符景皓

（西北工業(yè)大學(xué)倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院 陜西 西安 710072）

0 引言

近年來(lái)，相關(guān)領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備或系統(tǒng)電磁防護(hù)能力愈加嚴(yán)格。 作為電磁兼容領(lǐng)域常用的一種防護(hù)手段，電磁屏蔽技術(shù)在提高敏感電子設(shè)備抗電磁干擾性能的同時(shí)，也能夠減弱電磁干擾源具有的輻射能量［1］。 當(dāng)前，電磁屏蔽性能已成為相關(guān)領(lǐng)域評(píng)估電子設(shè)備與系統(tǒng)安全可靠性的重要指標(biāo)。 且隨著人工智能與通信技術(shù)快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)正在逐步取代有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行高難度、高強(qiáng)度與高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)。 此時(shí)，為充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)的積極作用，制造商致力于降低無(wú)人機(jī)重量。 玻璃纖維、蜂窩夾層或者碳纖維等材料，在降低無(wú)人機(jī)重量的同時(shí)，還能夠增強(qiáng)無(wú)人機(jī)強(qiáng)度與抗疲勞能力。 目前，高功率微波武器發(fā)展使得無(wú)人機(jī)電子設(shè)備面臨的電磁環(huán)境進(jìn)一步惡化，已成為無(wú)人機(jī)正常運(yùn)行的主要威脅。 相較于傳統(tǒng)武器，高功率微波武器在實(shí)際應(yīng)用中只是單純消耗電力，具有較高的效費(fèi)比，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中需要重點(diǎn)防護(hù)的威脅。 蒙皮作為無(wú)人機(jī)第一道防護(hù)外來(lái)電磁干擾的屏障，需要屏障主要電磁便是高功率微波武器。 而無(wú)人機(jī)蒙皮的主要用材便是碳纖維材料。 因此，研究碳纖維材料在強(qiáng)電磁脈沖作用的屏蔽效能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］。 基于此，本文將電子設(shè)備屏蔽設(shè)計(jì)與強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)作為背景，并將無(wú)人機(jī)蒙皮使用材料——碳纖維材料為主要研究對(duì)象，分析碳纖維材料在強(qiáng)電磁脈沖作用的屏蔽效能。

1 電磁屏蔽機(jī)理及強(qiáng)電磁脈沖特性研究

電磁屏蔽主要是指不同電子設(shè)備或同一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)間工作時(shí)，不會(huì)因強(qiáng)烈的電磁輻射對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生影響與干擾，也不會(huì)因?yàn)槠渌O(shè)備具有的強(qiáng)烈電磁輻射而影響自身正常工作。 如果正常工作環(huán)境中，電磁輻射使得某一電子設(shè)備或者系統(tǒng)不能正常工作，此時(shí)則認(rèn)為該電磁環(huán)境難以滿足電磁兼容性要求。 其中，電磁兼容性具備三要素，分別是干擾源、傳播途徑以及敏感設(shè)備。 而電磁屏蔽功能是解決電磁干擾問(wèn)題的有效解決方式，主要工作依據(jù)是切斷干擾源和敏感設(shè)備之間的傳播途徑，阻斷電磁噪聲傳播，確保電子設(shè)備或者系統(tǒng)工作環(huán)境能夠滿足電磁兼容性要求。 具體來(lái)說(shuō)，電磁屏蔽技術(shù)主要是指利用性能良好的導(dǎo)電材料或者導(dǎo)磁材料對(duì)反射空間產(chǎn)生的電磁波，抑制干擾電子設(shè)備正常工作的電磁輻射，保護(hù)敏感性較強(qiáng)的電子設(shè)備。 通常情況下，電磁屏蔽技術(shù)能夠屏蔽大部分空間電磁輻射［3］。

空間輻射場(chǎng)主要取決于空間輻射源類型以及場(chǎng)地到源點(diǎn)的距離。 為獲得精準(zhǔn)的分析結(jié)果，將電磁干擾源分為兩種，一種為可以等效成電偶極子的非閉輻射源，另一種為能夠等效為磁偶極子閉合輻射源。 隨著場(chǎng)地到輻射源的距離不斷增大，輻射源的輻射強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變。 因此，將輻射場(chǎng)劃分為近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射［4］。 對(duì)于電偶極子，近場(chǎng)輻射主要以電場(chǎng)分量為主，對(duì)于磁偶極子，近場(chǎng)輻射則主要以磁場(chǎng)分量為主。 對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)輻射來(lái)說(shuō)，同偶極子的輻射均可以近似為平面波，此時(shí)輻射場(chǎng)的電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量勢(shì)均力敵，需要同時(shí)考慮。 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)劃分與電磁波波長(zhǎng)有關(guān)，可根據(jù)與輻射源距離劃分。 其中，半徑大于λ／2π 時(shí)，為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。 當(dāng)半徑小于λ／2π 時(shí)，為近場(chǎng)輻射，λ為波長(zhǎng)。

由上述論斷可知，在近場(chǎng)輻射中，對(duì)于電偶極子的干擾源，輻射場(chǎng)電場(chǎng)能量大于磁場(chǎng)能力，因此可利用電場(chǎng)屏蔽開展工作。 對(duì)于磁偶極子干擾源，輻射場(chǎng)磁場(chǎng)能力大于電場(chǎng)能力，需進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。 在遠(yuǎn)場(chǎng)輻射中，輻射利用平面波的形式傳播，此時(shí)電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相等，需利用電磁屏蔽。 通過(guò)上述分析將電磁屏蔽分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽以及電磁場(chǎng)屏蔽［5］。

1.1 屏蔽效能計(jì)算

屏蔽體性能通常采用電磁場(chǎng)屏蔽性能好壞衡量，利用屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）表示。 因此，快速獲取屏蔽體或者屏蔽材料的屏蔽效能對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整改具有重要指導(dǎo)作用。 然而，隨著強(qiáng)電磁脈沖技術(shù)快速發(fā)展，高功率微波武器對(duì)屏蔽材料的屏蔽效能影響較大。 因此對(duì)于此類干擾源，需進(jìn)一步屏蔽。 現(xiàn)實(shí)情況中，對(duì)于瞬時(shí)電磁脈沖屏蔽性能計(jì)算主要包括頻域屏蔽效能、時(shí)域屏蔽效能兩種。 具體選用哪種方式計(jì)算，需根據(jù)評(píng)價(jià)屏蔽材料性能以及工作環(huán)境或具體防護(hù)對(duì)象確定。

1.2 屏蔽效能的影響因素

為方便屏蔽體制造和安裝，現(xiàn)實(shí)情況中碳纖維材料主要由壁板組裝而成，且各壁板拼接處會(huì)留有一定的縫隙。為屏蔽電子設(shè)備或系統(tǒng)的信號(hào)傳輸、設(shè)備供電以及系統(tǒng)散熱，屏蔽體可能存在線纜轉(zhuǎn)接板、透光觀察窗等現(xiàn)象。 由此推測(cè)，具體部分縫隙會(huì)對(duì)屏蔽體的屏蔽性能產(chǎn)生影響。此外，為提高屏蔽效能，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)行者需要加固縫隙。 具體操作為在拼接縫隙處加裝導(dǎo)電橡膠和導(dǎo)電螺線管、在散熱窗加裝通風(fēng)波導(dǎo)、在觀察窗安裝導(dǎo)電玻璃。當(dāng)確定屏蔽體安裝方式后，屏蔽體屏蔽效能便已確定。

2 碳纖維材料屏蔽效能

隨著電子信息技術(shù)快速發(fā)展，日益嚴(yán)重電磁輻射問(wèn)題，已成為電子設(shè)備安全和人體健康的重要威脅。 作為解決電磁干擾有效防御材料，碳纖維材料屏蔽性能好壞在與結(jié)構(gòu)有關(guān)的基礎(chǔ)上，其自身屏蔽性能亦發(fā)揮著重要作用。 當(dāng)前，屏蔽體材料需要具有較好導(dǎo)電性，如銀、銅等。 但在航空、航天以及航海環(huán)境下，屏蔽材料除具有導(dǎo)電性外，還需要具有抗腐蝕性、體重輕等特點(diǎn)，但常規(guī)銀、銅等金屬或合金材料難以滿足上述要求。 碳纖維材料具有耐腐蝕強(qiáng)度高、密度小、耐高溫等特點(diǎn)，是屏蔽電磁輻射的首要選擇材料。

作為屏蔽機(jī)艙內(nèi)部電子設(shè)備和互聯(lián)線纜防護(hù)強(qiáng)電磁脈沖干擾的第一道屏障，纖維材料的電磁屏蔽性能受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。 由于具有力學(xué)性能和電磁特性，碳纖維材料已成為無(wú)人機(jī)蒙皮首選材料，覆蓋范圍超過(guò)機(jī)身60%。目前，碳纖維材料雖在無(wú)人機(jī)上具有廣泛應(yīng)用，但主要目的是替代金屬材料，減輕無(wú)人機(jī)的重量。 因此，在選擇碳纖維材料時(shí)，對(duì)于碳纖維材料在強(qiáng)電磁脈沖作用下的屏蔽效能要求較低。 但隨著強(qiáng)電磁脈沖技術(shù)快速發(fā)展與應(yīng)用，無(wú)人機(jī)面臨的電磁環(huán)境更加復(fù)雜多樣，遭遇的威脅也逐漸增加。 此時(shí)，無(wú)人機(jī)蒙皮的材料不但需降低機(jī)身體重，更重要的是需要具備電磁屏蔽性能。 然而，當(dāng)前對(duì)于纖維材料電磁防護(hù)特性研究仍舊處于探索階段。 有鑒于此，以無(wú)人機(jī)蒙皮纖維材料為研究對(duì)象，分析纖維材料的電磁屏蔽性能。 圖1 為無(wú)人機(jī)機(jī)身蒙皮纖維材料樣品的實(shí)物圖。

圖1 無(wú)人機(jī)機(jī)身蒙皮樣品

通常情況下，無(wú)人機(jī)蒙皮選用的纖維材料要由基板、碳纖維復(fù)合材料和防護(hù)涂層共同組成。 基板一般會(huì)用重量輕、強(qiáng)度大的非導(dǎo)電材料換金屬材料，旨在降低無(wú)人機(jī)重量。 碳纖維則是由上千根單絲組成，且每一根單絲直徑單位是μm，如圖2 所示。 同時(shí)，為保護(hù)碳纖維材料，無(wú)人機(jī)蒙皮還在表面噴涂防護(hù)涂層。 由此可見，無(wú)人機(jī)蒙皮電磁防護(hù)能力的發(fā)揮主要依托于碳纖維材料。 在具體影響過(guò)程中，碳纖維材料鋪層數(shù)量、線束寬度、絲材厚度等因素均影響屏蔽效能。

圖2 碳纖維材料結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述分析，碳纖維材料除需吸收損耗和反射損耗外，仍需考慮碳纖維材料的網(wǎng)孔數(shù)量與面積，以及相鄰孔之間的耦合等參數(shù)，具體計(jì)算屏蔽效能的公式為式（1）所示：

式（1）中，A、R、B主要表示吸收損耗、反射損耗以及多次反向損耗；K1、K2、K3表示網(wǎng)孔對(duì)電磁屏蔽效能的修正參數(shù)。 經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，碳纖維材料在強(qiáng)電磁脈沖下的屏蔽效能會(huì)隨著沖擊頻率的增高而降低，整體的屏蔽效能集中在35～60 dB 間。

3 屏蔽效能測(cè)試

測(cè)試碳纖維材料屏蔽效能是獲取屏蔽體各個(gè)頻段的電磁屏蔽性能，成為本文的研究重點(diǎn)。 將參考碳纖維材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試碳纖維材料頻域屏蔽效能，根據(jù)最小相位原理和傅里葉變換，測(cè)算碳纖維材料的頻域屏蔽效能，并將其轉(zhuǎn)換為時(shí)域屏蔽效能。 在上述分析結(jié)果基礎(chǔ)上，分析碳纖維材料時(shí)域屏蔽效能和頻域屏蔽效能的關(guān)系。

3.1 測(cè)試方法

對(duì)于碳纖維材料屏蔽效能的測(cè)度，我國(guó)對(duì)于電磁防護(hù)材料頻域屏蔽效能給出詳細(xì)的測(cè)量方法。 其中，《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》均對(duì)碳纖維材料屏蔽效能進(jìn)行詳細(xì)介紹測(cè)試方法。 梳理總結(jié)，發(fā)現(xiàn)碳纖維材料的屏蔽效能測(cè)試方法是由法蘭同軸裝置法和屏蔽室法組成。 進(jìn)一步利用屏蔽室法測(cè)量電磁防護(hù)材料的屏蔽效能。 且《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》規(guī)定了測(cè)試頻段、測(cè)試頻點(diǎn)、測(cè)試距離等內(nèi)容。 因此，在實(shí)際測(cè)算過(guò)程中必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。 表1 為《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》中的不同頻段使用的天線類型。

表1 不同頻段使用的天線類型

實(shí)際測(cè)試中，每10 倍頻程內(nèi)需至少選擇3 個(gè)頻點(diǎn)，同時(shí)也要盡可能滿足實(shí)際工程或項(xiàng)目的相關(guān)要求。 需要注意的是，測(cè)試時(shí)應(yīng)該避開屏蔽室自身的諧振頻率。 同時(shí)，在測(cè)算碳纖維材料屏蔽效能時(shí)，需要將接收天線放在屏蔽室內(nèi)，發(fā)射天線放在屏蔽室外，以期降低電磁對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此外，屏蔽室內(nèi)部不要放置其他金屬材料，避免對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不必要的影響。 測(cè)量時(shí)，天線、儀器和其他物體位置需保持不變，且天線距屏蔽材料距離應(yīng)滿足相關(guān)要求。

3.2 測(cè)試流程

傅里葉變換作為重要工具，在屏蔽效能的等效中發(fā)揮著重要作用。 因此，基于傅里葉變換及逆變換的基本原理，介紹具體流程。 計(jì)算時(shí)域屏蔽效能時(shí)，對(duì)于不同時(shí)域的脈沖波形，通過(guò)頻域測(cè)試獲取屏蔽材料的時(shí)域屏蔽效能。 在測(cè)度頻域屏蔽效能時(shí)，需要借助強(qiáng)電磁脈沖峰值場(chǎng)具有強(qiáng)高這一特點(diǎn)，利用時(shí)域測(cè)試來(lái)獲取頻域屏蔽效能。在此基礎(chǔ)上，頻域屏蔽效能作為屏蔽材料的固有屬性，理論上可以利用任意時(shí)域脈沖波形測(cè)試輻射，具體處理流程如圖3 所示。

圖3 屏蔽效能流程

4 碳纖維材料應(yīng)用研究

強(qiáng)電磁會(huì)通過(guò)孔縫進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，作用于電路板的敏感元器件，進(jìn)而造成器件燒毀，影響正常工作。 同時(shí)，強(qiáng)電磁也會(huì)通過(guò)線纜進(jìn)入電路內(nèi)部后，對(duì)電路中敏感設(shè)備造成熱損傷。 因此，注重電子設(shè)備的屏蔽作用十分重要。 在具體屏蔽過(guò)程中，一般采用金屬編織網(wǎng)屏蔽強(qiáng)電磁。 但由于無(wú)人機(jī)對(duì)重量的嚴(yán)格要求使得屏蔽線纜需使用碳纖維材料，這主要是由于碳纖維材料由于重量輕、柔韌性好等特點(diǎn)。 因此，利用MATLAB 編程進(jìn)行解析計(jì)算，研究碳纖維材料在線纜防護(hù)中的可行操作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.1 線纜耦合理論建模及分析

無(wú)人機(jī)內(nèi)部線纜布局包含多種類型，如包裹在同一絕緣層內(nèi)多根獨(dú)立絕緣的多導(dǎo)體線、兩根等形式。 作為電子設(shè)備或系統(tǒng)中通信、控制以及電力供應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備，線纜是系統(tǒng)中尺寸最長(zhǎng)部分，極易受到強(qiáng)電磁脈沖干擾，進(jìn)而在負(fù)載終端產(chǎn)生較大感應(yīng)電壓，對(duì)電子設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。 電磁場(chǎng)能量耦合到線纜上主要包括電容性耦合、電感性耦合、電磁耦合三方面。 具化到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，強(qiáng)電磁脈沖在傳輸線附近可近似為平面電磁波。

4.2 防護(hù)性能研究

線纜屏蔽是指利用一層或者多層金屬導(dǎo)體將傳輸線包裹起來(lái)，并將屏蔽層與地面線纜相銜接。 同時(shí)，屏蔽方式主要將屏蔽層類型作為劃分依據(jù)，具體劃分為編織型屏蔽、波紋管型屏蔽、熱縮管型屏蔽、復(fù)合屏蔽。 通常情況下，屏蔽線纜多采用金屬箔或金屬編織網(wǎng)。 這主要是由于屏蔽線纜防護(hù)效果較好，能夠在受到強(qiáng)電磁脈沖干擾時(shí)，確保受干擾設(shè)備正常工作。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文將電子設(shè)備屏蔽設(shè)計(jì)和強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)需求作為背景，并以無(wú)人機(jī)蒙皮使用材料——碳纖維材料作為研究對(duì)象，深入探究碳纖維材料在強(qiáng)電磁脈沖作用的屏蔽效能。 首先，在電磁屏蔽原理基礎(chǔ)上，介紹電磁屏蔽分類和基本原理，探究衡量電磁屏蔽性能的指標(biāo)。 其次，根據(jù)碳纖維構(gòu)成特點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)電性進(jìn)行升級(jí)測(cè)試。 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入分析碳纖維材料的鋪層數(shù)量、絲材厚度對(duì)屏蔽效能的影響。 再次，在傅里葉變換原理的基礎(chǔ)上，介紹屏蔽效能測(cè)試方法和流程。 最后，根據(jù)實(shí)際情況，探究碳纖維材料在線纜防護(hù)中的應(yīng)用，且通過(guò)仿真探究強(qiáng)電磁脈沖下傳輸線長(zhǎng)度對(duì)終端屏蔽效能的影響。 經(jīng)過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維材料對(duì)強(qiáng)電磁脈沖具有較強(qiáng)的屏蔽性能。 同時(shí)，由于具有重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，碳纖維材料在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。