电磁屏蔽织物的屏蔽效能评估

刘倩 王海婴 (中国舰船研究设计中心 武汉)

　　摘要：电磁屏蔽织物正广泛应用于保护人员不受电磁辐射的伤害,且由于其柔软轻便,适于用作射频防护服材料。为了准确评估射频防护服的屏蔽效能(SE),需要首先研究电磁屏蔽织物的特性。从理论和实验两个角度评估电磁屏蔽织物的屏蔽效能。将薄层电磁屏蔽材料视为平面金属丝网结构,从而推导出其SE,通过选取几种典型的电磁屏蔽织物对其SE进行了测试和分析比较。
　　关键词：电磁屏蔽织物;金属丝网;屏蔽效能(SE)
　　1 引言
　　随着电子信息和通信技术的迅猛发展,电子设备越来越多的应用于人们的日常生活和工业领域。同时,人员暴露于电磁辐射限值的EMC标准越来越严格,公众对电磁辐射对人体的伤害越来越重视,目前已开发出很多种电磁屏蔽材料。电磁屏蔽织物正广泛用于衰减电磁辐射,特别是射频防护服的生产和制造。本文首先用经典屏蔽理论分析了电磁屏蔽织物的屏蔽效能,最后选取了几种典型的屏蔽织物测试其屏效。
　　2 数值分析
　　为了准确评估射频防护服的SE,需要首先研究屏蔽织物的特性。由于屏蔽织物通常由金属纤维和普通棉纤维纵横交错混合纺织而成,如图1所示,因此可将这种薄层屏蔽材料近似视为平面金属丝网(图2)。

　　
　　对电场而言,SE可用下式定义:
　　                              SE=201gE1/E2       (1)
　　其中E1表示屏蔽后的电场强度,E2为未屏蔽情况下的电场强度。
　　2.1 金属丝网的数学模型
　　假设每个独立网孔均为方形,且每个交点良好连接。当网孔尺寸相对于波长而言非常小时,这种良好连接的网状屏蔽结构在电磁上可视为等效阻抗算子ZS。该算子与空间平均切向电场ES成正比,与空间平均表面电流密度JS成反比,即
　　                               ES=ZS•JS       (2)
　　对于尺寸为αS×αS网状屏蔽结构,其等效阻抗为:
　　

　　其中Z′W为金属丝单位长度的内部阻抗,▽S为表面微分算子。丝网的电感LS和单位长度上的内阻抗Z′W为

　
　　　　式中,R′W=(πr2WσW)-1是单位长度丝网丝的直流电阻,τW=μWσWr2
　　W是扩散时间常数,Bn(•)是n阶第一类贝塞尔函数。σW和μW分别是金属丝的电导率和磁导率,K=ω√(μ0ε0,εr)是丝网两侧的电介质的相对介电常数,由于两侧都是空气,εr≈1。令网孔占用的表面z=0。则ZS可写为以下形式:
　　

　　根据矩阵的特征值,可以得出:相对垂直于丝网平面的横向电场波(TE)传播方式和横向磁场波(TM)传播方式的阻抗分别为:
　　                       ZS1=Z′W+jωLS=ZS      (7)
　                             ZS2=ZS+jωLS×△₂S/2K₂εr     (8)
　　其中,△₂S是丝网表面的拉普拉斯算子。
　　2.2 平面金属丝网对平面波的SE
　　为评估平面网状屏蔽对入射平面波的屏蔽效能,我们仅需要估算电场垂直入射和平行入射两种极化方向的传输系数,每种情况采用合适的表面阻抗特征值。对垂直极化平面波,其有效表面阻抗为ZS1=ZS。反射和传输系数分别为:
　　

　　其中,Z0=μ0/ε0为空气的特征阻抗。θ是丝网平面的法线与TEM入射平面的夹角。平面波的屏蔽效能为:
　　                                  SE₁₂(θ)=-20lg|T₁₂(θ)|      (13)
　　如果金属丝网为完美导体,则
　　                      SE1(θ)=-20lg•(2ωLS/Z0)cosθ1+(2ωLS/Z0)2cos2θ      (14)

　　
　　当金属丝的电导率为有限值时：

　　
　　根据以上分析,可以应用等效表面阻抗的概念和计算电磁学方法进一步评估射频防护服的屏蔽效能。
　　3 测试
　　选取三种典型的电磁屏蔽织物材料:金属镀织物、不锈钢纤维织物和耐久型织物。
　　3.1 电性能的测试
　　表面电阻率直观地反映材料的导电性。我们选取金属镀屏蔽织物进行表面电阻率测试。采用与涂层接触面为10mm×10mm的正方形棒状电极进行对角测试,确保电极截面与被测样品有良好的接触,在测试时测量端面应施加2kg/cm3的压力,待测样品与电极截面必须干净,另外测试设备的精度不低于0.001Ω。
　　为了使得所测得表面电阻率准确可靠,测试时应进行两次对角测试,所测得数值分别记为R1和R2。表面电阻率:
　　                                   RS=(RS1+RS2)/2    (19)
　　其中，
　　                                   RS1=R1/(18.7×1)    (20)
　　                                   RS2=RS/(18.7×1)    (21)
　　测试结果如表一所示。

　　表一  表面电阻率测试结果

　　3.2 SE的测试
　　选用法兰同轴方法对电磁屏蔽织物的SE进行测试,该方法为NBS推荐,且广泛应用于测量平面材料对平面波入射的屏蔽效能(远场)。测试配置如图3所示。

　　
　　由于在同轴传输线内的场为TEM波,采用特征阻抗为50Ω的同轴装置,外径为76mm,内径33mm,另采用一个133mm的法兰连接,使得同轴装置两端对称的部分更好的耦合。用矢量网络分析仪来监测插入损耗和反射损耗。校准后,将试样裁剪为与法兰相同的形状尺寸,则可用通过测量S12或S21即可获得试样的屏蔽效能。该项试验主要采用矢量网络分析仪(HP8712B)和同轴测试装置的进行,频率范围主要在300kHz-1.3GHz以内。若测试使用的网络分析仪更精确,测试设备动态范围足够大,则低频可以测到1MHz。而对1.5GHz以上的频率,由于更高次模的引入将导致测试装置内的场不再是TEM波,因此测试上限频率不应超过模TE11的截止频率:

　　
　　D和d为同轴电缆的直径。
　　最终测试了三类十种典型屏蔽织物,编号001,006,007,008为金属镀织物,002,004,005,009,012为不锈钢纤维织物,003号为耐久型屏蔽织物。

　　
　　三类材料的测试结果分别如图4,5,6所示。矢量网络分析仪的传输特性测试方式是以电缆及同轴装置的直通状态为基准,测试接入屏蔽织物以后的信号强度,并计算和显示该信号强度相对直通状态时信号强度的分贝数。由于接入屏蔽织物以后将导致通过信号的减弱,故测试结果往往是负的分贝数,屏蔽织物的屏蔽性能正是通过负的分贝数来表示。

　　
　　图7为三类屏蔽织物的SE的比较。此外,为评估材料的耐磨损特性,所有的试样都在洗衣机里洗涤了3次之后并重新测试。图8为同种材料洗涤后的SE比较。
　　图中可见,金属镀材料表现出最好的SE,对平面波辐射达到70-80dB,不锈钢纤维织物为20-40dB,耐久型屏蔽织物约为30dB。
　　三类材料中不锈钢纤维材料屏效的频响变化最大,在300kHz-1.3GHz频率范围内,不锈钢纤维材料屏效的频响随频率增加呈增加趋势,变化可达10-20dB,在频率低端效果差;耐久型材料屏效的频响随频率增加呈增加趋势,整体变化稳定,300kHz附近的屏蔽效能略低于30dB,1.3GHz附近略高与30dB,变化约5dB左右;金属镀材料频响整体相对平坦,局部区间振荡起伏改变明显,局部变化可达10dB。
　　金属镀材料屏蔽效能下降比较明显,约20-30dB,但其屏蔽效能依然大于50dB,而不锈钢材料和耐久型材料屏蔽效能基本不变。
　　4 结语
　　本文从理论分析和实际测试两个角度评估了电磁屏蔽织物的屏蔽效能。用法兰同轴法对三类典型屏蔽织物进行了测试,并分析比较了SE、频率响应和耐洗涤性。在未来的工作中,将进一步开展射频防护服的SE的估算研究。