胡衛(wèi)東，李 萍，彭 煜

(1.武警工程大學(xué) 研究生大隊(duì)，陜西 西安710086;2.武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安710086)

所謂電磁屏蔽就是以某種導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥蓪?shí)體的或非實(shí)體的屏蔽殼體，通過這種殼體將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離，即內(nèi)部電磁場不能越出這一區(qū)域，而外來輻射電磁場不能進(jìn)入這一區(qū)域或進(jìn)出該區(qū)域的電磁能量將受到大幅衰減［1］?？紤]到使用金屬板材屏蔽體的成本高、加工工藝難度高以及對(duì)屏蔽體便攜性的要求等，在屏蔽要求不十分精密的情況下，通常用金屬柵極或金屬網(wǎng)格替代金屬板進(jìn)行電磁屏蔽。

近年來，非致命性微波武器的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。憑借殺傷率低的特點(diǎn)，非致命性微波武器填補(bǔ)了傳統(tǒng)致命性武器在處置突發(fā)事件中的局限性。國內(nèi)外學(xué)者不斷地探討各種吸波材料，就戰(zhàn)地復(fù)雜的電磁環(huán)境所進(jìn)行的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究也是鳳毛麟角。針對(duì)30 GHz以上頻段的電磁防護(hù)研究更是少之又少，而且大多集中在設(shè)備的防護(hù)方面。

1 電磁防護(hù)織物模型建立

頻率選擇表面是一種二維周期性金屬諧振單元陣列結(jié)構(gòu)，織物本身具有網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)特性，因而可以將防護(hù)織物簡化為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來構(gòu)建等效模型。而在研究網(wǎng)狀織物的屏蔽效能時(shí)，無非是改變網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)形狀，本文運(yùn)用電磁仿真軟件Hobbies軟件建立了金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并找出影響網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的幾個(gè)參數(shù):網(wǎng)格中單元四邊形的邊長l;金屬絲半徑d;四邊形的頂角θ。

圖1 織物結(jié)構(gòu)等效模型

Hobbies軟件使通用的電磁仿真軟件，能夠高精度求解超大規(guī)模電磁模型，解決電磁散射、輻射、電磁兼容等問題。

2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響

2.1 屏蔽效能的表示

屏蔽效能SE，其定義為屏蔽前某點(diǎn)的場強(qiáng)與屏蔽后該點(diǎn)場強(qiáng)之比。用公式表示為

式中，E1是入射電場強(qiáng)度(V/m);H1是入射磁場強(qiáng)度(A/m);E2是屏蔽另一面電場強(qiáng)度(V/m);H2是屏蔽另一面輻射出磁場強(qiáng)度(A/m)［2］。

2.2 仿真分析

經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn):平面波入射角度φ越大，防輻射服對(duì)電磁波的衰減也就越大。因此，只需討論平面波垂直入射時(shí)的情況，如果這種情況滿足，那么斜入射時(shí)的性能指標(biāo)便自然滿足，以下研究的是均為平面波垂直入射的情況，并且考察頻點(diǎn)選在90 GHz。由于等效金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的高通FSS結(jié)構(gòu)，如果在90 GHz頻點(diǎn)處的屏蔽效能滿足要求，那么由此就可斷定已經(jīng)達(dá)到了相應(yīng)的性能指標(biāo)。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同頂角的四邊形網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)模型的屏蔽效能

如表1所示，四邊形的頂角θ越偏離90°，深藍(lán)色區(qū)域所占的面積越小，整體的屏蔽效能就越低，頂角θ取90°時(shí)的屏蔽效果最佳。

表2 屏蔽效能與單元四邊形(孔徑)之間的關(guān)系

如表2所示，4組尺寸模型的屏蔽效能相差不大，電磁波的衰減程度均達(dá)到了中等水平。隨著孔徑的減小，模型的屏蔽效能也略有降低，因此孔徑以不超過2μm為宜［3］。

表3 屏蔽效能與金屬絲半徑之間的關(guān)系

如表3所示，屏蔽效能與金屬絲直徑成反比;可以推論:采用直徑＜20μm的金屬纖維紗線進(jìn)行紡制，織物的屏蔽效能均在46 dB以上。根據(jù)上述分析得知，模型的孔徑越大、線徑越小，整體的屏蔽效能就越大。

2.3 尖劈效應(yīng)對(duì)屏蔽效果的影響

l與d取值邊界處的模型屏蔽效果如圖2所示，l=2μm，d=4μm時(shí)的屏蔽效果沒有，l=0.5μm，d=20μm時(shí)的結(jié)果好，但按上述分析的結(jié)論，第二組的屏蔽效果應(yīng)優(yōu)于第一組。通過對(duì)模型的檢查與分析發(fā)現(xiàn)，模型的橫截面會(huì)出現(xiàn)如圖3所示尖劈的結(jié)構(gòu)，影響尖劈形吸波體對(duì)電磁波的吸收與反射作用的因素主要是尖劈的頂角α和長度h［4］。

圖2 與取值邊界處屏蔽效能與頻率的變化關(guān)系

當(dāng)電磁波朝尖劈基底面垂直入射時(shí)，相鄰兩劈間的反射次數(shù)N為90°/α。而頻率主要影響吸波體對(duì)電磁波的吸收效率，普通尖劈形吸波體長度與電磁波波長的近似關(guān)系為L/λ≈1［5］?？梢?，尖劈頂角越小，電磁波被反射的次數(shù)越多;頻率越高，對(duì)應(yīng)吸收率最高的尖劈長度越小。

在圖3所示的單層屏蔽模型中，金屬絲直徑主要影響尖劈結(jié)構(gòu)的頂角角度，金屬絲直徑越大，對(duì)應(yīng)尖劈的頂角越小;網(wǎng)孔直徑主要影響尖劈結(jié)構(gòu)的長度，孔徑越大，尖劈的長度越小。隨著孔徑的增大，尖劈結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的最佳吸收頻點(diǎn)會(huì)相應(yīng)提高。

圖3 單層織物的縱向剖面圖

如圖4(a)所示，電磁波會(huì)在尖劈之間發(fā)生多次反射;如圖4(b)和圖4(c)所示，線徑的減小雖然會(huì)導(dǎo)致尖劈結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的反射次數(shù)減少，但頂角度數(shù)的增大則會(huì)使尖劈結(jié)構(gòu)的暴露面積增加。這會(huì)使尖劈頂端對(duì)反射波的阻擋作用減弱，從而增強(qiáng)屏蔽織物的屏蔽效能。因此可以推論:當(dāng)金屬絲直徑大小是孔徑尺寸的10倍以上時(shí)，由于尖劈結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)增加線徑時(shí)，電磁屏蔽效能會(huì)下降。

圖4 尖劈形吸波體示意圖

2.4 公式估算及其與仿真結(jié)果比對(duì)分析

根據(jù)Babinet原則［6］，一個(gè)狹窄槽的作用相當(dāng)于一個(gè)細(xì)線偶極子，當(dāng)槽的長度等于半波長時(shí)，輻射達(dá)到最大，即屏蔽效果最弱。當(dāng)槽長度d等于或小于半波長時(shí)，SE值近似等于

即SE值的減小與孔縫數(shù)量N的平方根近似`成正比。因此，從式(2)可知，SE與N個(gè)長度為d的槽有關(guān)，它可以通過式(3)進(jìn)行計(jì)算

運(yùn)用Matlab進(jìn)行編程計(jì)算，結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn):整體趨勢是與l成反比但與d成正比。運(yùn)用仿真和估算方法，分別得到了單層織物對(duì)90 GHz電磁波的屏蔽效能值，仿真結(jié)果比估算的好，孔徑、線徑分別取2μm和4μm時(shí)，如圖6所示，模型的仿真結(jié)果與估算公式的計(jì)算結(jié)果走向一致，屏蔽效能都隨著頻率的升高而降低。

圖5 經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)SE的估算結(jié)果

圖6 l=2μm，d=4μm時(shí)估算和仿真結(jié)果對(duì)比

綜上可知，當(dāng)線徑d與孔徑l的尺寸之比設(shè)置到10倍以上時(shí)，屏蔽效能與孔徑、線徑的變化關(guān)系呈現(xiàn)反結(jié)果，因此傳統(tǒng)的分析方法不再適用，而應(yīng)采用尖劈形吸波體的相關(guān)理論進(jìn)行研究［7］。當(dāng)孔徑與線徑的尺寸相比擬時(shí)，仿真與估算結(jié)果走向一致，符合屏蔽效能的傳統(tǒng)分析方法。

3 結(jié)束語

結(jié)合電磁防護(hù)的相關(guān)理論，采用微波仿真軟件Hobbies對(duì)電磁波防護(hù)服飾基本結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)格的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致地仿真，給出了優(yōu)化金屬網(wǎng)格防護(hù)效能的結(jié)構(gòu)與參數(shù):四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的頂角θ越偏離90°，整體的屏蔽效能就越低，孔徑不超過2μm，直徑＜20μm的金屬纖維紗線進(jìn)行紡制，織物的屏蔽效能均在46 dB以上。根據(jù)上述分析得知，模型的孔徑越大、線徑越小，整體的屏蔽效能就越大，但當(dāng)金屬絲直徑大小是孔徑尺寸的10倍以上時(shí)，由于尖劈結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)增加線徑時(shí)，電磁屏蔽效能會(huì)下降。

［1］ 刁振河.高功率微波防護(hù)的相關(guān)問題［D］.湘潭:湖南科技大學(xué)，2006.

［2］ 石慧宇，李萍，馬瑩.高強(qiáng)度電磁輻射對(duì)人體產(chǎn)生的危害及有效防護(hù)［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(23):25－28.

［3］ 韓鐘劍.編織結(jié)構(gòu)形式對(duì)網(wǎng)狀反射面天線電性能的影響分析［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［4］ 吳大偉.電磁波吸波體及其在航空技術(shù)中的應(yīng)用［J］.航空學(xué)報(bào)，1980(2):79－88.

［5］ 林紅磊，王怡然，胡英男.尖劈吸波體和微波暗室中的數(shù)學(xué)建模［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2012(7):162－174.

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［7］PHILIPPAKIS M，MARTEL C，KEMP D，et al.Application of FSS structure to selectively control the propagation of signals into and out of buildings［R］.U K:ERA Technology Limitted，2004.