波导管法测量金属丝嵌织织物的微波屏蔽效能

波导管法测量金属丝嵌织织物的微波屏蔽效能
张昭环;俞建勇;张鸣;石庆
【摘要】In order to study the influence of the way that metal fibers embedded on the anti-microwave performance of fabric ,the cotton fabric embedding stainless steel filament is designed and weaved .The embedding density and the incident angel of microwave impact the effect of shielding efficiency are tested and analyzed .The test results show that shielding efficiency increases with the increase of embedding density of stainless steel filament ,alters little after it reaches the maximum ;the relationship between microwave transmittance and incident angel shows a approximate curve of cosine square ;more ideal shielding effect can be achieved if fabric bidirectionally embedded stainless steel filament ,which will greatly reduce the fluctuation of shielding efficiency while the incident angel changed .%研究防微波织物中金属纤维的嵌织方式对其防微波性能的影响规律。

设计并织造了嵌织不锈钢长丝棉织物，测试了不锈钢长丝嵌入密度及电磁波入射角度对织物屏蔽效能的影响。

测试结果表明，织物屏蔽效能随着不锈钢长丝嵌入密度的增大而增大，在达到最大值后基本稳定；电磁场透过强度随着电磁波入射角度的变化基本上呈余弦平方曲线；织物经纬双向嵌入不锈钢长丝能够大幅度减小屏蔽效能随电磁波入射角度的波动，更能达到理想的屏蔽效果。

【期刊名称】《西安工程大学学报》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】5页(P573-577)
【关键词】屏蔽效能;不锈钢长丝;嵌织;微波;透过率
【作者】张昭环;俞建勇;张鸣;石庆
【作者单位】东华大学研究院，上海201620; 江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏南京210007; 西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安710048;东华大学研究院，上海201620;江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏南京210007;江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏南京210007
【正文语种】中文
【中图分类】TS102.44
0 引言
随着人类社会的进步和科学技术的飞速发展，电子产品日益普及，电磁辐射不可避免地进入到人们的日常生活和工作之中，成为继大气污染、水污染和噪音污染之后的第四大公害［1］.国内外大量的研究报告表明：电磁辐射对人体的神经系统、免疫系统、循环系统和生育系统功能都可造成不同程度的伤害，特别是畸形胎儿出生率的不断升高［2］.目前，市场上的防微波服装已经大量出现，但相关检测标准和产品标准的制定却未能跟上市场的发展，因此防微波纺织品性能评价标准的制定具有重要的现实意义［3］.
美军标“MIL－STD－285大样法”是国际上公认的屏蔽效能的标准测试方法［4］，它直接模拟了被测样品在空间场的屏蔽效能.“大样法”是在屏蔽室或者微波暗室进行测试的，样品的尺寸要求比较大，在进行成衣面料测试时可能会造成取样上的困难.我国相关的测试标准有电子行业军用标准《SJ 20524—1995材料屏蔽效能测量方法》和航天工业行业标准《QJ 2809—96平面材料屏蔽效能的测试
方法》.两种方法均采用法兰同轴测试装置，分别测量夹入样品前后的场强值，计算出材料的屏蔽效能.同轴测量装置内电场与磁场相互正交，而且均垂直与电磁波的传播方向垂直，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.
出入境检验检疫行业标准《SN/T 2161—2008纺织品防微波性能测试方法波导管法》是纺织品防微波性能测试的第一个行业性标准.该标准的特点在于采用了矩形波导管，电场平面和磁场平面被分别极化为水平面和垂直面两个方向上，而圆形波导管的电场和磁场分别位于圆周和径向上.对于导电率为各向同性的材料（如金属薄膜、薄板或镀金属织物）来说，圆形波导和矩形波导测量差异并不大，但对于常见的金属纤维嵌织类型的防微波织物［5－7］而言，由于其只是在经向或纬向上是连续的，并不是严格意义上的各向同性材料，因而材料在波导管中摆放方式就会导致测量结果的变化.这一类织物在圆形波导中，并不能保证电场的偏振平面与经纱或纬纱的夹角为固定值，因而所测量的结果实际是不同夹角下的一个综合值，不能真实反映织物实际的屏蔽效能.而在矩形波导中，夹角则是固定的，因而可以通过不同的摆放角度，更为客观地评价屏蔽效能的变化情况.为了考察此类织物的屏蔽效能，本文设计了不锈钢长丝嵌织织物，并采用矩形波导管测量系统测试了其在微波频段的屏蔽性能.
1 实验
1.1 试样制备
1.1.1 材料9.7tex×2纯棉股线，23.88tex不锈钢长丝与单根棉纱的合股线（简称不锈钢股线），白色纯棉平纹布.
1.1.2 制样方法用铅笔和直尺在白棉布上沿纬向画出一系列等间距横线，横线间距分别为2，4，6，8，10mm.用铅笔和直尺在白棉布上沿经、纬双向画出一系列等间距纵线和横线，形成正方形网格，网格尺寸分别为2，4，6，8，10mm.将不锈
钢股线作为缝纫机的面线，用缝纫机沿画好的铅笔线缝制在白棉布上.这样可以精
确控制不锈钢长丝的嵌入距离，若采用上机织造方法，由于有织缩的存在，下机的纱线密度会有所变化，难以精确控制.缝纫机制样间距在2mm以下比较难控制，
2mm以下的间距采用上机织造实现，以9.7tex×2纯棉股线为经纱，经纱密度为350根/10cm；以不锈钢股线为纬纱，织造后的平纹织物纬纱密度分别为100，118，138，158，177，197根/10cm.
1.2 仪器与方法
采用网络分析仪－波导管测试系统进行测试，仪器结构如图1所示.仪器测试窗口
尺寸为85mm×40mm，样品裁剪尺寸为110mm×65mm.测试频率范围2 250～2 650MHz.该装置采用矩形波导，电磁波在矩形波导内被极化为两个相互垂直的
电场平面和磁场平面.波导管内的电场振动平面在与桌面平行的水平方向上，磁场
振动平面在垂直方向上.
为考察织物在极化电磁场下的屏蔽效能，矩形试样裁剪时取织物纬向上的不锈钢股线与试样的长边成不同的角度θ变化，制样示意图如图2所示.试样夹入波导管后，不锈钢纤维即与电场偏振平面成相同的角度.角度从0°～90°每隔10°制样1次，每个间距的样品裁剪10种角度的试样.测试时，每个样品均测试5次，结果取5次
的平均值.
图1 网络分析仪－波导管测试系统结构示意图a：网络分析仪；A：输出端口；B、C：输入端口（B为反射输入端口；C为透射输入端口）；b：信号发射器和波导管；c：信号衰减器；d：具有反射检测传感器的波导管；e：样品测试波导管；f：透射信号检测传感器和波导管.
2 结果与讨论
2.1 测试角度的影响
测试表明，不论采用何种嵌织间距，织物在只有单一方向嵌入不锈钢纤维的情况下，
屏蔽效能随着不锈钢纤维与水平方向上电场平面的夹角变化呈现出如图3所示的
规律.
从图3可以看出，在只有单向嵌入不锈钢长丝的情况下，屏蔽效能变化剧烈.在不
锈钢长丝与电场平面水平情况下（夹角为0°和180°），屏蔽效能只有0.09dB，
可以认为基本上没有屏蔽效果.随着夹角增大，屏蔽效能逐渐增加，在50°以前增
加比较慢，50°后迅速增加，90°时达到最大.曲线以90°为对称轴，这是由于测试时，同一块试样在波导管中面向信号发射端正反两面均进行测量，例如正面为夹角30°的试样，反过来即是夹角150°，测试得到的屏蔽效能是一样的.由于波导管测
量的是电磁场功率，按屏蔽效能的定义，式（1）可以换算出电磁波的透过率
W1/W0.
图2 制样示意图
图3 屏蔽效能随不锈钢纤维与电场平面夹角变化的关系（不锈钢纤维单向嵌入，
间距2mm，测试频率2 450MHz）
其中 SE为屏蔽效能（dB），E0为屏蔽层前的电场强度（v/m），E1为屏蔽层后的电场强度（V/m），H0为屏蔽层前的磁场强度（A/m），H1为屏蔽层后的磁
场强度（A/m），W0为入射电磁波的功率（W/m2），W1为透过屏蔽层的电磁波的功率（W/m2）.
根据马吕斯定律［8］，金属栅对电磁波的方向选择性如图4所示.电场偏振方向为E0的平面电磁波入射于金属纤维栅P－P，与金属纤维一致的平行分量E∥能透过，而与金属纤维垂直的分量E⊥被反射.
图4 金属栅对电磁波的方向选择性
其中 E0为入射微波电场强度；ψ为电场振动平面与嵌织织物的夹角.
由式（1），（2）可得
将由式（1）换算得到的实际电磁波透过率W1/W0及理论电磁波透过率cos2φ
数据绘于图5中.实际电磁波透过率测试条件为不锈钢纤维单向嵌入，间距2mm，测试频率2 450MHz从图5可以看出，实际测量得到的透过率W1/W0整体位于理论透过率曲线cos2φ之下，这是因为马吕斯定律不考虑吸收，而实际上，电磁
波在透过不锈钢纤维时，会发生不同程度的吸收，于是导致实际透过率比马吕斯定律得到的理论透过率偏小.
在实际生活中，微波是从不同方向辐射的空间波，而且在空间中辐射时呈不同的状态.上述的测量表明微波屏蔽服仅仅采用在单向加入不锈钢纤维来屏蔽微波辐射不
能达到很好效果.
2.2 微波频率的影响
测试频率对屏蔽效能的影响如图6所示.从图6可以看出，在不锈钢长丝间距固定
的情况下，随着测试频率的增加，屏蔽效能逐渐下降，这是由于测试所用的微波频率越高，其波长越短，对屏蔽织物的穿透能力越强.但是屏蔽效能下降的幅度随不
锈钢长丝与电场平面的夹角减小而减小，40°以下，曲线就很平缓了，因为夹角越小，不锈钢长丝与电场平面越趋向于平行状态，微波的透过率越大，对频率的敏感度越低.
2.3 不锈钢长丝间距的影响
织物屏蔽效能与不锈钢长丝密度的关系如图7所示.从图7可以看出，随着不锈钢
长丝嵌入密度的增加，屏蔽效能也不断增加，在嵌织密度小于50根/10cm时（等效于不锈钢长丝间距2mm），屏蔽效能增加很快，超过50根/10cm后，增加逐步放缓，大于150根/10cm后，基本稳定在40dB左右.嵌织密度在50根/10cm
以下时，随着密度的增加，不锈钢纤维之间的缝隙迅速减小，由于测试的微波波长
为厘米数量级（3.77～4.45cm），缝隙相对于波长相差一个数量级时，屏蔽效能
有明显增加；当缝隙降到1mm以下时，进一步增加嵌织密度，缝隙变小的趋势放缓，屏蔽效能增加有限，而且不锈钢股线有一定的直径，密度不可能无限增加，也存在着极限.
图5 实际透过率及理论透过率曲线
图6 屏蔽效能和测试频率的关系（间距2mm）
2.4 不锈钢网格的微波屏蔽效能
图7 屏蔽效能与不锈钢长丝嵌织密度的关系（夹角90°，屏蔽效能为全频段平均值）图8 不锈钢网格的微波屏蔽效能
在织物的经纬双向嵌入不锈钢长丝，形成网格后，织物的微波屏蔽性能如图8所示.从图8可以看出，经纬双向均嵌织不锈钢长丝后，屏蔽效能对角度的敏感性大
幅度降低，对比图3的单向加入不锈钢长丝，随着夹角的变化，屏蔽效能的波动
更为平缓，变化基本在3dB范围以内.从图5的透过率曲线来看，由于经纬向不锈钢长丝相差90°，即使某方向不锈钢长丝屏蔽效能很低，另一方向不锈钢长丝仍够能有效弥补整体的屏蔽效能.说明双向不锈钢长丝同时发挥作用比单向不锈钢长丝
能够起到更好的屏蔽效果，对于空间杂散的电磁场波具有更好的防护效果.
3 结论
（1）单向不锈钢长丝嵌织织物的屏蔽效能与电场振动平面夹角有关.透过率曲线变化趋势基本与余弦平方的曲线一致.当其夹角为90°时，织物的屏蔽效果最好；当
其夹角为0°时，几乎没有屏蔽效果.
（2）在2 250～2 650MHz的测试频率范围内，屏蔽效能随着微波频率的增加而下降，但也和不锈钢长丝与电场振动平面夹角有关系，角度越小，下降的幅度越小. （3）嵌织织物屏蔽效能随着不锈钢长丝嵌入密度的增大而增大，在间距2mm以下时，增加迅速；超过2mm增加放缓，达到40dB后，再增大嵌织密度，屏蔽效
能提高有限.
（4）经纬双向均嵌织不锈钢长丝时，可以大幅度降低屏蔽效能随测试角度的波动性，对复杂电磁环境具有更好的适应性.
【相关文献】
［1］王生浩，文峰，郝万军，等.电磁污染及电磁辐射防护材料［J］.环境科学与技术，2006，29（12）：96－98.
［2］张雪峰，龚志军，侯小娟，等.电磁污染的危害和防护［J］.包头钢铁学院学报，2003，22（2）：189－192.
［3］孙润军，来侃，张建春.服装用纺织品防电磁辐射测试方法的研讨［J］.西安工程科技学院学报，2003，17（2）：100－103.
［4］陈光华，黄少文，易小顺.电磁屏蔽材料与吸波材料的性能测试方法及进展［J］.兵器材料科学与工程，2010，33（2）：102－107.
［5］ LAI K，SUN R J，CHEN M Y，et al.Electromagnetic shielding effectiveness of fabrics with metallized polyester filaments［J］.Textile Research Journal，2007，77（4）：242－246.
［6］ SU C I，CHEN J T.Effect of stainless steel containing fabrics on electromagnetic shielding effectiveness［J］.Textile Research Journal，2004，74（1）：51－54.
［7］ ORTLEK H G，SARACOGLU O G，SARITAS O，et al.Electromagnetic shielding characteristics of woven fabrics made of hybrid yarns containing metal wire［J］.Fibers and Polymers，2012，13（1）：63－67.
［8］张飞刚，蔡建乐，胡树基.用光强分布测试仪验证马吕斯定律实验研究［J］.实验室研究与探索，2008，27（1）：29－31.。