肖红;唐章宏;施楣梧;王
【摘 要】防刺手套为研究不锈钢织物的屏蔽效能,采用法兰同轴法(30 MHz～1.5 GHz)和屏蔽室法(1～18 GHz、18～26.5 GHz),对样品的屏蔽效能进行了对比测试研究.结果表明,2种不同测试方法和条件下,电磁波的电场分量和磁场分量在样品平面分布显著不同,屏蔽室法可以清晰反映出各向异性织物电磁屏蔽效能的方向性,而法兰同轴法则不能.法兰同轴测试时,对应的电磁波长较长,导致同样尺寸金属纱线排列间距和缝隙孔洞对屏蔽效能的影响不如屏蔽室法明显.只有经、纬向金属纱线排列间距相同,电性能宏观各向同性的电磁屏蔽织物,在2种测试方法下才遵循同样的规律性,且也是经济、有效的屏蔽未知方向电磁波的最佳结构形式. 【期刊名称】《纺织学报》
【年(卷),期】2016(037)003
【总页数】8页(P47-54)
【关键词】法兰同轴法;屏蔽室法;屏蔽效能;各向异性
【作 者】肖红;唐章宏;施楣梧;王贴片led封装
【作者单位】总后军需装备研究所,北京100082;北京工业大学材料学院,北京100022;总后军需装备研究所,北京100082;北京工业大学材料学院,北京100022
【正文语种】中 文
【中图分类】无压锅炉TS106
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 effective
ness 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
根据电磁波频段不同，材料电磁屏蔽效能的测试方法可以分为3类：1)适合近场环境的测试方法。频率范围1～30 MHz，属于磁场屏蔽范围，可采用ASTM-ES-7双盒法和改进的MIL-STD-285法进行测试[1]；2)适合远场环境的测试方法。频率范围为30 MHz～1.5 GHz，有ASTM-ES-7推荐的同轴传输法以及在此基础上改进的法兰同轴法；其中，同轴传输法的测试结果受样品与同轴传输装置的接触阻抗影响较大，而法兰同轴法减小了样品与同轴装置接触阻抗的影响，使测试结果更加稳定[2]；3)屏蔽室法。频率范围在1 GHz以上，常用的频率范围为1～40 GHz，根据发射天线不同，频段又可以细分为1～18 GHz、18～26.5 G
Hz、26.5～40 GHz等[3-4]。3种方法中，近场环境的磁场屏蔽方法适用的频率太低；屏蔽室法需要专门的屏蔽室环境、天线等，每次测试需要布置远场电磁环境、组合各个单位，测试成本高、对测试技能要求高；而采用法兰同轴仪测试时，设备成台性好，操作时只需将样品放入夹具间即可，简单方便。因此，目前对电磁屏蔽织物的屏蔽效能测试[4-5]基本都采用法兰同轴法[5-7]。
随电磁产品的增多，法兰同轴法适用的频率范围30 MHz～1.5 GHz已不能满足要求。如手机的通讯频率多在2～3 GHz、微波炉的频率多在2.45 GHz，且电磁屏蔽织物也越来越多地用于1～18 GHz或更高频段范围的屏蔽或电磁隐身。为了满足要求，GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法》同时规定了采用法兰同轴法和屏蔽室法用于不同频段的测量，并规定了相应的发射天线类型。
传统的金属屏蔽材料均是各向同性、宏观均匀介质。而电磁屏蔽织物结构形式多样[8]，部分是在纬向单一方向加入金属纤维，当电磁波以不同方式极化时，会使其屏蔽效能产生显著方向性，这一现象已在前期的研究中得到证明[9]。本文通过法兰同轴法和屏蔽室法，对系列电磁屏蔽织物样品的屏蔽效能进行了对比测试分析，以探究2种方法对织物屏蔽效能测试的差异，指导后续产品开发。
1.1 样品制备
表1示出样品所用纱线类别。所有织物样品的经、纬密度均为240根/10 cm，平纹组织，样品尺寸为18 cm×18 cm。织物织造用纱排列方式如表2所示。表中，S1∶S0(1∶10)是指1根S1纱和10根S0纱相间循环排列。其他比例同此。当金属纤维纱线只在织物纬向织入时，其在织物中平行排列；金属纤维纱线在织物的经、纬向均有时，其在织物中呈网格状排列。
样品B9和B10采用浓硫酸腐蚀掉棉纤维，获得不锈钢纤维骨架，部分样品形貌如图1所示。用手按压，以保证良好导通。根据织物密度，估算相邻纤维中心间距(即相邻2根纤维截面中心之间的距离)为0.416 mm。部分样品的形貌如图1所示。经纬双向含有不锈钢纤维的样品具有金属纤维网格结构，当经纬密度和排列比例一样时，是电性能宏观均匀材料，如样品B6～B10、样品B11以及样品B16；而只在纬向含有不锈钢纤维的样品以及双向含有不锈钢纤维但排列比例不同时，是显著的电性能各向异性材料，如样品B1～B3、样品B12～B15和B17～B18。
1.2 测试方法及指标
采用法兰同轴法和屏蔽室法分别对上述样品进行测试。测试在北京工业大学电磁屏蔽与防护实验室进行。
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1.2.1 法兰同轴法
法兰同轴法测试设备为Agilent 4396B网络阻抗频谱分析仪、DN1015型远场屏蔽效能测试装置(同轴型)。内部同轴电缆是最常见的一种传输线，它的屏蔽层可以将电磁场封闭在屏蔽腔体内，又可以将外界的电磁场阻挡在屏蔽腔体外。测试时，将样品放入同轴夹具，接上网络矢量分析仪，如图2所示。该电磁波相当于空间的平面电磁波，因此测量结果是试样对垂直入射平面波的透射系数S21，而屏蔽效能SSE =-S21。频率范围为30 MHz～1.5 GHz，样品为圆形，样品有效测试直径为115 mm。
同轴测试时，电磁波同时存在水平和垂直极化，其电场分量E和磁场分量H相互正交，在样品平面中心沿径向均匀分布，并沿坡印廷矢量方向S即同轴传输线方向传播，如图3所示。
1.2.2 屏蔽室法
屏蔽室法测试设备为Agilent E8257D信号发生器(250 kHz～40 GHz)、E7405AEMC频谱分
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析仪(100 Hz～26.5 GHz)、喇叭天线(1～18 GHz)、喇叭天线(18～26.5 GHz)、吸波屏。测试时，根据GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》，布置发射和接收天线位置及环境等条件。发射和接收天线分别连接信号发生器和频谱分析仪，吸波屏放置在2个天线的中间位置，反射天线、接收天线及材料放置台的中心位置在同一高度上对齐,如图4所示。频率范围为1～18 GHz和18～26.5 GHz，样品尺寸为18 cm×18 cm。
屏蔽室法测试时，标准增益喇叭天线发射的电磁波只存在水平极化或垂直极化，电场分量E和磁场分量H在样品平面互相垂直分布，并沿垂直于样品平面的坡印廷矢量S方向传播，如图5所示。
1.2.3 屏蔽效能
上述2种方法，样品的屏蔽效能均等于透射系数的绝对值。计算式如下：
式中：P1为放置样品时的接收功率，dBm；P2置空处的接收功率，dBm。
基于对同轴法和屏蔽室法测试条件的分析，不同方法电磁波的电场分量和磁场分量在样品平面的分布不同，推测将导致对同一批样品的屏蔽效能变化规律存在差异。
2.1 对各向异性织物的测试差异
采用屏蔽室法测试时，由于电场和磁场分量在样品平面互相垂直，且均沿同一方向，当样品旋转时，磁场分量方向会和金属纱线方向在某个旋转角度保持平行。此时，金属纱线不能产生和外加磁场相反的感应磁场，导致屏蔽效能为零，如图6(a)所示，当B1旋转到75°时基本接近0。同时，样品随旋转角度的变化，屏蔽效能发生显著变化，从样品的金属纱线水平放置时的最大屏蔽效能35 dB，减小至样品旋转75°时的基本接近0。当样品垂直放置于样品台时，SSE为0，这在前期实验中得到充分证明[10]。
采用同轴法测试时，各向异性样品不能表现出方向性差异。一是样品形状为圆形，以圆心为中心点时，难以体现方形样品的方向性；二是同轴腔内，电磁波的电场和磁场分量在样品圆形平面沿半径方向均匀分布，无方向性。采用该方法测得的单方向含有金属纤维纱线的B1样品，屏蔽效能峰值约20 dB，小于屏蔽室法测试时的最大值，在0.4 GHz以后，随着频率的增加，屏蔽效能减少。
2.2 对不同金属纱线排列样品的测试差异
由于同轴法测试对织物方向性不敏感，导致宏观上具有各向同性、双向含有不锈钢纤维样品B6的屏蔽效能在1.5 GHz内，高出单向含有不锈钢纤维的样品B1约20 dB，如图7(a)所示。但是，当采用屏蔽室法测试时，当B1的金属纤维放置方向和磁场分量方向垂直时，B1和B6的屏蔽效能相当，几乎没有差异，如图7(b)所示。表明，采用屏蔽室法测试时，天线发出的横电波导致只有一个方向的金属纤维对屏蔽起到作用，而另一个方向的金属纤维没有任何作用。这和不锈钢纤维织物对不同极化方式电磁波的屏蔽效能的仿真计算结果一致[11]，电磁波的单一极化方式使得经纬2个方向的金属纤维的屏蔽作用互相独立。但是，实际使用中，难以判断电磁场入射方向，因此，需要宏观上各向同性电磁屏蔽材料，而不能只是单方向加入具有屏蔽功能的材料。
2.3 对不同金属含量样品的测试差异
对于单向含有金属纤维的B1～B3系列样品，金属纤维在纬纱中的含量由40%、30%、20%逐渐递减，无论是小于1.5 GHz还是1～18 GHz范围内，样品的屏蔽效能均差异不大，随着金属含量的降低，峰值略有减小，如图8所示。
接地线夹对于宏观均匀分布有金属纤维的，具有金属纤维网格结构的B6～B8系列样品，在1.5 GHz
以内，随着纤维含量增加，屏蔽效能有所增加。含量30%的样品B7的屏蔽效能平均高出含量20%的样品B8约3 dB；含量40%的样品B6的屏蔽效能平均高出含量30%的样品B8约7 dB，如图9(a)所示。在1～18 GHz范围内，3个不同含量样品的屏蔽效能差异不大，但是在部分较窄频段也有差异，如12～14 GHz，如图9(b)所示。主要是因为2种方法对应的电磁波波长不同，法兰同轴法电磁波长较长，样品的屏蔽效能将大于屏蔽室法测试结果，即样品的屏蔽效能在较大电磁波长频段内较好、样品之间的差异较为显著。
2.4 对不同金属纱线间距样品的测试差异
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