功能性紡織品。E-mail:76echo@vip.sina.com。

TS 106

A