水泥砂浆电磁屏蔽效能的研究

吕志蕊，冀志江，吴禄军，唐章宏，王 群

（1.北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124； 2.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

引言

随着各种家用、商用电子产品的日益普及以及电子计算机、电气设备、高压输电线等设备的广泛应用，电磁辐射产生的电磁干扰不仅影响到电子产品功能的实现，同时也对人体健康产生了极其严重的威胁。使用具有一定屏蔽效能的建筑材料能降低电磁辐射的危害。图1 是一种钢丝网水泥砂浆材料的结构示意图，从右到左分别为变换层、吸收层、钢丝网。工程应用中按照基础墙体-钢丝网-吸收层-变换层的顺序施工，变换层的一侧面向电磁波波源，使得钢丝网水泥砂浆材料既可用于屏蔽户外的电磁辐射，也可用于防止室内电磁辐射向外泄漏，对提高电磁信息泄露的防护水平方面具有重要的工程应用价值。

钢丝网由于柔韧性好，能够加固水泥制品而被广泛应用在水泥砂浆材料中。研究表明一定孔径的钢丝网具有比较好的屏蔽效能[1]。在水泥砂浆材料中加入钢丝网结构可以提高屏蔽材料的屏蔽效能，通过计算找出了满足屏蔽要求的钢丝网的孔径尺寸，并按照计算尺寸加工钢丝网作为水泥样板的结构组成部分。本文对钢丝网水泥砂浆材料屏蔽效能的理论进行了分析，参照屏蔽效能的测试标准，在250kHz～2GHz 频段测试了实际制备的水泥样板的屏蔽效能，同时对测试过程中外部环境的影响进行了分析。图2 为测试的水泥样板实物图，结构如图1 所示。

1 水泥砂浆电磁屏蔽原理

水泥砂浆材料对电磁场的屏蔽主要依靠其对电磁波的反射、吸收作用。图3 中给出了电磁波在屏蔽材料中传播的示意图[2]。图中的标号标注了电磁波入射到屏蔽材料时，可能发生的反射、折射、透射、干涉等物理现象。电磁波①入射到材料表面，由于空气与材料中导电体的波阻抗不一致引起一部分电磁波②被反射回空气介质中，另一部分电磁波③发生折射穿透进入屏蔽材料中。材料中的吸收层由至少两层的不同电磁吸收能力的吸波砂浆组成，进入其中的电磁波由于屏蔽材料在电磁场中产生的电损耗、磁损耗及介电损耗而消耗部分能量，即部分电磁波被吸收。剩余电磁波⑥在到达屏蔽材料的另一面时同样由于阻抗不匹配，使部分电磁波反射回屏蔽材料内，形成在屏蔽材料内的多次反射，剩余部分⑤、⑧穿透屏蔽材料进入空气介质。评价一种屏蔽材料优劣的主要指标是在一定频率范围的电磁波入射时，电磁波经过屏蔽材料后透射值的多少来衡量。当一定能量的电磁波入射到材料表面后，如果透射量很少，表明电磁波能量衰减大，说明材料的屏蔽效能很高，反之亦然[3]。

图1 水泥屏蔽板结构图

图2 水泥样板

2 钢丝网屏蔽效能计算

通过计算发现，网孔形状为正方形，网格平均边长为0.21cm，钢丝直径为0.1cm 的钢丝网具有满足要求的屏蔽效能。下面是钢丝网屏蔽效能的计算过程。金属屏蔽体孔阵所形成的电磁泄漏，可采用等效传输线法进行分析，其表达式为[4]：

式中 Aa——孔的传输损耗；

Ra——孔的单次反射损耗；

Ba——多次反射损耗；

K1——与孔个数有关的修正项；

K2——由趋肤深度不同而引入的低频修正项；

K3——由相邻孔间相互耦合而引入的修正项。

式(1)中前三项分别对应于实心型屏蔽体的屏效计算式中的吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗。后三项是针对非实心型屏蔽引入的修正项。

结合上述公式，利用Matlab 软件计算出钢丝网在250kHz-2GHz 频段内的屏蔽效能如图4 所示。

图3 电磁能量在电磁屏蔽材料中的传播

图4 250kHz～2GHz 频段钢丝网屏蔽效能

图4 表明钢丝网在250kHz～100MHz 频段内的屏蔽效能在50dB 以上，屏蔽效能较高，随着频率的增加，屏蔽效能逐渐降低，当频率增加到2GHz 时钢丝网的屏蔽效能降低到13.78dB。

3 水泥样板屏蔽效能的测试

为了研究水泥样板的屏蔽效果，基于GJB 6190-2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法》的测试方法，结合实验室的测试仪器和低频段工作天线，在250kHz～2GHz频率范围内对水泥样板和环境值进行检测。结合实际天线的工作频段，测试过程中分别采用低频段环形天线(天线型号：SAS-564，SAS-563B，频段为250kHz～30MHz)作为发射、接收天线；高频段使用对数周期天线(天线型号：SAS-521-2，频段为25MHz～2GHz)作为发射、接收天线。

3.1 测试过程

调节测试系统，从电磁波发射端按照发射天线、水泥样板(变换层一侧面向发射天线)、接收天线顺序进行放置。使用环形天线测试时，调节天线到合理位置，发射、接收天线距屏蔽板水平距离为9.5cm，距地面垂直高度为65.5cm。接通E8257D 信号发生器及E7405A 频谱分析仪，预热15 分钟后设置测量参数，发射信号开始测试。

使用环形天线测试后，再换用对数周期天线进行水泥样板屏蔽效能的测试。由于水泥样板尺寸相对对数周期天线较小，所以对数周期天线与样板的相对位置不能过远。另外为了避免因发射和接收天线距离过近而导致信号耦合的现象产生，并保证天线在空间损耗不大，选取放置水泥屏蔽板到发射、接收天线水平距离分别为290cm、42cm。两个天线中心位置对准，天线离地面高度为45cm。图5 为对数周期天线测试水泥样板接收天线一侧的测试图。

最后保持天线位置不变，将屏蔽板撤离，分别使用对数周期天线和环形天线发射和接收信号条件下的参考值进行测试，并保存数据。

图5 对数周期天线测试水泥样板

图6 250kHz～30MHz 水泥样板屏蔽效能变化

图7 25MHz～2GHz 水泥样板屏蔽效能变化

图8 250kHz～30MHz 外部环境信号

3.2 测试结果

以下分别给出环形天线和对数周期天线的测试结果。使用环形天线测得的屏蔽板在250kHz～30MHz 的屏蔽效能如图6。

从图6 可以看到，在250kHz～30MHz 频段，水泥样板的屏蔽效能值在10～15dB 左右。

使用对数周期天线测得的屏蔽样板在25MHz～2GHz的屏蔽效能如图7 所示。

图7 可以看出，在25MHz～2GHz 频段，水泥样板的屏蔽效能值大部分在15dB 以上，随着频率的增加，水泥样板屏蔽效果越来越理想。

4 测试结果分析

由图6 所示，在9MHz～18MHz 频段内屏蔽效能偏低，发现在测试的过程中，发射天线信号不输出的情况下，频谱分析仪在9MHz～18MHz 出现了信号叠加，如图8 所示。为了验证该频段下测试结果的正确性，需要分析环境对测试结果的影响程度。

为了避免测试过程中由于环境电磁场对测试结果的影响，在测试结果的处理中，可在计算水泥样板的屏蔽效能时消除环境电磁场的影响以获得更准确计算结果：

式中，p1，p2分别为放置水泥样板前后的接收功率，单位：(W)；p0为外部环境信号接受功率，单位：(W)；SE 为水泥样板屏蔽效能值，单位：(dB)。

由图8 看出，在9MHz～18 MHz 频段内，从外部环境中接收到得最大信号不超过-45dBm，或0.31623×10-4mW，即(2)式中分子分母中的第二项值。图9 为未加水泥样板时的接收信号，可以看出，未加样板时信号接收器在9MHz～18MHz 频段内接收到的最小功率为-5dBm，或0.3162mW，即(2)式中分子中的第一项值。可以看出分子两项相差4 个数量级，环境产生的影响相对非常小，可以忽略。由此可以看出环境电磁场对计算的屏蔽效能几乎没有影响，水泥样板在该频段下的屏蔽效能还有改进的空间。

环形天线在高频段24MHz～30MHz 出现了跳变，主要是因为越靠近天线截止频率，天线的驻波比值过大，导致在这一频段天线性能不稳定。通过对比两天线交叉频段的测试结果，发现在25MHz～30MHz 频段，采用对数周期天线测量结果很差，而环形天线却很好。主要原因是因为天线振子的辐射起主要作用的是振子的长度，天线的相位中心随着工作频率降低向天线的尾端移动[5-6]，对数周期天线的两翼在低频段起作用。在测试的过程中，由于水泥样板尺寸相对对数周期天线两翼较小，导致在测试的过程中，低频段对数周期天线的两翼信号可以绕过水泥样板被接收，导致在该频段，采用对数周期天线测试的结果偏小，而环形天线相对水泥样板尺寸过小，绕射信号小，因而测试的结果较好。

图9 未加样板时的接收信号

将钢丝网屏蔽效能的计算结果图4 与水泥样板实际测试结果图6、图7 相对比，可以看出，在 1GHz ～2GHz频段内，水泥样板实际测试的屏蔽效能在20dB 左右波动，这一测试结果与钢丝网屏蔽效能的计算结果大致符合。但在250kHz～1GHz 频段内，水泥样板实际的屏蔽效能明显没有达到计算的水平，主要是因为水泥样板由于没有基础墙体的支撑而达不到足够的强度，受此限制不能制备尺寸足够大的水泥样板，导致测试时信号在水泥样板周围发生绕射使得实际测量的屏蔽效能值与理论值有所偏差。另外由于测试场地的限制，天线到水泥样板的测试距离没有达到远场要求，也是导致测试值与计算值有所差距的原因。

5 结论

本文通过研究钢丝网水泥砂浆样板的电磁屏蔽性能，发现在中波段的屏蔽效能达到15dB 以上，短波段除了9MHz～18MHz 频段内屏蔽效能相对较低，其他频段内水泥样板的屏蔽效能也都达到10dB 以上。这种钢丝网水泥砂浆材料对于中短波的天线辐射有比较好的屏蔽效能。在高频段，水泥样板的屏蔽效能值大部分在15dB 以上。总体来看，这种水泥砂浆材料具有比较理想的屏蔽效能。

[1]王永利, 张洁. 电缆屏蔽金属网屏蔽效能的工程计算[J]. 北京:电子测量与仪器学报. 2008(S2), 26-30.

[2]蔡仁钢.电磁兼容原理、设计和预测技术[M].北京:航空航天大学出版社.1997: 1.

[3]刘永肖. 电磁屏蔽砂浆的研究[D].北京：北京工业大学, 2006.

[4]杨克俊. 电磁兼容原理与设计技术[M]. 北京：人民邮电出版社,2004:64-66.

[5]刘克成, 宋学诚. 天线原理[M].韶山：国防科技大学出版社, 1989:155-156.

[6]陈顺生. 天线原理[M].南京: 东南大学出版社, 1989: 244-245.