肖 红， 唐章宏， 施楣梧， 王 群

(1. 总后军需装备研究所， 北京 100082； 2. 北京工业大学 材料学院， 北京 100022)

织物屏蔽效能的法兰同轴法和屏蔽室法测试对比研究

肖 红1， 唐章宏2， 施楣梧1， 王 群2

(1. 总后军需装备研究所， 北京 100082； 2. 北京工业大学 材料学院， 北京 100022)

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。

法兰同轴法； 屏蔽室法； 屏蔽效能； 各向异性

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 GHz、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 实验部分

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。

表1 织物用纱线及其参数

表2 织物用纱排列方式

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。

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。

发热中的宝宝，每天对水和食物的需要量应该较平日多，但通常因为身体不适，补充是件不容易的事。给烦躁或者睡眠中的宝宝口服补水，最简单易行的办法是，用滴剂的胶头滴管挤水给他喝，一滴管1～2毫升，一滴管一滴管地喂，不会呛到宝宝。发热中的宝宝需要易消化的食物，少食多餐，避免进食过量，以免增加胃肠道的负担，一般单次食物量约为平时的2/3，总量最好比平时多一两成。

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。

2 结果及讨论

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。

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

B11～B15系列样品其金属纤维纱线在经纱方向的排列间距一样，但在纬纱的排列间距逐渐增加。采用同轴法和屏蔽室法测试时，表现出同样的规律，随着间距增加，屏蔽效能减小，但由于频段不一样，2种方法测试的下降幅度有所差异。低频段，如1.5 GHz时，对应波长200 mm，远远大于间距的变化，导致相邻金属纱线中心间距由0.416 mm(样品B11)变化到2.08 mm(样品B12)时，屏蔽效能下降了10 dB左右，如图10(a)所示；而在8～14 GHz内，屏蔽效能下降了15 dB左右，如图10(b)所示。

2.5 对不同交叉点导通样品的测试差异

样品B9和B10均为包芯纱，不锈钢长丝被棉纤维包覆，如图1所示。整个织物呈现如棉纤维一样的白色，理论上织物中金属纤维不存在导通。无论是30 MHz～1.5 GHz的同轴法数据，还是1～18 GHz的屏蔽室法数据，均表明经过浓硫酸去除棉纤维后的样品其屏蔽效能和原包芯纱样品接近，而且，不锈钢骨架的屏蔽效能略小于不锈钢没有任何接触的原样品，尤其在30 MHz～1.5 GHz频段，如图11所示。

这些数据表明，织物中金属纤维之间的接触导通可能对屏蔽效能的影响不大。需要注意的是：1)样品中金属纤维都是密排，相邻纱线中心距约为0.416 mm，远远小于18 GHz对应的波长16.7 mm，也小于26.5 GHz对应的波长11.3 mm，因此，金属纤维间可能存在耦合现象，此时，接触导通就不起主导作用；2)腐蚀后织物变得稀疏，纤维间容易滑移，导致纤维间孔隙改变，部分区域出现极大孔隙。因此，导致在较高频18～26.5 GHz段，如图11(c)所示，屏蔽效能出现较大差异。例如，B10腐蚀后样品的屏蔽效能小于原样达到10 dB，而B9腐蚀后样品也普遍小于原样2 dB左右。观察样品发现，样品B9腐蚀后，出现了一个相对较大的孔隙，导致屏蔽效能变化较大。

从不同频率段的数据可以看出，随着频率增加，波长变小，同一样品的屏蔽效能逐渐变小。如B9样品，由1.5 GHz以下的30 dB，降至6～18 GHz的25 dB左右，进一步降至18～26.5 GHz的22 dB左右。

2.6 对不同网格尺寸样品的测试差异

样品B13～B15的经向金属纤维和棉纱按1∶1排列，纬向按照1∶10、1∶15、1∶20依次排列，经纬向具有不同尺寸的网格结构；样品B16～B18的经向金属纤维和棉纱按照1∶10排列，纬向按照1∶10、1∶15、1∶20依次排列。法兰同轴法测试时，B13～B15的屏蔽效能高出B16～B18系列，如图12(a)所示，因为前者经向排列比为1∶1，整体上金属纱线的排列紧密程度要高于后者；且在经向排列密度相同时，随着纬向排列密度的减小，屏蔽效能呈现减小趋势。屏蔽室法测试时，B13和B16、B14和B17、B15和B18，这3组的屏蔽效能都分别相同，因为其经向金属纤维纱线排列间距相同，而纬向的金属纱线排列间距则没有任何影响，如图12(b)所示。屏蔽室法测试时，如果旋转矩形金属网格样品，将会出现屏蔽效能的显著变化，而在同轴法测试时，样品的旋转不会导致屏蔽效能变化。

3 结 论

由于电磁屏蔽效能难以计算得到，多采用实验手段获取，并作为电磁参数计算的基础数据。但是，纺织材料具有不同于传统各向同性、均匀的金属屏蔽材料的方向性，导致不同测试方法得出的数据规律存在明显不同。

对于低频段(30 MHz～1.5 GHz)测试用的法兰同轴法，由于电场和磁场分量在样品平面沿样品中心沿径向均匀分布，因此对方向性不敏感，导致对于单向含有金属纱线的样品也会测试出具有一定的屏蔽效能，但是较低。屏蔽室法可以测试较宽的频段，如1～18 GHz、18～26.5 GHz等，甚至更高频段，采用的是双脊喇叭天线，其电场和磁场在样品平面互相垂直、分布具有一定方向性，这样导致其对各向异性的样品测试时，具有显著的方向性。当样品放置方向差异90°时，可出现屏蔽效能最大值和最小值为零的极端数据。且2种方法对各向异性电磁屏蔽织物，无论是在纤维含量、排列方式、金属纱线间距等的比较分析方面，由于频段和电磁场分布的差异，导致了显著的差异。

对于金属屏蔽织物，无论采用何种测试方法，前提条件是织物样品应该具有各向同性、宏观均匀的电性能，即织物经、纬向均含有同样排列间距的金属纤维纱线。这一点，也是设计电磁屏蔽织物的基本原则，这样才能满足实际使用过程中对未知电磁波的良好屏蔽，且不做多余设计。比如，经纬向金属纤维排列间距不一样时，排列间距紧密的一个方向的金属纤维纱线是浪费且不必要的。

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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

国家自然科学基金项目(51403232)

肖红(1976—)，女，高级工程师，博士。主要研究方向为功能性纺织品。E-mail:76echo@vip.sina.com。

TS 106

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