抗电磁辐射织物的屏蔽效能_吴雄英

第31卷第3期2005年6月

东华大学学报(自然科学版)

JOURNAL OF DONGH UA UNIVERSITY

V ol.31,No.3

Jun.2005抗电磁辐射织物的屏蔽效能①

吴雄英1,程明军2,张 宁1,王善元2

(1.上海出入境检验检疫局,上海,200135;2.东华大学纺织学院,上海,200051)

摘要 抗电磁辐射织物是一种新型复合型的屏蔽材料,不同于已往的各向同性屏蔽材料,很难用传统的电磁屏蔽理论进行精确计算,但其屏蔽效能可用实验的方法进行表征。屏蔽效果与辐射源、电磁波入射方向等有关。抗电磁辐射织物经纬向含抗电磁辐射纤维差异越大,其屏蔽效能随电磁波入射方向改变越大。

关键词:抗电磁辐射织物,辐射源,屏蔽效能

中图分类号:T S195.5

传统的纺织品导电性不好,它们对电磁波几乎

无屏蔽作用,为了改善织物的屏蔽性能,目前主要

是改善织物的导电性,以导电材料直接在织物表面

涂层或在织物中加入电磁辐射纤维,这些为目前最

主要的两类抗电磁织物[1~6]。这类电磁屏蔽材料属

于复合型各向异性屏蔽材料,很难用传统电磁屏蔽

理论去进行精确计算[5,7],本文用实验方法对抗电

磁辐射织物屏蔽效能进行研究。

1 屏蔽效能表示

屏蔽效能测试原理如图1所示。保持发射信

号功率P、电场强度E、磁场强度H、电压V不变,

设未放入被测材料前接收信号为P1、E1、H1、V1,置

入被测材料后接收信号为P2、E2、H2、V2,依据

ASTM D4935(美国材料与试验协会)[8]和IEEE

299(美国电气和电子工程师协会)[9]的标准可得到

材料屏蔽效能(单位为dB)用功率可表示为(其他参

数表示法相同):

SE=101g P1

P 2

(1)

图1 屏蔽效能测试原理2 抗电磁辐射织物的屏蔽原理

2.1 涂层类抗电磁辐射织物的屏蔽原理

涂层类抗电磁辐射织物空隙远远小于电磁波的波长[4],也就是说电磁波在这类抗电磁辐射织物中传输很少存在衍射和透射现象[10]。它的防护原理与传统的屏蔽材料的防护原理大致相似。抗电磁织物防辐射也就是限制电磁能量从织物的一侧空间向另一侧空间传递。电磁波传播到抗电磁辐射织物表面时,通常有3种不同的机理[11]进行衰减:一是在入射表面的反射衰减;二是没有被反射的电磁波进入织物的内部时被其吸收的衰减;三是在织物的内部多次反射后衰减。电磁波通过抗电磁辐射织物的总屏蔽效应可按式(2)表示:

SE=R+A+B (dB)(2)

式中:SE为电磁屏蔽效果;R为表面单次反射衰减;A为吸收衰减;B为内部多次反射衰减。

吸收衰减A是表示没有被反射的电磁波进入抗电磁辐射织物的内部时被其吸收的衰减,它与电磁波的类型无关,只要电磁波通过抗电磁屏蔽织物就有吸收,它与厚度t成线性关系,并与材料的电导率 和磁导率 有关。

反射衰减R是表示在材料入射表面的反射衰减,它不仅与材料的表面阻抗有关,同时也与电磁波辐射源类型有关及抗电磁辐射织物到辐射源的距离r有关。

①收稿日期:2004

90 东华大学学报(自然科学版)第31卷

内部多次反射衰减B是表示在抗电磁辐射织物的内部多次反射衰减,它同样与材料的表面阻抗有关,同时也与电磁波辐射源类型有关及抗电磁辐射织物到辐射源的距离有关。

2.2 网孔状抗电磁辐射织物的屏蔽原理

加入抗电磁辐射纤维方式是由导电金属丝与其他纤维混纺的纱线交织而成,该类纱线以网栅结构对电磁波进行屏蔽[1,2]。

理论上同样存在表面单次反射衰减、吸收衰减、内部多次反射衰减。含有不锈钢纤维的纱线对电磁波有屏蔽作用,这类抗电磁辐射织物可能会造成一定的电磁泄漏,它的屏蔽效能评价较为复杂。

3 样品基本性能参数测试

样品规格及性能参数见表1~3。

表1 样品基本性能参数

序号样品基布结构

经密/

(根 10cm-1)

纬密/

(根 10cm-1)

金属增重率/

(%)

面密度/

(g m-2)

1#镀铜织物涤纶平纹37630431.66*66 2#镀镍织物涤纶平纹37827228.52*90 3#不锈钢织物涤棉平纹4082908.94**142 4#不锈钢织物棉斜纹2 14222388.98**216 5#不锈钢织物涤棉平纹4122847.89**136 6#不锈钢织物涤棉斜纹2 140223017.49**188

注:*表示镀层织物的金属增重率,**表示不锈钢纤维加入织物的金属增重率。

其中不锈钢织物中金属纤维的排列方式如表2。

表2 金属纤维在织物中的排列方式

序 号纱 线 成 分经向含金属纤维纱线与普

通纱线的排列比例

纬向含金属纤维纱线与普

通纱线的排列比例

3#不锈钢纤维SS与普通纤维混纺纱32s、涤棉纱S S T/C=1 2SS T/C=1 2 4#不锈钢纤维与普通纤维混纺纱21s、棉纱SS C=2 1无不锈钢纤维5#不锈钢纤维与普通纤维混纺纱32s、涤棉纱S S T/C=1 1无不锈钢纤维6#不锈钢纤维与普通纤维混纺成纱经纬纱线都含有不锈钢金属纤维

表3 样品性能参数

试 样1#2#3#4#5#6#表面电阻1)/ 4.2 1.113040030043织物厚度2)/mm0.120.130.340.470.350.41电导率/(S m-1)1984.136993.0022.62 5.219.5256.72金属物含量/(g m-2)20.9025.6712.7019.4010.7336.64

注:1)表面电阻用SW2型低电阻仪测试;2)厚度用YG(B)141D测试。

4 抗电磁辐射织物屏蔽效能

4.1 抗电磁辐射织物对平面波的屏蔽效能

4.1.1 测试仪器

(1)法兰同轴测试装置

频率范围:5kH z~1.5GH z;特性阻抗:50 ;电压驻波比:<1.2;传输损耗:<1dB;测量的动态范围:>100dB

(2)跟踪信号源/频谱分析仪

频率范围:1MH z~ 1.5GH z;跟踪信号源最大输出功率: +13dBm;跟踪信号源电压驻波比: <2.0;频谱分析仪最小分辨带宽:1kH z;特性阻抗:50

(3)衰减器

频率范围:30MH z~ 1.5GH z;特性阻抗:50 ;电压驻波比:<1.2

(4)同轴电缆及连接器

特性阻抗:50 ;连接器:N型

4.1.2 测试结果与分析

测试具体过程参照ASTM D4935和SJ20524标准[8,9]。织物屏蔽平面波的屏蔽效能从图2可知, 1#镀铜织物的屏蔽效能随频率增加出现减小的趋势;2#镀镍织物、4#不锈钢织物和5#不锈钢织物的屏蔽效能随频率变化不大。由表3知4种电导率存在:2#>1#>5#>4#,其屏蔽效能由图2知也是2#

3期吴雄英,等:抗电磁辐射织物的屏蔽效能

91

>1#>5#>4#。一般说来,铜的电导率好于镍的电导率,但是在大气环境中铜的耐氧化能力较差,

导致镀铜织物的电导率大大下降,因此测试出镀铜织物的屏蔽效能反而不如镀镍织物的屏蔽效能。

图2 抗电磁辐射织物对平面波屏蔽效能测试数据对比

对4#、5#不锈钢织物由表2知:不锈钢纤维加入含量4#

大于5#

,但是4#

的屏蔽效能不如5#

,单位面

积的含不锈钢纤维纱线根数也是4#大于5#,再看4#的含金属纤维纱线与普通纤维排列比:2 1,5#

为1 1,从这里可以看出不锈钢含量大的织物其屏蔽效能未必好。由表3知4#

电导率小于5#

电导率,由此可以认

为屏蔽效能主要取决于加入不锈钢纤维后织物的电导率。因为4#

织物厚度较厚,金属丝连接不良,从而导致电导率下降,而引起屏蔽效能变差。4.2 抗电磁辐射织物对电场源的屏蔽效能4.2.1 测试仪器

屏蔽室;VNAC8714B 网络分析仪:频率范围:300kHz~3GH z;频率分辨率:1H z;特性阻抗:50 ;电压驻波比:<2.0;衰减器:10dB 固定衰减器;同轴电缆及连接器:连接器N 型;对数周期天线(300MHz~1000MHz);喇叭天线(1000MH z~3000MHz)4.2.2 测试结果与分析

测试具体过程参照IEEE

299标准[12]。

保持电磁波发射信号不变,对3#、4#、5#、6#试

样分别测试织物经向与水平线平行和织物经向与水平线垂直的屏蔽性能,同时,对4#试样取样两块600mm 600mm,一块平行经向取样,另一块沿与经向成45 剪样。测试时,不仅对其做0 、90 屏蔽性能测试,对45 试样也做一次水平与垂直方向实验测试结果见图3。其中:规定经纱与水平线平行时取角度为0 ,

垂直为90 ,对角取样的角度为与经向的交角。

图3 4个样品的屏蔽效能测试结果

92 东华大学学报(自然科学版)第31卷 从图3(b)中可以看出,在300~3000M H z

中,4#试样屏蔽性能随电磁波入射方向变换每个频率点的屏蔽效能是不同的。45 、90 和135 方向无明显差异,但0 方向屏蔽效能比其他三个方向均大。这是因为4#试样经向含有不锈钢纤维,而纬向是棉纤维。如果电力线方向与金属纤维排列方向平行(即经向),则在金属纤维表面产生表面电流,表面电流的流动产生与原电磁场叠加的电磁场,从而引起电磁场的衰减,最终导致0 和其他角度的屏蔽性能的不同。4#屏蔽性能经纬向差异很大且明显,45 和135 上几乎无差异,高于300M H z以上频率段,可以看到0 和90 方向上屏蔽性能明显有差异,可能主要由于经纬向金属纤维含量的不同造成的,造成差异很大的原因有待进一步研究。

对3#试样,在300~3000M H z范围内,0 和90 两个方向相比有差异但不大,因为3#试样经纬向都含有金属纤维,但是经纬向密度不同,导致的屏蔽性能是有些差异。

对5#试样,在300~3000M H z范围内,0 和90 两个方向的屏蔽性能有差异,但不大,主要由于经纬向均含有金属纤维但含量不同。

对6#试样,0 和90 两个方向上屏蔽效能的差异与3#、4#、5#相比,在300~3000MH z范围内差异最小,主要因为6#试样与其他3种不同,6#样品织物使用纱线为普通涤棉条与不锈钢纤维混纺成纱,然后经纬向都用这种纱线,整块织物中金属纤维的分布比较均匀。

以上结果说明改变电磁波入射方向对抗电磁辐射织物的屏蔽效能有影响。其中,对不锈钢纤维的织物而言,3#、4#、5#的经纬向含不锈钢纤维差异与6#相比较大,屏蔽效能随电磁波入射方向变化比6#大,可以认为,抗电磁辐射织物经纬向含抗电磁辐射纤维差异越大,其屏蔽效能随电磁波入射方向变化越大。

4.3 磁场源测试结果

表4 样品对磁场源的屏蔽性能

样品1#2#3#4#5#6#

屏蔽性能 30M Hz000000

由表4可知:6种样品的屏蔽性能都为0,因为在近场磁场的阻抗较低,由屏蔽理论知对磁场屏蔽需较高的磁导率[13],但目前抗电磁辐射织物磁导率不高。5 电场源、平面波源、磁场源屏蔽

效能值比较

由测试结果知:在300~3000MH z范围内,材料对电场源屏蔽效能大都在30~40dB,对平面波源大约在20~30dB,对磁场源屏蔽效能为0。材料对电场源屏蔽效能最好,平面波源波阻抗大于近区磁场源波阻抗小于近区电场源波阻抗,因此材料对平面波源屏蔽效能其次,材料对近区磁场源的屏蔽效能最差。

6 结论

(1)抗电磁辐射织物对3种辐射源屏蔽效能是不同的,且对电场源屏蔽效能最好,对磁场源屏蔽效能最差,对平面波源屏蔽效能介于两者之间;

(2)电导率越大,屏蔽效能越好;

(3)抗电磁辐射织物随电磁波入射方向改变,其屏蔽效能而不同;

(4)抗电磁辐射织物经纬向含抗电磁辐射纤维差异越大,其屏蔽效能随电磁波入射方向改变越大。

参 考 文 献

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Shielding Effectiveness of Shielding Electromagnetic Fabrics

W U X iong-y ing1,CH EN G M ing-j un2,ZH A N G N ing1,WA N G Shan-yuan2

(1.Sha nghai Entry-E xit Inspection and Q uara ntine Bureau,Shang hai,200135;

2.Co llege of Textiles,Dong hu a University,Shang ha i,200051)

Abstract A new shielding electromag netic fabric is different from traditional shielding electro magnetic materials.Its shielding effectiveness co uld no t be estimated ex actly by traditional shielding electro magnetic theory.H o wever,the shielding effectiveness w as characterized by ex perimental metho d and depends on different radiation resources and the incidence ang les o f electr onic w aves.The difference of shielding effectiveness betw een in w eft and in w ar p of fabric is obv ious.

Keywords:shielding electr omagnetic fabrics,radiatio n resources,shielding effectiv eness