电磁屏蔽织物与防辐射屏蔽服屏蔽性能测试方法的研究qt081230-3

伏广伟 中国纺织工业协会检测中心主任

赵玉峰 中国纺织工业协会检测中心顾问

原载：http://www.cnki.net

网上来稿：zhanyizhen，2008/12/30

一、关于屏蔽材料与屏蔽织物的研究动态

电磁屏蔽是控制电磁干扰, 防止污染环境, 保护人类健康的有效手段。随着科学技术的进步, 在传统的屏蔽材料基础上, 国外不断研究, 开发新的屏蔽材料, 并且开始应用到许多场合。其中电磁兼容技术领域中, 采用物理镀的电镀与化学镀等方法制备的非晶态合金型电磁屏蔽材料已开始用于提高集成电子电路、仪器仪表、无线电、通信、雷达、以及卫星系统等电磁兼容性能, 发挥了良好作用。近年来, 我国在金属填充聚合物电磁屏蔽材料的研究工作中取得较大进展, 比如, 研制成功的导电聚苯胺与金属微粉混合的高效轻质电磁屏蔽材料, 利用与或其他金属粉末存在的复合效应, 形成导电网络见图所示对电磁能量具有显著的衰减性能。

图1 聚苯胺连接金属粉末颗粒形成导电网络示意图

按照材料使用形式进行分类, 电磁屏蔽材料可分为金属板带材料、表面金属沉积材料、导电高分子材料、电磁屏蔽涂料和电磁屏蔽织物。

（一）金属板带材料

电磁屏蔽室、微波暗室一直都是电磁屏蔽材料的主要应用领域, 所使用的屏蔽材料是轧制钢板。伴随着钢铁工业发展, 电磁屏蔽钢铁材料的力学性能及屏蔽性能得到了很大程度的提高。虽然屏蔽性能并非轧制钢板的主要追求目的, 但钢板综合性能的提高督屏蔽工程的技术进步起到巨大的推动作用, 主要表现在硅钢和铁镍合金两种材料上。这两种材料在宽频电磁屏蔽性能, 特别是低频磁屏蔽性能方面所具有的优越性是目前任何一种工程屏蔽材料都不具有的。

某些金属熔体通过快速冷却的方法, 能够获得非晶态金属材料。同金属轧制板材相比,非晶态带材的宽度较窄, 目前国内生产的非晶带宽度普遍在40cm以下。小尺寸规格使材料的工程化应用受到一定的限制, 然而非晶态金属材料优良的磁导率和饱和磁化强度为解决磁干扰问题提供了很好的技术方案。

（二）表面金属沉积材料

表面金属沉积材料是采用金属熔射, 真空蒸镀, 阴极溅射、电化学沉积的方法使非导电材料的表面覆盖一层导电薄膜。例如真空镀铝、化学镀铜镍等都是电磁屏蔽材料或元件进场采用的技术手段。

（三）导电高分子材料

导电高分子材料按其组成和导电机理可分为本征型和复合型两种。本征型主要有,共辘型、金属合物型、电荷转移络合物等, 由于这类导电聚合物成本较高, 电磁屏蔽效能较低, 其应用范围受到很大限制, 目前仍处于实验室研究阶段。复合型己进入实际应用, 是将不同的导电填料分散复合于高分子基材中制成导电复合材料, 如普遍使用的导电塑料、导电橡胶等。

（四）电磁屏蔽涂料

导电涂料是由合成树脂、导电填料和助剂组成的一种半液态混合物, 使用过程中将其涂敷于基材表面、固化后形成的导电膜发挥电磁屏蔽的功能。成膜树脂主要有醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯等导电填料包括石墨、银、铜、镍导电粉料, 目前人们正在开发、推广Ag/Cu/Ni三种金属的包覆粉料, 被覆粉料有石墨, 空心玻璃微珠、片型矿物粉体等。

在深入研究电磁兼容材料的同时, 为防止电磁环境污染, 保护作业人员与公众的身体健康, 国内外相继研究、开发用于防辐射的个体屏蔽织物和屏蔽帐篷、屏蔽罩、屏蔽隔断等软体屏蔽材料, 即屏蔽织物。电磁屏蔽织物是一类具有织物网络结构的电磁屏蔽材料。目前电磁屏蔽织物包括化纤布表面金属沉淀织物、技术纤维编织物、金属纤维无纺布、导电纤维与化纤的混纺织物, 涉及的金属材料有Cu、Fe、Ni、Al、不锈钢纤维。同其他电磁屏蔽材料相比, 屏蔽材料有质地柔软、易于剪裁、便于贴装的特点。屏蔽效能的高低取决于使用的金属类型和织物的制造方法。

在屏蔽织物的成型工艺方面, 主要分为下面三种

(一)软化金属纤维屏蔽织物

此为纺织成型, 它是特棉纤维, 毛纤维等植物性、动物性纤维与软化金属纤维合股制纱线, 在纺织成屏蔽织物由于加入金属纤维的量不同, 使之屏蔽衰减性能也不相同。目前我国多半采用软化不锈钢纤维与棉纤维、化学纤维等植物纤维混纺制成, 一般衰减性能, 即屏蔽效能大致在10-60dB。采用防止成型的屏蔽织物有:手感与服饰感好;透气性强;色彩多样;耐洗涤;折叠性良好等特点。基本上与市场上流行的纺织布性能一样, 适合作防辐射屏蔽服、屏蔽罩、屏蔽窗帘等。

(二)镀膜金属屏蔽织物

此为湿镀成型, 它是在制成纺织成品, 即布料的两面, 采用物理镀或化学镀的工艺, 在布料上置换沉积上一层导电膜一导电粒子制成的屏蔽织物。镀膜成型的屏蔽织物,一般视金属导电膜层的厚度与施镀金属粒子的导电性来决定屏蔽织物的屏蔽性能, 一般可具有30-80dB的衰减。镀膜织物比软化金属纤维织物在透气性能、服饰感与耐洗涤等性能方面差,但对电磁能量衰减幅度大。所以镀膜屏蔽织物可广泛制成屏蔽帐篷, 作假目标、屏蔽罩等。

(三)金属粒子包覆织物纤维屏蔽织物

日本等国家在开展用金属粒子包覆织物纤维制作屏蔽织物的力度很大, 我国近几年也开始涉足。这种包覆法是将棉纤维、化学纤维等织物纤维处理后, 采用金属置换将导电粒子渗透、沉积在织物纤维表面, 即形成一层牢固的金属导电膜(见图2所示)。

图2 包覆纤维示意图

从成型工艺考虑, 在实际制作上多采用对织物纤维丝进行导电层包覆做法。这种方法制作成本高, 从性能上分析, 兼顾软化金属屏蔽织物与镀膜屏蔽织物的特点, 其性能介于上述两者之间。

二、关于屏蔽织物屏蔽效能侧试方法的国内外研究动态

(一)屏蔽效能

材料的屏蔽效能SE是指空间某点未加屏蔽时的电场强度E0(或电场强度H0、能量场强度P。）与加屏蔽该点的电场强度E1（或电场强度H1、能量场强度P1）的比值, 对于实际屏蔽材料, 屏蔽效能SE可表示为SE=A+R+B,A、R、B三项表达式如下表所示：

式中: R一表示电磁波通过屏蔽表面时, 由阻抗突变引起的反射损耗

A一表示电磁波在屏蔽体内部传播时, 电磁能量被吸收的损耗

B一表示电磁波在屏蔽体的两个界面的多次反射损耗

表1 各种电磁场屏蔽性能表达式

电磁场类型	吸收损耗A	反射损耗R	多次反射损耗B
平面电磁场	A=131/√fµ1σ1	R=168+101g(σ1/µ1f)	R=201g(1-e-^2m1)
电场	A=131/√fµ1σ1	R=322+101g(σ1/µ1f2r2)	B忽略
交变磁场	A=131/√fµ1σ1	R=322+101g(fr2σ1/µ1)	R=201g(1-e^-2mr1) （A＜15dB B忽略 （A≥15dB）

注：f一频率;σ1一电导率从;µ1一磁导率;r一与磁场源的距离;l一屏蔽体厚度。

(二)国外研究动态

关于屏蔽织物屏蔽效能的测试方法, 目前国外尚无统一的方法。

美国军标制定的“MIL-STC-285大样法” 已经用于屏蔽布、屏蔽衬垫、屏蔽玻璃、导电橡胶等复合屏蔽材料屏蔽效能之测定上。“MIL-STC-285大样法”是国际上公认的标准屏蔽效能的测试方法, 它直接模拟了被测样品在空间场的屏蔽效能。这种方法测量动态范围宽,它可以测量不同规格不同厚度的材料。

1、测量原理

“大样法”是在屏蔽室或者微波暗室进行屏蔽测试的, 它在屏蔽室或者暗室上开一个窗口, 将屏蔽材料固定在窗口上, 测得加屏蔽材料前后的场强比值, 就是将屏蔽材料的屏蔽效能。“大样法”测试系统见图3所示

图3 “大样法” 测试系统

2、测试仪器

频谱分析仪：Agilent E4407B、RSA2003218

信号源：ZN1042

3、MIL-STD-285屏蔽效能测量装置一套

1)测量装置尺寸,3×3×3(m) 用2.5mm钢板拼装焊接

2)钡量口尺寸:600×600(mm)咖

3)屏蔽门尺寸:850×2000(mm)

4)测量动态范围频率为10KHz-18GHz, 场强100dB.

MIL-STD-285大样法已经在美国和欧洲许多国家与地区的军用、民用、与工业领域得到了比较广泛的采用, 在国际上己经成为屏蔽材料的典型测试方法。

(三)国内研究动态

在我国, 中国计量研究院、信息产业部电子标准化研究所和航天203所等多家单位均在2000年之前建立了基于SJ20524中定义的同轴测量装置, 某些单位建立了拱形法测量系统。所有这些测量方法, 在实施电磁抑制材料的屏蔽效能测量方面发挥了积极作用。

1、同轴插入测量法

依据SJ20524-1995《材料屏蔽效能测量方法》进行。

1)测量原理

在实验室内, 将信号源的工作频率与输出功率调整到所要测试的参数上, 当工作状态稳定后, 将信号源的功率输出通过同轴波导传输到信号接收机或者频谱仪上, 此时接收机或者频谱仪的显示部分所显示的数据, 即为该频率下接收机所接受到的输入场强值, 一般以dB表示, 记作P0；然后将按照规定的尺寸要求裁剪好的待测样品放入同轴波导之间的法兰盘内加固好, 在按照上述参数不变的工作下开机, 那么这时接受系统显示部分所显示的数据就是经过电磁抑制材料衰减后的材料屏蔽的场强值, 记作P1,两者测量结果, 可以通过下公式计算求出材料的屏蔽效能；

当测量值用dB表示时, P1-P0。即为屏蔽效能的衰减值;当测量值用功率表示时, 则有;A=10 logP0/P1

式中:A一材料衰减值,

P0一初始空白场强值

P1一衰减后场强值

2)主要装置——法兰同轴传输线

同轴插入法的测量装置如图4或5所示；同轴插入测量装置内电场与磁场相互正交, 而且相互垂直与电磁波的传播方向, 相当于空间的平面电磁波, 因此测量结果是试样对垂直入射平面波的屏蔽效能。用法兰同轴测试装置进行材料的屏蔽效能测试时, 常用的系统测量方式有：信号源电磁干扰测量仪测量方式；跟踪信号源频谱分析仪测量方式；网络分析仪测量方式。

图4 法兰同轴装置的网络分析屏蔽效能测量图

图5 同轴测量装置频谱分析仪屏蔽效能测量图

3)测试仪器:

网络分析仪 HP8753C ANA2003626

频谱分析仪 Agilent4407 RSA2003218

信号源 Wiltron6745B RAG2003530

信号源 HP3325B ULF2003265

毫米波点频源 37.5GHz

毫米波接收机

2、拱形测量法

1)测量原理

这种方法是在GJB5239-2004《射频吸波材料吸波性能测量方法》基础上发展而成, 他主要的装置是设计安装一条拱形滑轨, 将信号源的发射天线与接受系统的接收大线分别装置在拱形轨道上, 一般原则上将发射天线与接收天线调整一定的角度, 测量示意图见图6。

图6 拱形测量法示意图

测量原理是：矢量网络分析仪的输出端与发射天线相连接, 激励信号经过被测吸波材料或金属板后反射, 再有接收天线接受, 并将之送入矢量网络分析仪的输出端, 发射天线与接收天线在拱形架上可以自由移动, 并且都指向圆心, 被测式样的反射电平与金属板的反射电平之比即为吸波材料的反射率, 拱形法的适用频率范围1-18GHz.

测试时, 将信号源的工作频率与输出功率调整到所要测试的参数上, 主要是信号源的工作频率与输出功率, 这时, 信号源的输出通过发射天线打到置于一定角端处的全反射板上,然后, 发射能量经过全反射板到接收大线, 部分被吸收掉, 此时接收机的显示部分所显示的数据, 即为该频率下的空白场强值,（一般以dB表示, 记作P0。

关机后, 将按照规定的尺寸要求裁剪好的待测样品放在全反射板二, 在按照上述参数开机, 则发射天线所发射的能量经置于一定角端处的全反射板的吸波材料所吸收, 剩余能最,即为被吸收的能量反射到接收天线, 再输入到接收机上, 那么这时接受系统显示部分所显示的数据就是经过吸波材料吸收后的场强值, 记作P1.

按照同轴屏蔽效能计算公式计算材料的衰减值。

2)主要测量仪器：

E8254A 微波信号发生器

E7045 A EMC分析仪或

ESA 系列RF频谱分析仪、网络分析仪

3）主要装置：

微波暗室: 4×4×3 m

弓形轨及样板支架

标准全反射板

3、开窗测试法

电磁屏蔽效能试验参照MIL-STD-285:1956《用于电子试验的电磁屏蔽环境衰减方法》的相关规定, 在按照该标准建造的吸波暗室进行, 需要信号源, 频谱仪, 发射接收天线等设备。首先选择较宽阔场地, 将收、发天线直接相对.测量直通值E1;然后将备选屏蔽材料固定在实验材料板上, 材料板压接在吸波暗室的窗户上, 发射天线连接信号发生器置于室外,接收天线连接频谱仪置于室内, 测量吸波暗室内部信号强度, 得到材料测量值E2;直通值与材料测量值的比值S=20logE1/E2即为该材料的电磁屏蔽效能值。具体天线位置, 材料尺寸等参数参照MIL-STD-285;1956确定。实验室布置示意图见图7所示。

图7 材料实验示意图

三、关于纺织系统屏蔽织物屏蔽效能侧试方法的研究

鉴于我国纺织行业的实际条件, 本着经济、实用的原则。我们参照原苏联所采用的“开窗法” 和美军所采用的“大样法” 之测量原理, 研究并提出如下测量方法作为我国现阶段屏蔽织物屏蔽效能的测量方法, 定义为” 大样开窗法” 同时, 在1000MHz以上又设计了” 小同轴测量法”。

(一)大样开窗测量法

作为屏蔽织物屏蔽效能的主体测量方法, 可以对所有屏蔽织物进行衰减性能鉴定。大样开窗法实际上也是在不同频段的几个选定的点频处进行测量.

1、测量原理

大样开窗法的必要条件是建立一座按设计要求的屏蔽室, 在屏蔽室的中间位置设计安装一面屏蔽墙, 该墙的四边要与屏蔽室的四壁接触良好, 无缝隙, 构成电气一体化结构。在屏蔽墙的中央部位开有一定尺寸的测试专用窗口。为防止电波信号的被反射与折射而干扰测量结果, 在屏蔽室内的所以壁面的表面粘敷平板型吸波材料测试窗尺寸为600mm×600mm。

大样开窗法的测量原理是将信号源与发射天线置于屏蔽墙的一侧（屏蔽室内）, 而将接收机与接收天线置于屏蔽墙的对应另外一侧, 发射天线与接收天线正对测试专用窗口的中心范围, 各距屏蔽墙1m, 所以又称1m测量法。（测量装置与测试系统图示于图8）。或各距屏蔽窗口0.3m。将屏蔽材料固定在窗口上, 测量材料前后的场强比值, 就是屏蔽效能值。

图8 大样开窗法测量系统示意图

当然, 针对上述大样开窗法系统装置的特点, 也可以进行简化设计, 即在屏蔽室的一侧边屏蔽墙上, 开一个600mm×600mm的测试用窗口, 将收发两副天线等距离布置在测试用窗口的对应两侧, 测量加屏蔽织物前后的场强值该装置示意如图9所示。

图9 测试装置示意图

2、操作程序

按正常仪器操作规程开启信号发生器（或发射机）, 按测试需要调整好工作频率与发射功率, 那么发射系统通过发射天线的信号通过测试专用窗口而被接收天线所接收, 此时接收机显示的数据即为空白场强, 记作E0或P0；然后关机将待测屏蔽织物样品裁剪成适当尺寸后固定在专用测试窗框上, 并保持与屏蔽墙的接触良好然后按上述参数不变, 开启信号源系统此时, 接收系统就会接收到经过屏蔽织物衰减后的场强, 记作E, 或P1

按下列公式即可求出屏蔽织物的屏蔽效能

AE=20 log	E0
	E1
AP=10 log	P0
	P1

式中:

AE, AP一屏蔽效能衰减值,db

E0一一未加入屏蔽织物时所测试得的空白场强,V/m;

E1一加入屏蔽织物后所测试得的场强,V/m;

P0一未加入屏蔽织物时所测得的空白场强, µw/cm2

P1一加入屏蔽织物后所得的场强, µw/cm2

3、主要设备与仪器（供参考例）

HP8648(频率100Hz-2Ghz) 信号发生器台 1台

AV1485(频率250KHz-4GHz) 合成信号源台 1台

或不同频段的发射机系统, 比如1000Hz,13.5MHz,19.5MHz,1800MHz 频段发射设备频谱分析仪或适宜的综合场强测试仪.

(二)小同轴测量法

在高频率段, 配合“大样开窗法” 对屏蔽织物作复核测量其测量原理与前述之同轴法相同, 测试系统示意图见图10所示。

图10 小同轴测量法示意图

小同轴测量法也可用于测量1000MHz以上屏蔽织物屏效之测量, 而大样开窗法专门用于1000MHz以下屏蔽织物之屏蔽效能的测量, 也可以作全频屏效试验。

四、关于防辐射屏蔽服屏蔽效能的侧试方法的研究

同样, 关于防辐射屏蔽效能服的屏蔽效能的测试, 国内外亦没有形成统一的测试规范。考虑到防辐射屏蔽服要穿在人的身上, 其领口、对襟与袖口等部位一般呈开放式的, 因此导致不同部位的电磁屏蔽效能是不相同的。为真实的反映屏蔽服对人体的保护作用, 现研究提出模拟人体穿上屏蔽服的实际屏蔽作用程度的‘仿真测量法’ , 也经实践证明是可行的办法。

仿真测量法原则上要在屏蔽室或微波暗室中进行, 以保证测量的准确性。

仿真测量法基本上是模拟实际使用状态时的测量方法, 因此要求信号源与接收机适用的频率范围要广, 测量场强范围要大。一般来说, 信号源的发射功率应在几十W以上, 工作频率应从中波到微波, 因此作为信号源要用2-3台频率能贯连的设备。而接收系统则要求适用频率范围宽, 可从100KHz-10GHz, 测量场强应采用非选频全向综合场强测量仪。

(一)测量原理

在专用实验室中, 将发射天线置于室内恰当的固定方位, 而接收天线, 即全向综合场强仪, 置于人体模特装置内的胸部位置, 发射天线与接收天线呈水平状态, 原则上要求两者相距在1λ以上。

测试时, 第一步是先将信号源按测试要求调整到满足工作频率与发射功率。信号源正常工作状态下, 则置于模特装置内的接收仪器探头(即接收天线)可接收到信号源发射的功率密度, 那么综合场强测量仪所显示的数据即为空白场强值, 记作E0或P0。

第二步是将待测防辐射屏蔽服穿在人体模特身上, 系好纽扣或拉链。当信号源正常工作状态下, 则综合场强测量仪又会接收到一个新的数值, 那么此数值即为穿上防辐射屏蔽服后的场强值, 记作E1或P1。

按下式可计算出屏蔽效能

对于电场, 则有 Ag=20eog·E0/E1

对于功率密度, 则有 Ap=10eog·P0/P1

公式中含义类同屏蔽织物屏蔽效能计算公式中字母含义。测量原理示意图见图11所示。

图11 测量原理示意图

(注:λ应按最低测试频率所对应的波长计算或直接取1.5一2m)

(二)主要测试装置与仪器

1、屏蔽室（或微波暗室）

屏蔽室有一定的体积空间, 内壁粘敷平板吸波材料；亦可直接采用微波暗室, 作为专门实验室。

2、发射系统

1)中、短波信号源

可选用几百的广播实验发射机或专门设计的信源设备, 工作频率可选择100KHz-3MHz频率中的几个点频。

2)超短波（或短波）信号源

可选用13.56MHz或40.68MHz的信号源或工、科、医射频设备作为发射系统, 输出功率可调。

3)微波信号源

可选用915MHz±25MHz的工、科、医射频设备, 输出功率可调。

可选用800-980MHz与1800-2000MHz干扰器作模测信号源。

3、综合场强测量仪

1)国产：HJ-2型高频近场测量仪, 频率范围为100KHz-30MHz;

H-2型全向智能场强仪, 频率范围约为300KHz-6GHz。

2)进口：可选用PMM8053A配专用探头或其他进口仪器。

五、侧误差分析及防止措施

(一)测量系统误差

由测试仪器及其配套系统所产生的测试误差, 总的控制在≤2dB左右。这在仪器设计、元器件选择与计量校验等环节中已采取了相关措施, 进行了有效控制。

(二)环境影响误差

由于环境因素, 比如温、湿度环境背景电磁场等的干扰也会产生测量误差。为此, 要求测量工作应在专门设计的标准屏蔽室或微波暗室中进行。

(三)待测样品置入误差

由待测物样的放入状况不一致, 待测物样与屏蔽室的相对位置不同以及其他原因也会带来在测量结果上的误差。因此, 在测试时, 一定要确保收、发系统的相对位置不变同时,每一个数据要测3次, 取其平均值。

(四)电源系统产生的误差

由于供电源系统电压及电流的波动以及线路反馈外界干扰信号所引起的误差, 有时所带来的测量误差也是较大的。为此, 在供电源系统条件允许时应加稳定电源与电源滤波器, 防止电源系统所产生的测量误差。