普通建筑物的電磁屏蔽技術

李承耀 辛國良 編譯 區健昌 校

（1.中國航天建筑設計院；2.北京理工大學）

1 引言

當今電磁波屏蔽（電磁屏蔽）的概念就是要作到建筑物內的電磁波不能泄漏出去，建筑物外的電磁波也不能進入建筑物內。過去電磁屏蔽技術主要是面向工業企業實驗室用的，現今已是手機、電腦普及時代，為了防止各種工業用設備及民用電氣設備由于電磁波干擾產業的誤動作，以及防止因竊聽造成的信息泄漏，采用電磁屏蔽技術是非常必要的。

隨著工業產品的高頻化和國際化，在日本，電磁屏蔽技術的應用也會變得越來越有必要。另外，對于屏蔽產品的可靠性和成本要求也會愈加嚴格。

一方面，各個工業企業都在謀求縮小設備投資，對用于一般建筑物的屏蔽技術，就要考慮擴大市場的問題。

如前所述，現在的屏蔽室要作到不能從屏蔽室內部泄漏出電磁波，還要能屏蔽電磁波從外面進入。為此，目前適用于一般建筑物的屏蔽技術就有必要解決只允許需要頻率的電磁波通過，對該頻以外的電磁波進行屏蔽的技術問題。

下面分別說明能夠滿足上述要求的各種方案。

2 薄板型電磁波吸收體（薄板型電介體）

現在，這種薄板型電磁波吸收體已部分投入實際使用，如前面已說明的，對于一般建筑物考慮應用屏蔽技術的場合，有必要對手機等的特定屏蔽進行屏蔽。因此，使用薄板型電磁波吸收體，不僅僅是屏蔽（反射）電磁波，而且防止電磁波從內向外或從外向內的泄漏所采取的吸收方法。

實際上，是將這種薄板型電磁波吸收體埋入墻壁材料內。這種電磁波吸收體的有效寄窄帶頻率范圍是GHz頻帶。對于想要屏蔽的頻率，要把電磁波吸收體的吸收性能調整為最大，就可以得到既屏蔽了特定的頻率，又使其他頻率通過的結果。另外，即使是無線LAN等的電磁波，使用吸收體也能夠防止在墻壁表面上的亂反射。

今后，假如這個電磁波吸收體有可能用作寬頻帶的吸收體，的確，可以考慮將它用作一般建筑物的屏蔽材料。

2.1 薄板型電磁波吸收體（薄板形電介體）的技術內容

（1）希望解決的課題

今后，電磁波的利用越來越廣闊，必然會從微波段擴大到次毫米波段。開發這種薄板型電磁波吸收體，就是要把用于這些頻率范圍內的堅、薄、而且壽命長的經濟型電磁波吸收體實用化。

（2）原理

圖1和圖2是應用本技術的最簡單的電磁波吸收體的實例圖。圖1為表面圖，圖2為截面圖。

圖1中，將邊長為W的正方形金屬薄膜，相互絕緣地配置在支承體4的表面上。只在支承體4進里的一面配置有金屬薄膜。

圖1 表面圖

圖2 截面圖

圖3 原理說明圖

圖3（a）是把薄板豎起，電磁波從左側垂直直入身時的截面說明圖。圖3（b）是其反射的截面說明圖。

圖3（a）中，從金屬薄膜1的表面入射的電場是Ei1，它是完全被反射的（反射波相位為-180°），圖3（b）表示的是反射回來的反射電場EY1。Ei2一邊在支承體4中，像虛線箭頭所示那樣變化，一邊實線箭頭所示那樣分為上下兩部分，在金屬薄膜 1和金屬板3之間傳播。在金屬薄膜1與金屬板3之間Eiz還有從另一側同樣進入的電場，這些來自上下兩個電場的相位是相反的，如圖3（a）所示，在金屬薄膜1中間的內側點C處，合成電場通常為零。即在C點有金屬短路板處是等值的，從上下兩個方向進入的電場在C點處是完全反射的。在C點處各反射波見圖 3（b）。一邊像虛線箭頭那樣變化，一邊沿著實績箭頭傳播，在沒有金屬膜的部分再次合成，形成反射電場而輻射出去。

EY2的相位決定于金屬薄膜 1的連長W，支承體4的厚度D和電氣特性。調整這些參數使EY2的反射相位延遲360°，就可使其和入射波同相。一方面，因為EY1與入射波Ei1（=Ei2）之間有 180°的相伴差，所以EY2與EY1的相位差為 180°，它們之間是反相的。

即來自有金屬薄膜部分1的反射波與來自沒有金屬薄膜1部分的反射波EY2的相位差為180°。它們在空間交替分布，在充分遠的點產生相互抵消的作用，從而使反射波強度衰減。

本技術確定了特許2545721號權利。

（3）實施實例與特征

下面是實施本技術的一個實例。

厚度1.2mm特氟綸支承體4的一面上配置了每邊為 9mm的正方形薄膜，與頻率為 10.3GHz時的完全反射相比較，反射波的強度能降低40dB。即使入射角改變16°，反射波也有25dB的衰減。

在本實例中，支承體4的厚度大約相當于電波波長的4/100左右，與過去用的X/4型比較，可能要薄大約1/6的厚度。

能夠作出很薄的和很輕的電磁波吸收體是這項技術的最大特點。只要調整使用的材料和尺寸，這項電磁波吸收體技術就能用于微波段、毫米波段到超高頻波段。也能適用于今后將擴展的頻率范圍。吸收體的結構很簡單，可以說，這項技術的一大特征是制造性能優良和生產成本低廉（表1）。

表1 簡要的制造過程

能用于該電磁波吸收體支承體的聚合物薄膜的加工尺寸，有很大的自由度，材料性能的選擇是很多的，使用很容易，耐久性也好。

綜合上述特征，只能寄希望于開發新的制造電磁波吸收體技術，制造出過去不能制造的又薄、又輕、又經濟的電磁波吸收體。

這項新技術開發的結果，既補充和完善了以前的技術，又適應21世紀的IT業、多媒體、JIS等新技術、新系統的新發展，確信可用于為改善城市電波環境和措施而開拓的新技術市場。

圖4為研究而試作的薄板實例。圖5為用本技術的薄板與現在使用的有挖根生的電磁波吸收體作比較。

2.2 與過去技術的比較

表2為用本技術試制的薄板與現在應用的挖根生的電磁波吸收體的比較情況。

表2 與以前的技術比較

圖4 試制的薄板實例

圖5 格于型電磁波吸收體的構造

圖6 格子型電磁波吸收體的特征

2.3 研究結果

該技術的特點是比以前用的技術更能實現微波段的超薄型、超輕量、費用低廉的電磁波吸收體。現在通過理論的數據和實驗，可以確認實現這項新技術的可能性是很高的。

（1）格子型

如圖 5，使用金屬襯里的導電性聚合物薄膜作為基體，表面上是周期排列的登機牌貴婦人導體格子，得到了如圖 6的吸收特性。吸收體的厚度為1.2mm時，表示的是10GHz頻帶電磁波的吸收特性。另外表示了通過改變金屬格子的間距可以調整吸收電磁波的頻率，表示間距變小，吸收體吸收電磁波的頻率更高。這是研究本技術期望的后果。

（2）補丁型（類似棋盤格）

補丁型組成適用于正在開發的這項新技術（特許）。圖7是其中一個結構實例，圖8和圖9是這種結構的吸收特性。

圖7 補丁型結構

圖8 吸收特性-1

圖9 吸收特性-2

圖8是將每邊3mm的正方形（金屬薄膜）補丁按 6mm間距配置的吸收特性的曲線與沒有補丁型配置的吸收特性曲線進行比較。由于采取補丁型配置，可以發送其吸收效果。這時它的厚度是2mm。

圖9是采用了1.5mm厚的導電性薄膜，并示出了當改變了金屬薄膜補丁的尺寸時，其吸收特性的變化情況，補丁之間的間距可以設定為正方形邊長的2倍。當補丁薄膜的尺寸變小時，被吸收的電磁波的頻率就變高了。可以獲得20dB以上的吸收特性。

根據上述情況，可以認為已經足夠取得完成開發目標的研究成果。

其次，用FDTD（Finite Difference Time Domain Method）有限差分時域法的數值的理論分析結果說明，構成材料的特性、尺寸吸收的頻率數、吸收特性等的關系是明確的。

1）薄膜的厚度，電介常數、tano、標準化的補丁尺寸，標準化間距、吸收頻率數和吸收特性。

2）補丁的尺寸，間距等吸收頻率的硬度特性。

上述結果啟發人們，把該技術應用于毫米波段和超高頻段以及與其相適應的尺寸精度保證將是一個研究課題。

3 百葉窗型屏蔽材料

圖 10表示在一般建筑物使用的金屬制百葉窗的接合部進行屏蔽處理，由于要求能自由的開啟或關閉百葉窗，就是要能夠自由的選擇房間內的屏蔽情況。在企業中，在上班工作時房間的百葉窗是關閉的，房間處于屏蔽狀態即能夠防止電磁波泄漏出去，在停止工作的休息時間打開百葉窗，通常使用的手機就可以向房間外發出通信電波。

圖10 百葉窗型屏蔽材料的圖象

在這種情況，不能僅僅依據頻率值，從百葉窗的外觀上考慮是同樣重要的，要考慮的是適用于一般建筑物的屏蔽材料。

4 其他

除了上述的屏蔽材料外，還要考慮在一般建筑物上能夠使用的屏蔽材料。

例如，薄板型電磁波吸收體的代用品，可以在墻壁材料中使用屏蔽網，網格的大小可以是被屏蔽頻率數的1/10以下。就有可能在一般建筑特中獲得足夠的屏蔽效果。

有關一般建筑物的屏蔽，要以反射和吸收兩個方面進行考察，從擴大市場來看，已經有充分的可能性適應商品化。