服装用织物屏蔽效能测试方法—屏蔽箱法的探讨

刘志才，何 鹏，徐 勤，王利君，李 妮，熊 杰

(1.浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江杭州 310018;2.宁波出入境检验检疫局，浙江宁波 315012;3.浙江省纤维检验局，浙江杭州 310012)

目前，测试织物电磁屏蔽效能的方法很多［1］，大致可分为近场法、远场法以及屏蔽室法3类，远场法有同轴传输线法和法兰同轴法等，近场法有双盒法和改进的MIL-STD-258法等。

其中同轴传输法的优点是双腔体测试，缺点是测试频率的范围小、测试重复性差;法兰同轴法的优点是测试试样面积小、重复性好，缺点是测试频率范围小;双盒法的优点是不需要昂贵的屏蔽室，辅助夹具等，测试方法快速简便，缺点是测试频率的范围小、测试重复性差;改进的MIL-STD-258法优点是测试费用适中，操作简单，缺点是测试频率的范围小、测试重复性差;屏蔽室法优点是测试的频率范围广，缺点是重复性差，测试费用昂贵［2－4］。

为了寻求一种合理的测试屏蔽织物屏蔽效能的方法，需要综合多方面因素考虑。要保证织物屏蔽效能的测试方法准确可靠，需要满足以下条件:测试环境与人们实际生活环境相似;测试频率范围包括日常生活电磁辐射的频率范围;测试数据能够直接反应织物屏蔽性能的变化［5］。反之则可以根据织物屏蔽性能的变化来分析测试结果，从而检验测试方法的可靠性。本文从屏蔽的原理出发，设计组装了一套测试织物屏蔽效能的装置，并对该装置的性能进行了评价。

1 屏蔽箱法的设计原理

所谓“屏蔽”是指“切断”电磁场干扰源到器件或设备的传输路径，从而抑制干扰源对其他器件或设备的不良影响。按照屏蔽对象不同，屏蔽可分为2类:一类是“主动屏蔽”，这类屏蔽是指将电磁场的产生源屏蔽，减弱屏蔽层外的电磁场强度;另一类是“被动屏蔽”，这类屏蔽是指将特定的器件或设备屏蔽，减弱外界电磁场对它们的不良影响［6］。

基于上面的2类屏蔽原理，以主动屏蔽为基础，设计一套新的测试电磁屏蔽的装置用于屏蔽织物的测量，该方法将屏蔽箱体置于电波暗室中，可以通过扫频的方式快速地测量出织物的屏蔽效能。其装置测试连接图如图1所示。

图1 屏蔽箱法测试装置连接图Fig.1 Connection graph of testing device by shielding boxmethod

1.1 测试场地选择

为了提高测试的可重复性，防止外界电磁波对测试结果的干扰，屏蔽箱体置于电波暗室的静态工作区内。电波暗室又叫无反射屏蔽室或屏蔽暗室，由于普通的屏蔽室内壁板会对电磁波发生反射，从而影响测试结果的准确性，电波暗室是在普通屏蔽室的内壁板上铺上吸波材料形成的，从而避免了以上缺点。

本文测试在国家级重点实验室宁波光电电气产品检测中心的电波暗室中进行的。

1.2 信号源选择

信号源的输出是否稳定直接决定了测试方法的稳定性［7］，另外测试频率要能覆盖人们日常生活中所接触的电磁辐射的频率范围。基于以上因素，选用的信号源为 York EMC Services公司生产的CGE01型梳状信号发生器。

1.3 屏蔽箱设计

屏蔽箱是用金属材料做成的六面体，长宽高分别为1.5、1和1 m。为了测试时放置试样，在屏蔽箱的一个面上开有一个30 cm×30 cm的窗口，用来安装试样，试样要求能完全密封住窗口，理想的尺寸为32 cm×32 cm。

1.4 接收天线的选择

在具体测试过程中，根据不同测试频率选用不同的接收天线。双锥天线测量频率段为25～300 MHz，对数周期天线测量频率段 300 ～1 000 MHz，喇叭天线测量频率段为1 000～18 000 MHz。本文中所有测试频率均大于1 GHz，接收天线采用罗德与施瓦茨的HF907双脊波导喇叭天线，其工作频率为0.8～18 GHz。在较高频率时，为了增大测试系统的动态范围可以在天线与测量接收机/频谱仪之间加前置放大器。

1.5 测试接收机/频谱仪选择

选用罗德与施瓦茨公司生产的ESU型EMI测试接收机，其动态测量范围较宽，固有噪声低，测量不确定度低，并能满足所有民用和军用测量要求。

2 屏蔽效能测试原理及表示方法

屏蔽效能 SE［8］(shielding effectiveness)是指在同一激励电平下，有电磁屏蔽材料与无电磁屏蔽材料时所接收的功率或电压比，并以对数表示，通常被用来定量说明屏蔽材料屏蔽性能的好坏。材料屏蔽效能值的计算公式为:

式中:P1、E1、H1、V1分别为在激励电平保持不变的条件下，未放入屏蔽材料前接收到的功率、电场、磁场、电压值，P2、E2、H2、V2分别放入屏蔽材料后接收到的功率、电场、磁场、电压值。

下面以电场强度为例，计算屏蔽效能值为

式中:E1为安装屏蔽材料前测得的某点的电场强度值，E2为安装屏蔽材料后测得同一点的电场强度值。

在实际测量中，接收机显示的测试结果是电场强度值对数化的输出电压VdBV，为了得到需要的屏蔽效能值，要将此对数化的结果转化为电场强度值。根据天线的定义AF=E/V［9］，将此式用对数的形式表示为

式中:AF为天线系数;E为电磁场在天线方向上的电场强度;V不天线所接负载两端的电质。

测试过程中，安装屏蔽材料前后始终采用同一个天线接收信号。将式(3)代入式(2)，即可以用接收机显示的测试结果计算出屏蔽材料的屏蔽效能值，即

3 屏蔽箱法测试结果与分析

采用不同的工艺条件对聚酰胺6织物进行化学镀银，并采用本文所设计的装置对不同工艺条件下得到的试样进行测试，分析测试结果。

3.1 测试条件

测试环境温度为25℃，环境相对湿度为45%～75%，大气压力为一般大气环境。为了确保试样与测试的电磁环境保持一致，试样在测试前应在上述环境中放置48 h。

3.2 测试步骤

按照图1所示，连接测试装置;接通设备电源，预热5 min;待设备稳定后，按照测试要求设定扫频方案;保持上述测试参数不变，放入待测试样，记录测试结果，根据式(4)计算屏蔽效能值。

3.3 测试结果分析

不同化学镀银工艺条件下，聚酰胺6织物的增重率不同，镀层结构不同，织物的电磁屏蔽效能值理论上应有差异:镀银织物若镀层包覆率低，镀层颗粒分布不均匀，镀层颗粒之间存在较多缝隙与孔洞，则该织物对电磁波的反射和吸收作用弱，其电磁屏蔽效能值低;镀银织物若镀层包覆率高、镀层致密性好、镀层颗粒分布比较均匀，则该织物对电磁波的吸收和反射作用好，其电磁屏蔽效能值高。

采用本文设计的屏蔽箱法测试不同化学镀银工艺下聚酰胺6织物的电磁屏蔽效能，结果如表1。

表1 不同增重率试样的电磁屏蔽效能值Tab.1 Shielding effectiveness values of different weight gain rate samples dB

从表1可看出，不同增重率的镀银织物的屏蔽效能值不同，这是因为不同增重率的镀银织物的镀层质量不同。镀层质量好说明镀层颗粒均匀，镀层致密性好，相应织物对电磁波的吸收和反射作用强，其屏蔽效能值高。不同增重率的试样镀层的形貌如图2所示。

图2 不同增重率试样镀层的FE-SEM照片Fig.2 FE-SEM mages of platings for different weight gain rate samples

从图2可看出，增重率低时镀层的致密性差，镀层颗粒分布不均匀并且镀层颗粒之间存在较多的空隙与孔洞，因此导致屏蔽材料对电磁波的吸收和反射作用弱［10］，织物的屏蔽效能值较低。随着增重率的增加，镀层的质量得到改善，织物表面被镀层中更多的银颗粒覆盖，致使屏蔽材料对电磁波的吸收和反射作用加强，织物的屏蔽效能值随之增大。当织物的增重率增加到一定程度时，织物表面已完全被镀层覆盖，增重率继续增加，只是增加了镀层的厚度，而镀层的致密性基本不再变化，此时屏蔽效能值趋于稳定。屏蔽箱法得到的测试数据的分析结果与实验现象一致，说明本文设计的装置测试的数据能直接反映材料屏蔽性能的变化。

4 结论

本文基于电磁波的屏蔽理论设计组装了一套测试织物电磁屏蔽效能的装置，调试后对增重率不同的化学镀银聚酰胺6织物进行了测试。具体结论如下:

1)屏蔽箱法的测试环境与人们实际生活环境相符，发射源与人的距离可以用发射源与屏蔽材料的距离来模拟。

2)屏蔽箱法在电波暗室环境中进行，采用信号输出稳定的CGE01型梳状信号发生器，能确保测量结果的稳定性。

3)屏蔽箱法的测试结果能反映材料屏蔽性能的变化，是一种有效可行的测试织物屏蔽效能的方法。

4)屏蔽箱造价低廉，是一种十分经济的测试方法。

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