劉志才，何 鵬，徐 勤，王利君，李 妮，熊 杰

(1.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310018;2.寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局，浙江寧波 315012;3.浙江省纖維檢驗(yàn)局，浙江杭州 310012)

目前，測(cè)試織物電磁屏蔽效能的方法很多［1］，大致可分為近場(chǎng)法、遠(yuǎn)場(chǎng)法以及屏蔽室法3類，遠(yuǎn)場(chǎng)法有同軸傳輸線法和法蘭同軸法等，近場(chǎng)法有雙盒法和改進(jìn)的MIL-STD-258法等。

其中同軸傳輸法的優(yōu)點(diǎn)是雙腔體測(cè)試，缺點(diǎn)是測(cè)試頻率的范圍小、測(cè)試重復(fù)性差;法蘭同軸法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試試樣面積小、重復(fù)性好，缺點(diǎn)是測(cè)試頻率范圍小;雙盒法的優(yōu)點(diǎn)是不需要昂貴的屏蔽室，輔助夾具等，測(cè)試方法快速簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是測(cè)試頻率的范圍小、測(cè)試重復(fù)性差;改進(jìn)的MIL-STD-258法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試費(fèi)用適中，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是測(cè)試頻率的范圍小、測(cè)試重復(fù)性差;屏蔽室法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試的頻率范圍廣，缺點(diǎn)是重復(fù)性差，測(cè)試費(fèi)用昂貴［2－4］。

為了尋求一種合理的測(cè)試屏蔽織物屏蔽效能的方法，需要綜合多方面因素考慮。要保證織物屏蔽效能的測(cè)試方法準(zhǔn)確可靠，需要滿足以下條件:測(cè)試環(huán)境與人們實(shí)際生活環(huán)境相似;測(cè)試頻率范圍包括日常生活電磁輻射的頻率范圍;測(cè)試數(shù)據(jù)能夠直接反應(yīng)織物屏蔽性能的變化［5］。反之則可以根據(jù)織物屏蔽性能的變化來(lái)分析測(cè)試結(jié)果，從而檢驗(yàn)測(cè)試方法的可靠性。本文從屏蔽的原理出發(fā)，設(shè)計(jì)組裝了一套測(cè)試織物屏蔽效能的裝置，并對(duì)該裝置的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 屏蔽箱法的設(shè)計(jì)原理

所謂“屏蔽”是指“切斷”電磁場(chǎng)干擾源到器件或設(shè)備的傳輸路徑，從而抑制干擾源對(duì)其他器件或設(shè)備的不良影響。按照屏蔽對(duì)象不同，屏蔽可分為2類:一類是“主動(dòng)屏蔽”，這類屏蔽是指將電磁場(chǎng)的產(chǎn)生源屏蔽，減弱屏蔽層外的電磁場(chǎng)強(qiáng)度;另一類是“被動(dòng)屏蔽”，這類屏蔽是指將特定的器件或設(shè)備屏蔽，減弱外界電磁場(chǎng)對(duì)它們的不良影響［6］。

基于上面的2類屏蔽原理，以主動(dòng)屏蔽為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一套新的測(cè)試電磁屏蔽的裝置用于屏蔽織物的測(cè)量，該方法將屏蔽箱體置于電波暗室中，可以通過(guò)掃頻的方式快速地測(cè)量出織物的屏蔽效能。其裝置測(cè)試連接圖如圖1所示。

圖1 屏蔽箱法測(cè)試裝置連接圖Fig.1 Connection graph of testing device by shielding boxmethod

1.1 測(cè)試場(chǎng)地選擇

為了提高測(cè)試的可重復(fù)性，防止外界電磁波對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾，屏蔽箱體置于電波暗室的靜態(tài)工作區(qū)內(nèi)。電波暗室又叫無(wú)反射屏蔽室或屏蔽暗室，由于普通的屏蔽室內(nèi)壁板會(huì)對(duì)電磁波發(fā)生反射，從而影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，電波暗室是在普通屏蔽室的內(nèi)壁板上鋪上吸波材料形成的，從而避免了以上缺點(diǎn)。

本文測(cè)試在國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室寧波光電電氣產(chǎn)品檢測(cè)中心的電波暗室中進(jìn)行的。

1.2 信號(hào)源選擇

信號(hào)源的輸出是否穩(wěn)定直接決定了測(cè)試方法的穩(wěn)定性［7］，另外測(cè)試頻率要能覆蓋人們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|的電磁輻射的頻率范圍?；谝陨弦蛩兀x用的信號(hào)源為 York EMC Services公司生產(chǎn)的CGE01型梳狀信號(hào)發(fā)生器。

1.3 屏蔽箱設(shè)計(jì)

屏蔽箱是用金屬材料做成的六面體，長(zhǎng)寬高分別為1.5、1和1 m。為了測(cè)試時(shí)放置試樣，在屏蔽箱的一個(gè)面上開(kāi)有一個(gè)30 cm×30 cm的窗口，用來(lái)安裝試樣，試樣要求能完全密封住窗口，理想的尺寸為32 cm×32 cm。

1.4 接收天線的選擇

在具體測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)不同測(cè)試頻率選用不同的接收天線。雙錐天線測(cè)量頻率段為25～300 MHz，對(duì)數(shù)周期天線測(cè)量頻率段 300 ～1 000 MHz，喇叭天線測(cè)量頻率段為1 000～18 000 MHz。本文中所有測(cè)試頻率均大于1 GHz，接收天線采用羅德與施瓦茨的HF907雙脊波導(dǎo)喇叭天線，其工作頻率為0.8～18 GHz。在較高頻率時(shí)，為了增大測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可以在天線與測(cè)量接收機(jī)/頻譜儀之間加前置放大器。

1.5 測(cè)試接收機(jī)/頻譜儀選擇

選用羅德與施瓦茨公司生產(chǎn)的ESU型EMI測(cè)試接收機(jī)，其動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍較寬，固有噪聲低，測(cè)量不確定度低，并能滿足所有民用和軍用測(cè)量要求。

2 屏蔽效能測(cè)試原理及表示方法

屏蔽效能 SE［8］(shielding effectiveness)是指在同一激勵(lì)電平下，有電磁屏蔽材料與無(wú)電磁屏蔽材料時(shí)所接收的功率或電壓比，并以對(duì)數(shù)表示，通常被用來(lái)定量說(shuō)明屏蔽材料屏蔽性能的好壞。材料屏蔽效能值的計(jì)算公式為:

式中:P1、E1、H1、V1分別為在激勵(lì)電平保持不變的條件下，未放入屏蔽材料前接收到的功率、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電壓值，P2、E2、H2、V2分別放入屏蔽材料后接收到的功率、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電壓值。

下面以電場(chǎng)強(qiáng)度為例，計(jì)算屏蔽效能值為

式中:E1為安裝屏蔽材料前測(cè)得的某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值，E2為安裝屏蔽材料后測(cè)得同一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值。

在實(shí)際測(cè)量中，接收機(jī)顯示的測(cè)試結(jié)果是電場(chǎng)強(qiáng)度值對(duì)數(shù)化的輸出電壓VdBV，為了得到需要的屏蔽效能值，要將此對(duì)數(shù)化的結(jié)果轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)強(qiáng)度值。根據(jù)天線的定義AF=E/V［9］，將此式用對(duì)數(shù)的形式表示為

式中:AF為天線系數(shù);E為電磁場(chǎng)在天線方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度;V不天線所接負(fù)載兩端的電質(zhì)。

測(cè)試過(guò)程中，安裝屏蔽材料前后始終采用同一個(gè)天線接收信號(hào)。將式(3)代入式(2)，即可以用接收機(jī)顯示的測(cè)試結(jié)果計(jì)算出屏蔽材料的屏蔽效能值，即

3 屏蔽箱法測(cè)試結(jié)果與分析

采用不同的工藝條件對(duì)聚酰胺6織物進(jìn)行化學(xué)鍍銀，并采用本文所設(shè)計(jì)的裝置對(duì)不同工藝條件下得到的試樣進(jìn)行測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果。

3.1 測(cè)試條件

測(cè)試環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境相對(duì)濕度為45%～75%，大氣壓力為一般大氣環(huán)境。為了確保試樣與測(cè)試的電磁環(huán)境保持一致，試樣在測(cè)試前應(yīng)在上述環(huán)境中放置48 h。

3.2 測(cè)試步驟

按照?qǐng)D1所示，連接測(cè)試裝置;接通設(shè)備電源，預(yù)熱5 min;待設(shè)備穩(wěn)定后，按照測(cè)試要求設(shè)定掃頻方案;保持上述測(cè)試參數(shù)不變，放入待測(cè)試樣，記錄測(cè)試結(jié)果，根據(jù)式(4)計(jì)算屏蔽效能值。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

不同化學(xué)鍍銀工藝條件下，聚酰胺6織物的增重率不同，鍍層結(jié)構(gòu)不同，織物的電磁屏蔽效能值理論上應(yīng)有差異:鍍銀織物若鍍層包覆率低，鍍層顆粒分布不均勻，鍍層顆粒之間存在較多縫隙與孔洞，則該織物對(duì)電磁波的反射和吸收作用弱，其電磁屏蔽效能值低;鍍銀織物若鍍層包覆率高、鍍層致密性好、鍍層顆粒分布比較均勻，則該織物對(duì)電磁波的吸收和反射作用好，其電磁屏蔽效能值高。

采用本文設(shè)計(jì)的屏蔽箱法測(cè)試不同化學(xué)鍍銀工藝下聚酰胺6織物的電磁屏蔽效能，結(jié)果如表1。

表1 不同增重率試樣的電磁屏蔽效能值Tab.1 Shielding effectiveness values of different weight gain rate samples dB

從表1可看出，不同增重率的鍍銀織物的屏蔽效能值不同，這是因?yàn)椴煌鲋芈实腻冦y織物的鍍層質(zhì)量不同。鍍層質(zhì)量好說(shuō)明鍍層顆粒均勻，鍍層致密性好，相應(yīng)織物對(duì)電磁波的吸收和反射作用強(qiáng)，其屏蔽效能值高。不同增重率的試樣鍍層的形貌如圖2所示。

圖2 不同增重率試樣鍍層的FE-SEM照片F(xiàn)ig.2 FE-SEM mages of platings for different weight gain rate samples

從圖2可看出，增重率低時(shí)鍍層的致密性差，鍍層顆粒分布不均勻并且鍍層顆粒之間存在較多的空隙與孔洞，因此導(dǎo)致屏蔽材料對(duì)電磁波的吸收和反射作用弱［10］，織物的屏蔽效能值較低。隨著增重率的增加，鍍層的質(zhì)量得到改善，織物表面被鍍層中更多的銀顆粒覆蓋，致使屏蔽材料對(duì)電磁波的吸收和反射作用加強(qiáng)，織物的屏蔽效能值隨之增大。當(dāng)織物的增重率增加到一定程度時(shí)，織物表面已完全被鍍層覆蓋，增重率繼續(xù)增加，只是增加了鍍層的厚度，而鍍層的致密性基本不再變化，此時(shí)屏蔽效能值趨于穩(wěn)定。屏蔽箱法得到的測(cè)試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的裝置測(cè)試的數(shù)據(jù)能直接反映材料屏蔽性能的變化。

4 結(jié)論

本文基于電磁波的屏蔽理論設(shè)計(jì)組裝了一套測(cè)試織物電磁屏蔽效能的裝置，調(diào)試后對(duì)增重率不同的化學(xué)鍍銀聚酰胺6織物進(jìn)行了測(cè)試。具體結(jié)論如下:

1)屏蔽箱法的測(cè)試環(huán)境與人們實(shí)際生活環(huán)境相符，發(fā)射源與人的距離可以用發(fā)射源與屏蔽材料的距離來(lái)模擬。

2)屏蔽箱法在電波暗室環(huán)境中進(jìn)行，采用信號(hào)輸出穩(wěn)定的CGE01型梳狀信號(hào)發(fā)生器，能確保測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

3)屏蔽箱法的測(cè)試結(jié)果能反映材料屏蔽性能的變化，是一種有效可行的測(cè)試織物屏蔽效能的方法。

4)屏蔽箱造價(jià)低廉，是一種十分經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方法。

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