宽频范围同类型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能变化规律
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作者:汪秀琛 李亚云 段佳佳 刘哲 周忠
摘 要：同类型双层电磁屏蔽织物的应用非常广泛，但其在1～18 GHz宽频范围屏蔽效能的变化规律到目前还未探明，尤其是某些情况下双层织物比单层织物屏蔽效能低的现象还未合理解释。选择镀铜镍纤维、镀银纤维、不锈钢纤维等常用电磁屏蔽织物设计实验，采用小窗法屏蔽效能测试系统获取单层及双层织物的屏蔽效能，根据实验数据及电磁理论，探索双层织物屏蔽效能的变化规律，并解释某些频段双层电磁屏蔽织物屏蔽效能低于单层的原因。结果表明：同类型双层织物的屏蔽效能不完全遵循双层理想屏蔽体的屏蔽效能变化规律，大多数情况下双层织物比单层的屏蔽效能高;但在一定条件下，双层织物之间可能形成非稳定微小扁平谐振腔，使同类型双层电磁屏蔽织物在某些频段屏蔽效能低于单层;选择合适的织物材料及确定合理的双层之间间隙距离，可以有效降低微小扁平谐振腔的发生。研究结果对双层电磁屏蔽织物屏蔽效能的设计、生产、评价及相关理论问题的研究具有参考价值。
关键词：宽频范围;同类型;双层电磁屏蔽织物;屏蔽效能;变化规律
Abstract：The same-type double-layer electromagnetic shielding （EMS） fabric is widely applied. Nevertheless， the variation rule of its shielding effectiveness （SE） in the wide frequency range of 1～18 GHz has not been revealed yet. Especially， it is unexplained that the SE value of double-layer fabric is lower than that of single-layer fabric in some cases. Copper-nickel-plated fiber fabrics， silver-plated fiber fabrics and stainless steel fiber fabrics are selected for designing experiments. The SE values of the single-layer fabrics and double-layer fabrics are obtained by the small window method SE test system. The experimental data and electromagnetic theory are relied on for exploring the variation rule of the SE of the double-layer fabrics and explaining the reason why the SE value of the double-layer EMS fabric is lower than that of the single layer fabric in some frequency bands. The results show that the SE of same-type double-layer fabric does not completely follow the SE variation rule of ideal double-layer shield.In most cases， the SE value of double-layer fabric is higher than that of single-layer fabric. However， an unstable flattened micro-resonator between double-layer fabrics under certain conditions may be formed， causing the SE value of same-type double-layer EMS fabric to be lower than that of single-layer fabric in some frequency bands.The occurrence of flattened micro-resonatorc an be largely reduced if suitable fabric materials are chosen and a reasonable gap distance between two layers of the fabrics is determined. The research results are of reference value to the design， production， evaluation and research on related theoretical problems on the SE of double-layer EMS fabrics.
Key words：wide frequency range; same type; double-layer electromagnetic shielding fabric; shielding effectiveness; variation rule
同类型双层电磁屏蔽织物经常被用在各种电磁兼容及電磁防护领域，例如服装、柔性遮盖物、复合材料基体等，但其屏蔽效能的变化规律至今没有明确，一些现象尚待解释。由于织物多孔、柔软、易变形等特点，同类型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能并不是简单的两个单层叠加，也不遵循理想双层介质屏蔽效能计算公式[1]，多次测试发现同类型双层织物在某些频段时存在比单层屏蔽效能降低的情况。这种情况一旦发生，双层织物做成的服装、遮罩物、复合材料等会在某些情况下失去电磁防护作用，不知不觉对防护对象造成伤害，成为电磁防护的隐形杀手。但造成这种现象的原因至今尚未明确，因此，研究同类型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能变化规律及揭示其中的异常现象具有重要意义。 到目前为止，宽频范围的双层同类型电磁屏蔽织物屏蔽效能变化规律相关研究较少报道，对存在的异常现象也未见提及。已有研究多集中在多层织物的吸波特性方面，如Choi等[2]制备了一种由棉织物层、玻璃纤维层及碳纳米管层构成的三层复合织物，并分析了不同层纤维结构及性能对复合织物反射率及吸收率的影响。Brzezinski等[3]对多层聚合物与屏蔽织物构建的电磁材料进行讨论，认为电磁波反射层和电磁波吸收层进行适当的组合，可以大幅提高材料的吸波性能。有学者对多层织物屏蔽效能进行了一定探索，郑倩雪等[4]研究了双层和多层织物的屏蔽效能，并分析了间隔距离对双层织物屏蔽效能的影响。梁然然等[5]及Marcinia等[6]则讨论了双层及多层电磁屏蔽织物叠放角度、叠放间距、叠放方式、织物层数排放时金属纱线结构对双层及多层电磁屏蔽织物屏蔽效能的影响，其他与双层电磁屏蔽织物相关的工作主要集中在双层织物中间夹层对服装屏蔽性能的影响[7]、织物屏蔽效能计算[8]、相关性能分析[9]等。另外也有一些文献涉及多层纺织品的屏蔽效能研究，如利用多层组合进行表面频率选择[10]等，但其多层的组合方式及目的与本文讨论内容并不相同。
综上，到目前为止还未有针对1～18 GHz宽频范围同类型电磁屏蔽织物屏蔽效能规律进行的研究，也未对某些频段双层织物比单层织物屏蔽效能降低这一现象进行解释。因此，本文选择不同参数的镀铜镍纤维、镀银纤维、不锈钢纤维等电磁屏蔽織物制作同类型双层样布，采用小窗法测试每块样布单层及双层时的屏蔽效能，根据实验数据及电磁理论，分析双层电磁屏蔽织物屏蔽效能的大小变化规律，并揭示在一定条件下双层织物比单层织物屏蔽效能降低的原因，为多层电磁屏蔽织物的设计、生产及评价提供参考。
1 实 验
1.1 材 料
材料主要包含采用镀铜镍、镀银、不锈钢3种类型纤维制造的电磁屏蔽织物，每种类型织物包含多块具有不同结构参数的样布，其中镀铜镍纤维电磁屏蔽织物27块，镀银纤维电磁屏蔽织物32块，不锈钢纤维电磁屏蔽织物53块。具有代表性的3块样布见表1。
1.2 测试方法
依据GJB 6190-2008《电磁屏蔽效能测量方法》，采用DR-S08小窗法屏蔽效能测试箱（北京鼎容实创科技有限公司）、AV3629D微波矢量网络分析仪搭建系统测试织物的屏蔽效能，频率范围为1～18 GHz。采用Keyence VK-X110形状测量激光显微镜观测面料的表面结构。采用面料厚度测试仪、密度镜、电子天平及直尺等测试织物的基本结构参数。
2 结果与分析
2.1 同类型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能
对所有样布的单层屏蔽效能进行测试，同时也对紧密叠放状态即间隙为零时的同类型双层电磁屏
蔽织物在1～18 GHz频段的屏蔽效能进行了测试，变化情况如图1所示。从图1（a）可见，100%镀铜镍纤维的所有样布在1～18 GHz频段时双层均比单层的屏蔽效能增加;从图1（b）可见，100%镀银纤维的织物大多数情况遵守这个规律，但在一些高频段会出现双层织物屏蔽效能低于单层的情况，在16 GHz频段范围有明显的降低区域;从图1（c）可见，不锈钢纤维混纺双层织物在高频段的屏蔽效能比单层增加显著，但是在低频段范围个别频点则出现双层织物屏蔽效能低于单层的现象，可以看出其存在两个明显的降低区。将上述每种类型样布在不同频点的双层状态屏蔽效能与单层状态屏蔽效能相减，可明显看到箭头（图2）所指的频段范围有负值出现。
2.2 机理分析
由实验可以得出，对于镀铜镍纤维、镀银纤维及不锈钢纤维这些主流电磁屏蔽织物类型，无论其原 料、组织及密度如何变化，在1～18 GHz宽频范围下，同类型双层电磁屏蔽织物一般情况下屏蔽效能比单层有所增加，但是增加值随频段有所变化。其中，镀铜镍纤维织物在1～18 GHz范围内增幅比较均匀，镀银纤维织物在10 GHz以下增幅较多，10 GHz以上增幅下降，而不锈钢纤维织物则呈现相反的现象，10 GHz以下增幅较少，10 GHz以上增幅较多。镀铜镍纤维织物全频段没有出现增幅为负值的情况，而镀银纤维织物则在16 GHz左右出现增长负值，不锈钢纤维织物则在1～2 GHz频段及7 GHz左右出现增长负值。
局部频段双层屏蔽效能比单层低的现象是织物本身材料属性及叠放紧密程度所致，其根本原因是试样的柔软性和延伸性及叠放的平整程度等，使双层织物之间形成封闭或未封闭的扁平间隙区，如图3所示。
这些扁平间隙区具有多样性，在尺寸及形状方面无规则可循，但其在双层织物局部形成的腔体在一定频段条件下会形成谐振腔，这种现象会严重降低双层同类型织物的屏蔽效能。
图4为电磁波入射时双层电磁屏蔽织物不同区域场强变化示意。当电磁波以场强E1（V/m）入射第一层织物时，原透过第一层的电场强度为E2′（V/m），其值为：
由于织物内部导电纤维的排列及电磁参数的综合作用，当某个频段单层织物屏蔽性能增强时（如图1（b）中的16 GHz左右，图1（c）中的1～2 GHz频段及7 GHz左右），意味织物在该频点导电性能更好，织表面反射电磁波的能力更强，在一定条件下，E2′可能在扁平间隙区域发生反复反射，并且不断改变方向。根据谐振发生的规律，一般扰动波长需要小于腔体尺寸才能发生强谐振效应，由于扁平间隙区域两层织物之间的垂直距离尺寸有限，难以在1～18 GHz发生谐振，但与织物表面平行的横向及纵向尺寸可能较大，从而满足波长条件，此时E2′发生多次反射并改变方向后，就可能在此扁平间隙区域的水平方向引发共振发生谐振效应，从而形成扁平谐振腔。发生谐振后E2′增强为E2（V/m），一般情况下其方向与织物表面基本平行，如图4所示。根据电磁理论，衡量谐振腔积聚电磁能量的品质因子Q（无量纲）如式（2）： 很明显，由于双层织物在形成微小扁平谐振腔频段的高导电性及极小的距离，导致电阻R及电容C均较小，从而使Q较大，因此使E2′被大幅度提升至E2，在一定条件下甚至大于E1，即：
式（4）说明在特定条件下两层织物若形成微小扁平谐振腔，则会导致腔体内的场强异常增加，使电磁波透过两层织物后的场强E3（V/m）反而比透过一层织物的场强E2′要大，即此时两层织物的屏蔽效能低于单层织物的屏蔽效能。
2.3 双层织物屏蔽效能降低的产生条件
根据织物柔软易变形特点，双层织物在重叠时，扁平间隙区域的出现是随机的、多样的，如圖3所示，其具体位置由叠放的紧密程度、均匀程度、拉紧程度及材料柔软度及弹性等因素决定。因此，形成扁平谐振腔需要的条件如下：
a）两层织物之间需形成有效的间隙区域，其形状可以为不规则，但周围要有封闭或者未封闭的重叠周界存在，如图3所示。
b）根据电磁理论，扁平间隙区域在与织物表面平行的横向、纵向或某个方向尺寸要大于1/2个波长才能形成谐振效应。
c）织物表面有足够的反射电磁波能力，反射性能越大，则谐振效应越明显。
根据上述条件可知，双层织物形成谐振效应的频段是任意的，具体是否发生谐振，与波长、扁平间隙的形状、尺寸大小有密切关系。对某些扁平间隙区，由于上述条件并不满足，所以不会出现谐振效应，而对于某些扁平区域，某个频段的波长正好可以满足要求，从而形成谐振效应，在该频段大幅度降低了双层织物的屏蔽效能。
2.4 双层织物避免屏蔽效能降低的设计原则
若在双层同类型织物之间形成微小扁平谐振腔，无疑对双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能产生严重负面影响，甚至使其丧失电磁防护作用，给防护对象造成隐形伤害，因此需要有效避免。根据长期试验，总结了如下设计原则：
a）防止在两层之间形成扁平间隙：一是使两层紧密贴紧，不留间隙，二是若间隙不可避免，则防止封闭或半封闭周界存在，这样可以避免生成扁平间隙区域。由于双层织物的柔软特点，在应用中发现，即使双层之间有胶质物进行黏合，有时也会产生局部或大或小的扁平间隙，尤其对于服装的双层来说，这种局部扁平间隙出现的几率会更大，例如在有必要的绗缝线设计时，会人为地制造多个扁平间隙区。解决此问题的有效方法是在织物之间添加衬垫物人为拉大双层织物之间的距离，此时虽然出现间隙，但却不会出现封闭或者半封闭周界，也就不会形成扁平谐振腔。
b）选择合适材料：根据谐振腔形成原理，应首先选择反射电磁波性能较弱的屏蔽材料制作织物，以减少多次反射引发谐振效应的几率。如图1（a）所示的镀铜镍纤维织物，由于屏蔽成分中有磁性材料镍的存在，其反射特性有所减弱，因此在双层织物之间难以满足形成谐振的反射条件，从而在宽频范围未出现明显的双层屏蔽效能小于单层的情况。另外，合理增加织物表面的粗糙度、增加织物的厚度及选择吸波材料作为中间层等都是可以降低反射系数的方法。总之，只要破坏两层之间形成谐振现象的多次反射行为，理论上即可避免双层同类型织物屏蔽效能小于单层的情况发生。
3 结 论
a）同类型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能并非是简单两个单层织物的叠加，其中镀铜镍纤维电磁屏蔽织物在1～18 GHz全频段双层的屏蔽效能均大于单层，镀银纤维织物及不锈钢纤维织物在大多数频段双层的屏蔽效能大于单层，但有些频段则双层的屏蔽效能小于单层。
b）双层电磁屏蔽织物屏蔽效能比单层降低的原因是由于两层织物之间在某一频段或频点可能形成微小扁平谐振腔而造成的，是否形成微小谐振腔则由织物电磁波波长、扁平间隙各向尺寸、织物本身材料的反射性能等条件综合决定。
c）避免出现双层同类型电磁屏蔽织物屏蔽效能小于单层的不利情况，应从防止在两层之间形成扁平谐振腔着手，减少扁平间隙的形成机会，降低织物材料的电磁波反射性能，或者双层之间添加吸波材料，均是较为有效的方法。
本文研究结果对双层电磁屏蔽复合材料、双层电磁屏蔽服装等产品的设计、生产及测试有指导意义，可防止双层织物制作而成的服装、复合材料等在某些频段失去电磁防护作用而成为电磁防护中的隐形杀手。
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