新型立絨織物頻率選擇表面頻響特征影響因素

王亞靜， 肖 紅， 程煥煥， 施楣梧， 王 群， 唐章宏

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100082；3. 北京工業大學 材料學院， 北京 100124)

新型立絨織物頻率選擇表面頻響特征影響因素

王亞靜1,2， 肖 紅2， 程煥煥1， 施楣梧2， 王 群3， 唐章宏3

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100082；3. 北京工業大學 材料學院， 北京 100124)

為探究具有柔性特點的頻率選擇表面的頻響特性，以導電紗線為結構單元材料，采用立絨紡織加工手段，制備U型立絨織物頻率選擇表面，并對樣品進行透射系數測試與分析，研究頻響特征的影響因素。單元結構尺寸、行距、絨毛高度、絨毛傾斜角度增加，樣品的諧振頻率均向低頻移動；U型單元導電紗線絨毛密度增加，諧振頻率向高頻移動；單元底部總長度相同時，U型的個數幾乎不影響織物的諧振頻率，但隨著相同U型單元的個數增加，諧振頻率持續向低頻移動；當鍍銀纖維作為結構單元材料時，其諧振處的峰值及帶寬均較大，而結構更為規整的裸銅絲樣品，其諧振峰則更加尖銳而陡峭。U型立絨織物對入射角具有穩定性，但受極化方式影響較大。

U型立絨織物； 頻率選擇表面； 影響因素； 頻響特性

頻率選擇表面(frequency selective surfaces, FSS)是一種一維或二維排列的周期結構。傳統的FSS結構單元為金屬貼片或金屬孔徑。其中，貼片型結構FSS對諧振頻率附近的電磁波表現為全反射，孔徑型FSS表現為全透射[1]。關于FSS的研究，目前大都為單層[2-3]、多層[4-5]以及立體[6-7]的金屬單元結構。通過設計電磁功能材料、單元尺寸、排列參數等指標，獲取特定諧振點和帶寬、多頻、角度穩定、小型化等特性[4,8]。以金屬材料作為結構單元的FSS，通過電路板印刷、化學刻蝕、金屬材料涂層等技術制備[9-10]，具有材質硬、質量重、加工靈活性差的缺點，因而，制備輕質柔性的電磁功能周期結構頻率選擇織物(FSF)具有重要意義。

基于人工電磁媒質，以導電紗線為結構單元材料，普通纖維為介質材料，采用紡織加工手段，制備具有周期結構電磁功能紡織材料，其兼其易制備、質輕、柔軟、帶通頻率可設計等特性[11]，應用于可穿戴天線、通信窗、功能織物等領域[12-13]。

近年來，諸多學者采用機織[13]、針織[14]、刺繡[15]、絲網印刷[16]、噴墨打印[17]、選擇性化學鍍[14]等紡織加工手段，制備了各種頻響特性的平面周期結構紡織品(二維FSF)，并取得了初步的研究成果。與二維FSF相比，立體周期結構織物(三維FSF)具有更多的結構設計參數、角度穩定性等特點。肖紅等[18]已探究出由偶極子高度方向延伸而得的三維FSF，具有雙頻效應等特點；文獻[19]也有相關報道。本文將進一步系統研究U型立絨三維FSF的頻響特性影響因素。

1 立絨FSF

1.1 立絨FSF的特點

探究的立絨織物基本單元為U型立體結構，是由偶極子單元兩端點沿垂直單元長度方向延伸而得。基于立絨織物的三維FSS，相比普通金屬單元結構的三維FSS，具有輕質、易制備以及其他材料難以達到柔性[12，19]的特點；相比于二維FSS，在尺寸上具有三維設計空間，增加了設計維度。1.2 立絨FSF的頻響特征影響因素

頻響特性是影響FSS最重要的性能，是指FSS對入射電磁波的反射、透射、吸收、諧振和極化等現象隨電磁波頻率發生變化的性能，主要指標有諧振頻率、阻帶帶寬或傳輸帶寬及其穩定性、反射系數、透射系數等。頻響特性受多因素影響，單元形狀、周期尺寸及介質的電磁性能(與介質厚度、材料、加載方式相關)是頻響特性的決定性因素[20]。實際應用中，入射波角度和極化方式未知不可控，所以FSS的入射角和極化穩定性也至關重要。1.2.1 單元設計

1)單元形狀及其尺寸。不同單元形狀的FSS頻響特性不同，如天線理論中，偶極子單元不同粗細振子使相同極化和入射條件下的諧振點不同。Y型單元FSS對入射角穩定性相對較好，但極化穩定性不太好[21]。除此之外，立絨FSF的單元設計還包括絨毛密度、絨毛傾斜角度、U型連通情況等參數。相同單元形狀，單元長度、高度不同的FSS，也會有不同的諧振現象。

2)排列方式及其單元間距。結構單元的排列方式也稱柵格形式。二維柵格排列一般分為矩形柵格和三角形柵格2種。由于單元形狀的性能差別，不同單元適用不同排列形式。偶極子形、方環形和圓環形等單元一般采用矩形柵格，而Y形、六邊形等宜采用三角形排列形式。單元間距比單元尺寸對頻響特性的影響要小。當單元間距變大時，諧振頻率開始向低頻方向移動，隨后移動幅度變小[22]。當單元間距增大到一定程度時，單元間的耦合效應可以忽略，諧振頻率變化不明顯。

1.2.2 材料與工藝

1)材料的電磁參數。包括周期結構的金屬結構材料和介質層材料。對于二維FSS來說，除了結構單位形狀及尺寸，介質層材料的相對介電常數、相對磁導率、損耗角以及金屬單元的電導率等電磁性能參數均影響周期結構的頻響特性。如金屬材料的電導率越大，對電磁波損耗就越大，諧振峰的透射系數絕對值越大[22]。

2)介質層。其影響因素包括介質的材料、厚度和介質加載方式。隨介質板厚度增加，諧振帶寬越大，諧振頻率先下降后回升[23]。介質加載方式一般可分為3種：介質作為基底材料加載、夾心結構加載和多層加載。多層電磁材料加載的巧妙設計可具有寬帶、低入射損耗、高選擇性、低輪廓或入射角度和極化穩定等特性[24]。

3)織造工藝。運用針織、機織、刺繡、選擇性化學鍍、噴墨打印、絲網印刷等紡織工藝，織造具有電磁特性的周期結構織物。本文中的立絨FSF，采用U型立絨加工方式進行制備。

電磁波入射角不同時，FSS頻響特性不同，入射角對其對稱結構的頻響特性影響不大。對于開槽方形單元FSS，隨電磁波入射角增加，TE(transverse electric)波極化的諧振頻率逐漸增加，帶寬逐漸降低；TM(trousverse magnetic)波極化的諧振頻率變化不明顯，但帶寬逐漸增加。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

本文中實驗所用紗線相關參數詳見表1所示。若無特殊說明，實驗所用紗線股數參考表1。

表1 實驗所用材料及其參數Tab.1 Materials used in experiments and their parameters

2.2 樣品制備

2.2.1 金屬紗線模型樣品制備

2.2.1.1 不同結構尺寸與材料的模型樣品 為了探究單元結構尺寸及材料對FSF頻響特性的影響，采用鍍銀長絲制作不同高度、尺寸、絨毛密度的織物模型樣品；采用不同紗線如不銹鋼包芯紗、不銹鋼混紡紗、鍍銀長絲、普通錦綸長絲制備不同材料的模型樣品，進行測試對比分析。FSF的單元結構均為U型，示意圖、實物圖分別如圖1、2所示，具體實驗方案見表2所示。

圖1 基于單U型單元三維FSS模型示意圖Fig.1 Sketch of single U velvet 3-D periodic structure fabric model based on copper wire

圖2 金屬紗線模型樣品實物圖Fig.2 Physical maps of metallic yarn model sample. (a) Front; (b) Side; (c) Back

樣品編號單元長度L/mm行距Dy/mm間距Dx/mm高度h/mm材料A-h0-#6660鍍銀長絲A-h1-#6663鍍銀長絲A-h2-#6666鍍銀長絲A-h3-#6669鍍銀長絲B-y1-#6366鍍銀長絲B-y2-#6666鍍銀長絲B-y3-#6966鍍銀長絲C-s1-#2223鍍銀長絲C-s2-#6663鍍銀長絲C-s3-#8883鍍銀長絲D-m1-#6666鍍銀長絲D-m2-#6666銅絲D-m3-#6666普通錦綸長絲D-m4-#6663鍍銀長絲D-m5-#6663不銹鋼包芯紗D-m6-#6663不銹鋼混紡紗

2.2.1.2 不同絨毛密度的模型樣品 導電紗線的絨毛密度用U型結構中不同股數的導電紗線表征。文獻[18]中，已經對比分析了3種絨毛密度的FSF，本文拓展至5種不同絨毛密度的FSF，以更加完善地討論其諧振現象的變化規律。樣品尺寸參數均為L=h=9 mm,Dx=Dy=6 mm獨立U型單元結構。結構單元由單股紗線合股而成，其中單股線密度為10.2 tex，合股紗線線密度為4、102、163、224、286 tex的樣品，分別編號為Ag-S1-#、Ag-S2-#、Ag-S3-#、Ag-S4-#、Ag-S5-#。實物如圖2所示，基布是普通滌綸布，用聚乙烯(PE)泡沫板支撐紗線，防止紗線倒伏。

2.2.1.3 不同絨毛傾斜角度的模型樣品 圖3示出絨毛傾斜示意圖及伍意角度絨毛傾斜樣品實物圖。為探究絨毛傾斜角度對諧振的影響，將16股的U型三維FSF的Ag-S3-#，取下1～2層1mm厚的PE泡沫板，沿單元長度L延伸方向從外向內依次拉扯未取下的PE泡沫板，使固定在PE泡沫板里的絨毛傾斜至設定角度θ，形成不同絨毛傾斜角度的U型三維FSF；之后，剪下U型絨毛傾斜FSF中的偶極子，探究不同絨毛傾斜角度下U型及單獨雙立柱單元結構FSF的頻響特性。

圖3 絨毛傾斜示意圖及任意角度絨毛傾斜樣品實物圖Fig.3 Schematic diagram of incline of velvet and physical map of arbitrary angle of velvet. (a) Inclination of velvet; (b) Inclination of double-column velvet; (c) Photograph of sample with random angle of velvet

任意角絨毛的樣品，是指絨毛傾斜角度不同、傾斜方向不一，取下支撐絨毛的所有PE泡沫板，對樣品進行手工隨意角度壓絨處理，使得絨毛傾斜角度各不相同，如圖3(c)所示。

2.2.2 立絨周期結構織物樣品制備

以上實驗樣品中的單元結構均為獨立U型，現探究U型結構單元多樣的連通方式，如圖4所示。以小樣機制備的簇絨地毯作基底介質，鍍銀紗線構成U型結構單元，制備不同連通方式的U型立絨FSF，立絨FSF如圖5所示，參數見表3所示。

2.3 測試方法

本文實驗采用屏蔽室法測試透射系數。測試系統包括安捷倫E8257D信號發生器、E7405AEMC頻譜分析儀、喇叭天線和吸波屏等，測試系統圖如圖6

圖4 U型連通方式示意圖Fig.4 Sketch of different U connecting. (a) Sample with bottom unconnectivity; (b) Number of different U type; (c) Different U type number with same unit bottom length

圖5 U型立絨織物正面和反面Fig.5 Positive and negative of U velvet FSF. (a) Front; (b) Back

樣品編號單元長度L/mm間距(Dx=Dy)/mm單元高度h/mm連通方式所用結構材料D-u1-6#669U鍍銀長絲D-u2-6#1269雙U鍍銀長絲D-u3-6#1869三U鍍銀長絲D-u1-9#969U鍍銀長絲D-u2-9#1869雙U鍍銀長絲D-u1-12#1269U鍍銀長絲

所示。根據 GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》，設置測試環境條件，有效測試試樣大小為18 cm×18 cm。

圖6 屏蔽室法測試系統實測圖Fig.6 Schematic diagram and measured diagram of testing system for transmission coefficient

透射系數計算公式為

式中：P1為放置樣品測試的接收功率，dBm；P2為置空處的接收功率，dBm；S21為透射系數，dB。

3 實驗結果及分析

3.1 結構尺寸

3.1.1 單元行距

保持單元間距Dx=6 mm和單元高度h=6 mm不變，制作單元行距Dy分別為3、6、9 mm的樣品(依次對應B-y1-#，B-y2-#，B-y3-#)，測試其透射系數，結果如圖7所示。

圖7 不同單元行距樣品的透射系數Fig.7 Transmission coefficient results for samples with different line spacing

隨著絨毛行距Dy的增加，諧振頻率向低頻移動，帶寬會明顯變窄。當間距過大時，電磁波與絨毛之間發生諧振的幾率減小，使得結構對電磁波的選擇性下降。

3.1.2 單元尺寸

探究不同單元尺寸對其結構頻響特性的影響，絨高保持3 mm，分別制備單元尺寸Dx=Dy=L=2 mm(C-s1-#)，Dx=Dy=L=6 mm(C-s2-#)，Dx=Dy=L=8 mm(C-s3-#)的金屬紗線樣品(試樣編號分別為A-h0-#、A-h1-#、A-h2-#、A-h3-#)，測得其透射系數如圖8所示。

圖8 不同結構單元尺寸樣品透射系數Fig.8 Transmission coefficient results for samples with different unit structure sizes

隨著循環單元尺寸的增加，諧振頻率會大大向低頻率移動，帶寬也將逐漸變窄。帶寬的變化與FSS的等效電容和電感有關，諧振頻率的變化主要與等效電流密切相關，而單元間距的變化使其等效電容發生變化，單位長度的變化引起等效電流的變化。3.1.3 立絨高度

在其他條件相同情況下，制作U型底部單元長度為6 mm，絨毛高度分別為0、3、6、9 mm的立絨樣品，測得其透射系數如圖9所示。

圖9 不同立絨高度樣品的透射系數Fig.9 Transmission coefficient results for samples with different velvet height

在Dx=Dy=6 mm時，單位長度L=6 mm情況下，當h=0 mm時，樣品A-h0-#為二維FSS，樣品透射系數在2～18 GHz范圍內接近于0，對該段電磁波呈現透通性。隨著絨毛高度的增加，等效電容和電流均增加，如3.1.2所述，將分別導致諧振頻率和帶寬的變化。圖9結果表明，絨毛高度增加使得諧振頻率迅速向低頻率移動且帶寬變窄。

3.2 結構材料

當單元結構尺寸相同(Dx=Dy=h=6 mm)時，分別采用不同結構材料如鍍銀長絲樣品D-m1-#、裸銅絲樣品D-m2-#、普通錦綸樣品D-m3-#制備樣品，其透射系數的測試結果如圖10(a)所示。當單元結構尺寸為Dx=Dy=6 mm、h=3 mm時，分別采用鍍銀長絲D-m4-#、不銹鋼包芯紗D-m5-#、不銹鋼混紡紗D-m6-#制備樣品，其透射系數測試結果如圖10(b)所示。采用不具有導電性能的普通錦綸長絲制作的樣品，其透射系數幾乎為0。表明非導電材料具有透波特性。而導電性能最為優良、結構更為規整的裸銅絲樣品的透射曲線，更加陡峭尖銳、且諧振點峰值絕對值較大，說明材料導電性能、結構規整性對頻響特性的影響很大。鍍銀長絲樣品的帶寬和諧振頻率峰值均大于棉/不銹鋼樣品。原因是前者的導電性優于后者，而不銹鋼樣品具有一定的磁導率，影響電磁波的選擇透通性。

圖10 不同材料的透射系數Fig.10 Transmission coefficient results for samples with different velvet materials. (a)Samples with h=6 mm； (b)Samples with h=3 mm

3.3 絨毛密度

用不同股數的鍍銀長絲調節樣品的絨毛密度。采用單紗線密度為10.2 tex的鍍銀長絲，制備具有相同單元尺寸，不同導電紗線股數的U型周期結構模型樣品。

樣品的諧振頻率在5.0～6.0 GHz間變化測試結果如圖11所示。隨著絨毛密度的增加，單元之間的距離減小，鍍銀紗線的整體半徑增大，單元耦合電容減小，諧振頻率變大。諧振峰的峰值變化沒有明顯的規律，其理論仍在探究中。

圖11 不同線密度導電紗的透射系數Fig.11 Transmission coefficient results for samples with different density of conductive yarns

3.4 絨毛傾斜角度

絨毛傾斜現象在簇絨地毯的實際使用中很常見，如絨毛單一方向傾斜或支撐紗線稀疏而導致絨毛向各個方向傾斜等。實驗中使用16股鍍銀紗線樣品Ag-S3-#，U型單元與雙立柱單元FSF絨毛傾斜結構如圖3所示，測試結果見圖12。從圖12(a)可看出，樣品為U型單元，隨著絨毛傾斜角度的增大，諧振頻率先緩慢變小后趨于不變，變化范圍較小；透射系數先增大后減小，變化范圍較大。即絨毛傾斜主要影響透射系數，對諧振頻率影響不大。Cheng等[19]分析出隨著絨毛高度的減小，諧振點向高頻移動。從圖12(b)可看出，雙立柱型結構單元樣品傾斜不同角度的透射系數基本保持0不變，說明影響諧振頻率的主要是U型結構連通的底部，而不是單獨的雙立柱結構。任意角度的絨毛傾斜，使絨毛間相互連通，相當于金屬板，對電磁波形成反射。U型結構單元任意角的透射系數值比雙立柱型結構單元任意角的透射系數值稍小，主要原因是U型結構由偶極子連接雙立柱，連通性相對更好些。

本文將U型三維FSS應用于立絨產品，非導電纖維間隔導電纖維，起到支撐和固定作用，并且緊湊的絨毛排列可有效解決導電絨毛連通倒伏的問題。

圖12 不同絨毛傾斜角下樣品Ag-S3-#的透射系數Fig.12 Transmission coefficient results for sample Ag-S3-# with different incidence angles. (a) Unit cell with U type; (b) Unit cell with double-column type

3.5 U型底部連通方式

3.5.1 底部是否連通對FSF頻響特性的影響

單元的完整性對FSF頻響特性十分重要，測試表2中的D-m6-#樣品底部剪斷前和剪斷后(見圖4(a))的透射系數，所得結果如圖13所示。

圖13 U型立絨D-m6-#樣品底部剪斷前后的透射系數對比Fig.13 Transmission coefficient of sample D-m6-# with U velvet before and after bottom cut

對比U型底部被剪斷前后，剪斷后的FSF在2～18 GHz范圍內沒有出現諧振現象，對電磁波基本呈現透通性。U型立絨織物單元結構的底部連通直接影響織物的頻響特性。結合小節3.4中雙立柱織物的頻向特性，可得U型結構中的偶極子使得FSF產生諧振，絨毛高度影響諧振參數的大小。

3.5.2 底部總長度相同U型連通個數不同的影響

一般情況下，U型簇絨地毯織機上織造的一個小U型遠遠小于9 mm，因而需探究單元底部總長度相同的情況下不同U型的個數對頻響特性的影響結果如圖14所示。單元底部總長度為固定值12 mm時，制作單U型結構單元織物樣品D-u1-12#和雙U型樣品D-u2-6#，測試結果如圖14(a)所示；單元底部總長度為18 mm時，制作雙U單元的樣品D-u2-9#和三U單元樣品D-u3-6#，測試結果如圖14(b)所示。

圖14 單元底部總長度一定U型連通個數es with different U number with same bottom length

單元底部長度為12 mm的單U和雙U型樣品的諧振頻率分別為11.8、12 GHz。單元底部長度為18 mm的雙U型和三U型樣品，諧振點均為10.44 GHz。即當立絨FSF的U型單元底部總長度為固定值時，連通U型的個數幾乎不影響織物的諧振頻率。根據此特性，可使用U型簇絨地毯織機織造不同單元形狀的FSS。圖中曲線的輕微移動，與制樣誤差、排列縫隙等因素相關。

3.5.3 U型連通個數對FSF頻響特性的影響

單個U型長度均為6 mm，隨著U型連通個數的增加(如圖4(b)所示)，研究其透射系數曲線變化規律，測試結果如圖15所示。分析10～14 GHz內的諧振點，U型連通個數越多，諧振頻率會向低頻移動。由于U型連通個數增多，單元底部總長度增大，易在低頻發生諧振。

圖15 U型連通個數與結構頻響特性關系Fig.15 Transmission coefficient of samples with different U number

3.6 測試條件中的入射角與極化方式

將表2中D-m5-#樣品水平放置在拱形樣品架上，測試其反射系數，通過改變入射天線和接受天線與吸波屏法線之間的夾角，得到不同角度入射時樣品的反射系數如圖16所示。在樣品水平放置時，隨著入射角的變化，諧振頻率和反射性能沒有波動，說明該結構具有一定的角度穩定性。

圖16 不同入射角度下樣品的反射系數Fig.16 Reflection coefficient results for samples under different incidence angles

用屏蔽室法測透射系數，驗證不同入射波極化方式對樣品頻響特性的影響，測試結果如圖17所示。而由于單元結構形狀為立體U型，受入射波極化方式影響較大。當將樣品垂直放置時，樣品對電磁波基本呈現全部透通性。

圖17 不同極化波入射時透射系數Fig.17 Reflection coefficient results for samples under different polarization methods

4 結 論

本文介紹了一種基于立絨織物的三維FSS，實驗探究了平面立體周期結構、單元結構尺寸、材料、絨毛密度、絨毛傾斜角度以及連通方式等參數對頻響特性的影響，得出以下結論。

1)絨毛行距的增加，產生的諧振頻率向低頻緩慢移動，帶寬會明顯變細；循環單元周期尺寸或絨毛高度的增加，諧振頻率會向低頻率移動，帶寬逐漸變窄。

2)由導電紗線構成的尺寸和形狀相同的結構單元FSF，紗線導電性越好，織物的諧振現象越明顯。隨著絨毛傾斜角度的增大，諧振頻率向低頻移動；織物的絨毛密度越大，諧振頻率越高。

3)破壞U型底部結構， FSF不產生諧振；單元底部總長度相同時，U型個數基本不影響織物的諧振效應；但相同U型個數越多，單元底部總長度越大，諧振頻率向低頻移動。

4)在樣品水平放置時，隨著入射角的變化，該結構具有一定的角度穩定性。但該結構受入射波極化方式影響較大。

基于立絨織物的FSS具有常規FSS所不具有的輕質柔性特點，并且從原料、單元形狀、尺寸等方面具有多種可設計性。以上實驗探究所得出的結論，將有利于開發特定諧振點的產品，有利于進一步指導立絨FSF的研究。

FZXB

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Influence factors of frequency response characteristics for new velvet fabric with frequency selective surface

WANG Yajing1，2, XIAO Hong2, CHENG Huanhuan1, SHI Meiwu2, WANG Qun3, TANG Zhanghong3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticsSupportDepartment,Beijing100082,China; 3.CollegeofMaterial,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

With the metallic yarns as the conductive structure unit material, the new frequency selective fabrics based on U velvet were papered by velvet weaving method to explore the frequency response characteristics of flexible frequency selective surface. By testing and analyzing transmission coefficient of samples, influence factors of frequency response characteristics were studied. With the increase of unit structure size, line spacing, velvet height or inclination angle of testing, the resonant frequency shifts to low frequency, the density of the conductive yarns is increased, and the resonant frequency is moved to the high frequency, with the same unit bottom length, the resonant frequency of different U connections has little change. The increasing of the number of the same U connecting leads to the lower frequency. When silver fiber is used as the unit conductive material, the resonance peak and bandwidth of the sample are larger. And the resonant peak of bare copper wire samples is sharper and steeper. U type velvet fabric has the stability performance of the angle of incidence, but has a great influence on the way of polarization.

U-type velvet fabric; frequency selective surface; influence factor; frequency response characteristic

10.13475/j.fzxb.20161100310

2016-10-31

2016-11-17

國家自然科學基金項目(51673211)

王亞靜(1991—)，女，碩士生。主要研究方向為電磁功能周期結構紡織材料。肖紅，通信作者， E-mail：76echo@vip.sina.com。

TS 106

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