王身云，計(jì)想建，岑大維

（南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用電磁研究中心，南京 210044）

電磁屏蔽技術(shù)是一種重要的電磁干擾防護(hù)手段[1]：一方面，電磁屏蔽技術(shù)是利用特定的電磁屏蔽體，將受防護(hù)的電子電氣元件與干擾性或甚至是毀傷性的電磁能量進(jìn)行空間隔離，使設(shè)備與系統(tǒng)工作空間的電磁環(huán)境電平滿足設(shè)備免遭毀傷和干擾的要求。針對(duì)民用電子設(shè)備與系統(tǒng)，干擾電磁能量可能來源于廣播、雷達(dá)和其他功能性輻射設(shè)備等人工源，也可能是雷電、宇宙輻射等自然源；在軍事方面，受防護(hù)對(duì)象通常是武器裝備電子系統(tǒng)和操作人員，干擾電磁能量主要來源于電子對(duì)抗干擾機(jī)、大功率雷達(dá)以及定向高功率電磁能武器（如高功率微波武器、主動(dòng)拒止武器、電磁炸彈等[2]）。另一方面，電磁屏蔽技術(shù)是利用特定的電磁屏蔽體，防止信息保密區(qū)域的電磁信號(hào)泄露，如機(jī)要屏蔽室[3]。

電磁屏蔽體的屏蔽效果由電磁屏蔽效能來表示，其定義為屏蔽區(qū)域在屏蔽前后的電場（或電壓）與磁場（或電流）或功率之間的比值。這個(gè)比值越大，表明屏蔽效果越好。在物理機(jī)制上，電磁屏蔽效能則取決于屏蔽體的材料電磁特性參數(shù)及其厚度，進(jìn)而決定干擾電磁能量被分配到屏蔽體上的反射、吸收和透射的比值。文獻(xiàn)[4-5]計(jì)算了電磁波在海水中的衰減特性，結(jié)果表明，進(jìn)入海水中的電磁波會(huì)快速衰減。目前，被廣泛應(yīng)用的電磁屏蔽材料主要有鐵磁材料、良導(dǎo)體金屬和導(dǎo)電復(fù)合材料[6]。鐵磁材料具有較高的磁導(dǎo)率，具有旁路磁能量的功能，主要應(yīng)用于低頻磁場的屏蔽；良導(dǎo)體金屬電導(dǎo)率非常大，從而使其具有較好的電磁屏蔽效果；導(dǎo)電復(fù)合材料，如導(dǎo)電高分子材料[7]、導(dǎo)電混凝土[8]、導(dǎo)電橡膠[9]以及智能半導(dǎo)體電磁屏蔽材料等[10]，它們是以摻雜或填充金屬的方式促使其具有較高的電導(dǎo)率，從而使其具有較好的電磁屏蔽（或能量選擇性屏蔽）效能。雖然上述各種類型的電磁屏蔽材料已獲得廣泛的應(yīng)用，但也存在不可避免的問題，如良導(dǎo)體金屬具有加工困難、易腐蝕等缺點(diǎn)[11-12]；導(dǎo)電復(fù)合材料具有制備工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、環(huán)境敏感易失效以及屏蔽效能有限等缺點(diǎn)。

文中根據(jù)電磁屏蔽材料的物理屏蔽機(jī)制，即材料的電導(dǎo)率在電磁屏蔽機(jī)理上起關(guān)鍵作用，提出將海水作為一種有效的電磁屏蔽材料的概念。海水是一種自然流體物質(zhì)，具有較高的介電常數(shù)和電導(dǎo)率參數(shù)，對(duì)干擾電磁波具有較強(qiáng)的反射和衰減效應(yīng)，因而天然具有較好的電磁屏蔽效能。特別地，針對(duì)海洋防務(wù)或艦船武器裝備領(lǐng)域的電磁屏蔽和電磁防護(hù)，海水電磁屏蔽體具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)和屏蔽效能均易重構(gòu)、光波透明（不影響屏蔽室的采光、視覺觀察以及激光通信設(shè)備工作）以及可以循環(huán)導(dǎo)熱等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因而具有較好的理論研究和應(yīng)用價(jià)值。

1 研究方法

海水的復(fù)介電常數(shù)采用由Klein和Swift擬合的經(jīng)典單Debye模型來表示[13]：

式中：ε∞為無限高頻率的介電常數(shù)，在 Klein和 Swift模型中取常數(shù)值 4.9；ω為入射電磁波的角頻率；εs(t, S)、τ(t, S)、σ(t, S)分別為靜態(tài)介電常數(shù)、Debye弛豫時(shí)間和由鹽離子引起的電導(dǎo)率，三者均是海水溫度和鹽度的函數(shù)。

Klein和Swift通過1.43、2.653 GHz的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，獲得了各參數(shù)的擬合估算公式，該模型被證明在低頻電磁波段具有較高的精度。將海水復(fù)介電常數(shù)表示成一般形式：，則有：

由于海水是流體物質(zhì)，形成電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)需要采用固體材料封裝。為了形成具有光波透明的電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，固體封裝材料采用低介電常數(shù)的 DM305玻璃[14]，其復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部分別近似為：ε'( ω) = 3.5ε0， ε''(ω) = 0.0003ε0。海水和玻璃材料被認(rèn)為是無磁性的，因此，其導(dǎo)納率和阻抗率可以分別表示為：和，其中ε0和μ0分別為空氣的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

考慮海水電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)是由雙層玻璃封裝海水構(gòu)成（如圖1所示），針對(duì)遠(yuǎn)場電磁干擾，入射源可近似為平面波。在頻域，假定正入射的電磁波為垂直極化或如圖1所示的x軸極化，根據(jù)電場切向分量連續(xù)的邊界條件，在整個(gè)z軸傳播方向上，電磁場的通解為：

圖1 雙層玻璃封裝海水電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)

在傳輸方向上，考慮隨機(jī)傳輸空間增量Δz，利用式(4)和(5)，則有關(guān)系式：

其中的系數(shù)矩陣稱為在增量介質(zhì)層[z , z+Δz] 的傳輸矩陣，記為 M (Δ z,ω)。選擇如圖1所示的虛線作為參考面，并假定這兩個(gè)參考面無限接近于雙層玻璃封裝海水屏蔽體的表面，即左右參考面的位置分別為z= 0和 z=dmax。入射干擾電磁波經(jīng)由左側(cè)參考面進(jìn)入屏蔽體，并在表面產(chǎn)生部分能量反射；而進(jìn)入屏蔽體內(nèi)部的電磁能量被海水物質(zhì)吸收，然后經(jīng)由右側(cè)參考面進(jìn)入電磁屏蔽或防護(hù)區(qū)域。因此，左側(cè)參考面上的電磁場由入射波和反射波疊加組成，而右側(cè)的電磁場只有透射波。具體可以表示為：

式中： xij(ω)為傳輸矩陣X(ω)的元素；k0為空氣中的波數(shù)。因此，根據(jù)屏蔽效能的定義有：

式（9）可以被看作嚴(yán)格的屏蔽效能計(jì)算公式，所計(jì)算的效能包括了傳統(tǒng)理論計(jì)算公式里的反射損耗R、吸收損耗A和多次反射損耗B所引起的屏蔽效能[1]。

2 結(jié)果及分析

首先，按照Klein和Swift擬合的海水Debye方程系數(shù)估算公式[11]，取常溫 t=20 ℃，鹽度S=3.5%時(shí)的參考值： εs(t, S)=72.5，τ(t, S)=9.09×10-12s，σ( t, S)=4.8 S/m。設(shè)置雙層玻璃厚度d1=d3=3.0 cm，不同海水層厚度d2對(duì)復(fù)合海水電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的屏蔽效能計(jì)算結(jié)果的影響如圖2所示?？梢钥吹剑?dāng)海水的電磁特性參數(shù)確定時(shí)，海水層的厚度越大，屏蔽效能越高。同時(shí)，當(dāng)海水電磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁特性參數(shù)確定時(shí)，電磁屏蔽效能隨頻率的增加而增強(qiáng)。例如，當(dāng)海水層厚度d2=3.0 cm時(shí)，入射電磁波頻率f≥2.2 GHz的屏蔽效能達(dá)到低等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)40 dB；當(dāng)d2=9.0 cm時(shí)，f≥20 MHz的屏蔽效能均達(dá)到低等級(jí)屏蔽標(biāo)準(zhǔn)40 dB，f≥1.0 GHz的屏蔽效能達(dá)到高等級(jí)屏蔽標(biāo)準(zhǔn)80 dB。針對(duì)低頻或極低頻電磁波，海水電磁屏蔽體的屏蔽效能會(huì)急劇降低，即失去了電磁屏蔽效能。因而，潛艇通信通常采用低頻或極低頻電磁波作為信號(hào)載體。

圖2 海水層厚度d2對(duì)屏蔽效能的影響

設(shè)置海水層厚度d2=7.0 cm，計(jì)算了不同玻璃層厚度d1對(duì)屏蔽效能的影響，計(jì)算結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹?，由于玻璃層對(duì)干擾電磁波的損耗較小，因而，玻璃層的厚度對(duì)所設(shè)計(jì)的海水電磁屏蔽體的屏蔽效能影響較小。特別地，針對(duì)低頻段電磁波，玻璃層的厚度相比于入射電磁波的波長可以忽略，海水電磁屏蔽體的屏蔽效能差異很小。

圖3 玻璃層厚度d1對(duì)屏蔽效能的影響

最后，分別計(jì)算了海水的鹽度和溫度對(duì)特定幾何結(jié)構(gòu)海水電磁屏蔽體的屏蔽效能影響。這里假定了玻璃層的厚度d1= d3=3 cm，海水層的厚度d2=7.0 cm。由式(1)可以看到，Debye方程中的系數(shù)為海水溫度和鹽度的二元函數(shù)。影響海水磁屏蔽效能的關(guān)鍵系數(shù)是海水電導(dǎo)率。一般地，海水鹽度越高，含有的離子數(shù)濃度越高，引起的海水電導(dǎo)率越高。當(dāng)海水鹽度或鹽離子數(shù)濃度一定時(shí)，海水溫度也會(huì)影響其電導(dǎo)率。溫度越高，海水鹽離子在電場作用下的離子遷移率越高，從而電導(dǎo)率就越高。首先，假定了海水的溫度t=20 ℃，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的擬合公式計(jì)算了不同海水鹽度所對(duì)應(yīng)的Debye方程系數(shù)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的海水電磁屏蔽體的屏蔽效能，如圖4所示。全球海水的鹽度值大約在 0.1%~4.0%，平均值約 3.5%。從圖 4中可以看到，海水鹽度值越高，其屏蔽效能越好。當(dāng)海水鹽度為0時(shí)，其電磁特性接近于去離子水，屏蔽體對(duì)低頻電磁波的傳導(dǎo)吸收損耗較小，主要產(chǎn)生周期性的反射損耗，如圖4中的低頻區(qū)所示。針對(duì)高頻電磁波，屏蔽效能增強(qiáng)，如圖4中的高頻區(qū)所示，主要是由海水介質(zhì)極化損耗增強(qiáng)所致?？傮w而言，當(dāng)海水鹽度較低時(shí)，屏蔽效能較差，達(dá)不到電磁屏蔽的低等級(jí)電磁屏蔽標(biāo)準(zhǔn)。考慮海水溫度對(duì)特定海水電磁屏蔽體的屏蔽效能影響，圖 5給出了當(dāng)海水鹽度為 3.5%時(shí)不同海水溫度的屏蔽效能計(jì)算結(jié)果。如前所述，溫度越高，引起海水的電導(dǎo)率越大，從而屏蔽效能增強(qiáng)，在不同的電磁波頻段可以達(dá)到不同的屏蔽標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別。

圖4 海水鹽度對(duì)屏蔽效能的影響

圖5 海水溫度對(duì)屏蔽效能的影響

3 結(jié)論

文中基于海水Debye電磁參數(shù)模型，嚴(yán)格導(dǎo)出了由玻璃介質(zhì)封裝海水所構(gòu)成的海水電磁屏蔽體的屏蔽效能計(jì)算公式。計(jì)算結(jié)果表明，海水的高電導(dǎo)率特性使得海水具有良好的電磁屏蔽效能。通過增加海水層的厚度、鹽度以及溫度，均可以提高海水電磁屏蔽體的屏蔽效能。