服裝用織物屏蔽效能測試方法—屏蔽箱法的探討

劉志才，何 鵬，徐 勤，王利君，李 妮，熊 杰

(1.浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，浙江杭州 310018;2.寧波出入境檢驗檢疫局，浙江寧波 315012;3.浙江省纖維檢驗局，浙江杭州 310012)

目前，測試織物電磁屏蔽效能的方法很多［1］，大致可分為近場法、遠場法以及屏蔽室法3類，遠場法有同軸傳輸線法和法蘭同軸法等，近場法有雙盒法和改進的MIL-STD-258法等。

其中同軸傳輸法的優點是雙腔體測試，缺點是測試頻率的范圍小、測試重復性差;法蘭同軸法的優點是測試試樣面積小、重復性好，缺點是測試頻率范圍小;雙盒法的優點是不需要昂貴的屏蔽室，輔助夾具等，測試方法快速簡便，缺點是測試頻率的范圍小、測試重復性差;改進的MIL-STD-258法優點是測試費用適中，操作簡單，缺點是測試頻率的范圍小、測試重復性差;屏蔽室法優點是測試的頻率范圍廣，缺點是重復性差，測試費用昂貴［2－4］。

為了尋求一種合理的測試屏蔽織物屏蔽效能的方法，需要綜合多方面因素考慮。要保證織物屏蔽效能的測試方法準確可靠，需要滿足以下條件:測試環境與人們實際生活環境相似;測試頻率范圍包括日常生活電磁輻射的頻率范圍;測試數據能夠直接反應織物屏蔽性能的變化［5］。反之則可以根據織物屏蔽性能的變化來分析測試結果，從而檢驗測試方法的可靠性。本文從屏蔽的原理出發，設計組裝了一套測試織物屏蔽效能的裝置，并對該裝置的性能進行了評價。

1 屏蔽箱法的設計原理

所謂“屏蔽”是指“切斷”電磁場干擾源到器件或設備的傳輸路徑，從而抑制干擾源對其他器件或設備的不良影響。按照屏蔽對象不同，屏蔽可分為2類:一類是“主動屏蔽”，這類屏蔽是指將電磁場的產生源屏蔽，減弱屏蔽層外的電磁場強度;另一類是“被動屏蔽”，這類屏蔽是指將特定的器件或設備屏蔽，減弱外界電磁場對它們的不良影響［6］。

基于上面的2類屏蔽原理，以主動屏蔽為基礎，設計一套新的測試電磁屏蔽的裝置用于屏蔽織物的測量，該方法將屏蔽箱體置于電波暗室中，可以通過掃頻的方式快速地測量出織物的屏蔽效能。其裝置測試連接圖如圖1所示。

圖1 屏蔽箱法測試裝置連接圖Fig.1 Connection graph of testing device by shielding boxmethod

1.1 測試場地選擇

為了提高測試的可重復性，防止外界電磁波對測試結果的干擾，屏蔽箱體置于電波暗室的靜態工作區內。電波暗室又叫無反射屏蔽室或屏蔽暗室，由于普通的屏蔽室內壁板會對電磁波發生反射，從而影響測試結果的準確性，電波暗室是在普通屏蔽室的內壁板上鋪上吸波材料形成的，從而避免了以上缺點。

本文測試在國家級重點實驗室寧波光電電氣產品檢測中心的電波暗室中進行的。

1.2 信號源選擇

信號源的輸出是否穩定直接決定了測試方法的穩定性［7］，另外測試頻率要能覆蓋人們日常生活中所接觸的電磁輻射的頻率范圍。基于以上因素，選用的信號源為 York EMC Services公司生產的CGE01型梳狀信號發生器。

1.3 屏蔽箱設計

屏蔽箱是用金屬材料做成的六面體，長寬高分別為1.5、1和1 m。為了測試時放置試樣，在屏蔽箱的一個面上開有一個30 cm×30 cm的窗口，用來安裝試樣，試樣要求能完全密封住窗口，理想的尺寸為32 cm×32 cm。

1.4 接收天線的選擇

在具體測試過程中，根據不同測試頻率選用不同的接收天線。雙錐天線測量頻率段為25～300 MHz，對數周期天線測量頻率段 300 ～1 000 MHz，喇叭天線測量頻率段為1 000～18 000 MHz。本文中所有測試頻率均大于1 GHz，接收天線采用羅德與施瓦茨的HF907雙脊波導喇叭天線，其工作頻率為0.8～18 GHz。在較高頻率時，為了增大測試系統的動態范圍可以在天線與測量接收機/頻譜儀之間加前置放大器。

1.5 測試接收機/頻譜儀選擇

選用羅德與施瓦茨公司生產的ESU型EMI測試接收機，其動態測量范圍較寬，固有噪聲低，測量不確定度低，并能滿足所有民用和軍用測量要求。

2 屏蔽效能測試原理及表示方法

屏蔽效能 SE［8］(shielding effectiveness)是指在同一激勵電平下，有電磁屏蔽材料與無電磁屏蔽材料時所接收的功率或電壓比，并以對數表示，通常被用來定量說明屏蔽材料屏蔽性能的好壞。材料屏蔽效能值的計算公式為:

式中:P1、E1、H1、V1分別為在激勵電平保持不變的條件下，未放入屏蔽材料前接收到的功率、電場、磁場、電壓值，P2、E2、H2、V2分別放入屏蔽材料后接收到的功率、電場、磁場、電壓值。

下面以電場強度為例，計算屏蔽效能值為

式中:E1為安裝屏蔽材料前測得的某點的電場強度值，E2為安裝屏蔽材料后測得同一點的電場強度值。

在實際測量中，接收機顯示的測試結果是電場強度值對數化的輸出電壓VdBV，為了得到需要的屏蔽效能值，要將此對數化的結果轉化為電場強度值。根據天線的定義AF=E/V［9］，將此式用對數的形式表示為

式中:AF為天線系數;E為電磁場在天線方向上的電場強度;V不天線所接負載兩端的電質。

測試過程中，安裝屏蔽材料前后始終采用同一個天線接收信號。將式(3)代入式(2)，即可以用接收機顯示的測試結果計算出屏蔽材料的屏蔽效能值，即

3 屏蔽箱法測試結果與分析

采用不同的工藝條件對聚酰胺6織物進行化學鍍銀，并采用本文所設計的裝置對不同工藝條件下得到的試樣進行測試，分析測試結果。

3.1 測試條件

測試環境溫度為25℃，環境相對濕度為45%～75%，大氣壓力為一般大氣環境。為了確保試樣與測試的電磁環境保持一致，試樣在測試前應在上述環境中放置48 h。

3.2 測試步驟

按照圖1所示，連接測試裝置;接通設備電源，預熱5 min;待設備穩定后，按照測試要求設定掃頻方案;保持上述測試參數不變，放入待測試樣，記錄測試結果，根據式(4)計算屏蔽效能值。

3.3 測試結果分析

不同化學鍍銀工藝條件下，聚酰胺6織物的增重率不同，鍍層結構不同，織物的電磁屏蔽效能值理論上應有差異:鍍銀織物若鍍層包覆率低，鍍層顆粒分布不均勻，鍍層顆粒之間存在較多縫隙與孔洞，則該織物對電磁波的反射和吸收作用弱，其電磁屏蔽效能值低;鍍銀織物若鍍層包覆率高、鍍層致密性好、鍍層顆粒分布比較均勻，則該織物對電磁波的吸收和反射作用好，其電磁屏蔽效能值高。

采用本文設計的屏蔽箱法測試不同化學鍍銀工藝下聚酰胺6織物的電磁屏蔽效能，結果如表1。

表1 不同增重率試樣的電磁屏蔽效能值Tab.1 Shielding effectiveness values of different weight gain rate samples dB

從表1可看出，不同增重率的鍍銀織物的屏蔽效能值不同，這是因為不同增重率的鍍銀織物的鍍層質量不同。鍍層質量好說明鍍層顆粒均勻，鍍層致密性好，相應織物對電磁波的吸收和反射作用強，其屏蔽效能值高。不同增重率的試樣鍍層的形貌如圖2所示。

圖2 不同增重率試樣鍍層的FE-SEM照片Fig.2 FE-SEM mages of platings for different weight gain rate samples

從圖2可看出，增重率低時鍍層的致密性差，鍍層顆粒分布不均勻并且鍍層顆粒之間存在較多的空隙與孔洞，因此導致屏蔽材料對電磁波的吸收和反射作用弱［10］，織物的屏蔽效能值較低。隨著增重率的增加，鍍層的質量得到改善，織物表面被鍍層中更多的銀顆粒覆蓋，致使屏蔽材料對電磁波的吸收和反射作用加強，織物的屏蔽效能值隨之增大。當織物的增重率增加到一定程度時，織物表面已完全被鍍層覆蓋，增重率繼續增加，只是增加了鍍層的厚度，而鍍層的致密性基本不再變化，此時屏蔽效能值趨于穩定。屏蔽箱法得到的測試數據的分析結果與實驗現象一致，說明本文設計的裝置測試的數據能直接反映材料屏蔽性能的變化。

4 結論

本文基于電磁波的屏蔽理論設計組裝了一套測試織物電磁屏蔽效能的裝置，調試后對增重率不同的化學鍍銀聚酰胺6織物進行了測試。具體結論如下:

1)屏蔽箱法的測試環境與人們實際生活環境相符，發射源與人的距離可以用發射源與屏蔽材料的距離來模擬。

2)屏蔽箱法在電波暗室環境中進行，采用信號輸出穩定的CGE01型梳狀信號發生器，能確保測量結果的穩定性。

3)屏蔽箱法的測試結果能反映材料屏蔽性能的變化，是一種有效可行的測試織物屏蔽效能的方法。

4)屏蔽箱造價低廉，是一種十分經濟的測試方法。

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