电磁屏蔽织物参数设置对屏蔽效能仿真实验的影响研究

武警工程大学研究生大队 王蕾蕾

武警工程大学通信工程系 李 萍

武警工程大学研究生大队 安合志

1.引言

防电磁辐射织物可采用完全封闭的形式进行来屏蔽，面料中所含的金属含量越高，其屏蔽效能就越好。然而完全封闭的服装是不存在的，形成服装的织物不是完全封闭的，织物中有许多的孔隙和缝隙，织物中所含的金属含量也不可能达到100%，使防电磁辐射织物的屏蔽效能降低。电磁波通过织物中的缝隙可以进行电磁辐射的衍射，当缝隙的直线尺寸接近辐射源的波长的倍数时，缝隙还可能产生天线效应织物本身就会成为一个电磁波辐射器，从而严重破坏防电磁辐射织物的屏蔽效能。织物的屏蔽效能不仅与缝隙的宽度、织物的厚度有关，而且与缝隙直线尺寸、缝隙的数目、以及波长等有密切关系[1]。

2.金属网格模型

由于几何结构的特殊性，一维或二维空间里的周期性结构通常能起到滤波的作用。理性情况下，表面结构在一部分频率范围内对电磁辐射具有完全可透射性，在剩余部分的频谱中则是完全反射的，在这两个范围中表面结构可以被设计为选择在给定的频率范围内反射电磁场，从而达到电磁屏蔽的作用。

电磁波防护织物中起防辐射作用的主要是金属部分，因此为简化模型忽略衣物棉纤维，仅用金属丝网格结构作为电磁波防护服饰的模型。另外考虑到纺织品的特性，金属网格的结构单元应为正方形、三角形或菱形，按照以上描述建立的网格结构如图1所示。可能影响到传输特性的几个变量有：网格单元的边长l，金属丝直径d。本文运用Hobbies软件建立了金属网格结构，并将网格单元的各个参数设为变量[2]。

3.金属网格结构参数设置对Hobbies软件仿真速度的影响

根据不同的网面编织结构形式，拟建立三角形、菱形、正方形等编织结构的等效模型，对这几种编织结构的网孔及金属丝尺寸根据制造工艺实际以及电磁波屏蔽的需要，设计了几种孔径宽度以及导线半径尺寸，并对其进行建模分析。

3.1 网孔形状对建模仿真的影响

开孔方式多样，作者计划研究分析多种网孔形状对屏蔽效能的影响。但通过建模、仿真、预运行发现：运用Hobbies仿真软件建立三角形、菱形等形状的网面结构模型时，会出现未定义的点线等问题，导致仿真无法进行。通过分析，作者认为造成这种现象的原因可能是模型边界处的点线没有完全对接。为了模拟防护服装的封闭环境，作者将模型简化等效为一个“密闭”的立方体，立方体的每个表面都具有待研究的一种网面编织结构，且各个表面结构相同。如图2所示，在构建立方体结构时，如果设定每个网面的面积相同，具有三角形、菱形等开孔方式的网面在边界处就容易产生一些不规则的缺口。当把各个平面连接成立方体时，如果缺口不能完全吻合，在两相邻平面的公共边上就会给对方带来一些陌生的点、线，导致Hobbies软件在运行的过程中产生歧义出现错误。因此，我们令每个网面上的网孔个数相同，保证各个网面边界处的缺口形状相对规则一些，从而减少歧义点线产生的数量。

表1 网面结构的尺寸参数

表2 重新设置的网面结构尺寸参数

图1 防电磁辐射织物等效结构

图2 出现歧义点线的模型表面及其整体结构

图3 工程上机预运行的结果

3.2 模型电尺寸对建模仿真的影响

由文献[3]得知，金属丝网的半径与天线工作频率相关，要求丝网直径小于天线工作波长的十分之一；通过对论文中引用的数据进行换算，发现金属丝直径通常在λ/75左右。电磁波遇到障碍物或小孔时，会发生衍射现象，基于目前工业上对金属丝编织能力的考虑以及对衍射现象影响的分析，对孔径宽度在λ/10左右进行分析。

按照上述思想，90GHz的电磁波对应的波长约为3.3mm，对应的孔径宽度和金属丝直径取值范围的中心值分别为0.33mm和0.04mm。由以往的研究结论得知：一般情况下，孔径宽度越小、金属丝直径越宽，网面结构的屏蔽效能就会越好。因此我们取0.33mm为孔径宽度的上限，0.04mm作为金属丝直径的下限，取值情况如表1所示。针对不同组别尺寸，每个网面上所取的网孔个数也有所不同，目的是要保证不同组别的网面面积都近似相等，进而研究相同面积下网面结构的屏蔽效能。但是这种方法只能减少部分歧义点线的产生，对于具有菱形网孔的网面结构却没有作用；而且不同组别的网面面积不完全相同，横纵向比较屏蔽效能时没有一个严格的定量，研究方法不够严谨；以往的研究中几乎都是首先设定每个网面具有相同的面积，得出“单位面积中网孔的个数、尺寸越小，屏蔽效能就越好”之类的结论，但是很少有人研究具有相同网孔数目的网面屏蔽效能及其影响因素这一问题。因此，我们将模型修改为每个网面具有相同的网孔数目，这样既降低了歧义点线出现的几率，又探究了以往所忽视的研究视角。

为了印证上述分析的优势，我们先对正方形和三角形的开孔方式进行建模，由于Hobbies是一款新型仿真软件，对它的使用还处于摸索阶段，对90GHz这样的高频率进行仿真必定会带来极大的计算量，所以我们先在8GHz上进行仿真。经过预运行发现，该组尺寸设置不合理，在四核的计算机上预运行便会产生数据溢出；然后在具有192核的服务器上进行了三天的仿真才算出结果，计算结果不理想。

通过查阅相关文献资料与参考实际屏蔽织物单丝的直径数据，我们对尺寸重新进行设置，如表2所示。

按照上述尺寸构建模型并进行仿真，我们发现该组尺寸构建的模型不会占据很大的内存，机上运行速度也很快，每个工程在服务器上运行后所占的内存都在0.79MB左右，预运行的时间都不超过0.18秒。

4.结论

本文结合电磁防护的相关理论，采用电磁仿真软件Hobbies对电磁屏蔽织物金属网格结构的各个参数进行了细致的仿真，分别从网孔形状、网孔与金属丝直径两个方面探讨了影响Hobbies运行速度的情况，给出了针对使用Hobbies软件进行网面结构仿真的建议：（1）具有三角形、菱形等开孔方式的网面在边界处就容易产生一些不规则的缺口，导致Hobbies软件在运行的过程中产生歧义出现错误。解决办法是令每个网面上的网孔个数相同，保证各个网面边界处的缺口形状相对规则一些，从而减少歧义点线产生的数量。（2）参数所在的量级将对运算速度产生非常大的影响。当参数单位量级设置在毫米段时，模型会占据大量的内存，运算速度大大降低；当量级单位在微米段时，模型占据内存很小，运算时间非常短。

[1]陈家奎.防电磁辐射服装屏蔽效能测量方法研究[D].北京:北京交通大学,2007.

[2]杜白,朱彭城.基于FSS的电磁波防护服研究[A].2009年全国天线年会论文集(下)[C].2009.

[3]齐恩杰.网状反射面天线电性能分析及影响因素研究[D].西安:西安电子科技大学,2009.