带电介质板对电磁波的衰减特性研究

张超，孔晓玉，郑丹丹

(河北太行计量检测有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

电介质，又叫作绝缘体，它们中的电子被束缚在它所属的原子核周围，因而在物质内部的自由电子极少，即使受到外电场的作用，其分子中的绝大多数带电粒子也只能作微观位移，不可能像导体中的自由电子那样发生宏观迁移[1]。

电导率是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值，以欧姆定律定义为电流密度和电场强度的比率。相对介电常数表征材料的介电性质或极化性质的物理参数，其值等于预测材料为介质与以真空介质制成的同尺寸电容器电容量之比[2-4]。介电常数与电导率之间的关系是εe=ε(1-jκ/ωε)。其中，εe为介电常数，κ 为介质的电导率，ω 为电磁波的角频率，ε 为理想介质的介电常数。由此推导出，当εe=ε 时，电导率为0，面电导率为0。带电量为0 时电导率为0，带电量不为0 时电导率不为0。

物质的导电性不仅与其凝聚状态和组成结构有关，而且与物质所处的外电场条件有关，物质在传导静电过程中，导电性是由物质与电场共同确定的。处在强场中的物质，分子电偶极矩的大小、分子的排列分布状态、结晶点阵的热振动情况等都可能发生较大的变化，从而改变物质的导电性能[5]。

通过固体介质的表面有一种表面导电电流IS=GSU，其中，GS为固体介质的表面电导，单位为S。如果固体介质表面上加以两平行的平板电极，极间距离为d，电极长度为l，则，比例系数γS为介质的表面电导率，它与介质电导具有相同的单位，亦为西门子。此时亦可写成表面电流密度形式，其中，JS为表面电流密度，单位为Am-1。介质的表面电导率γS(或表面电阻率ρS)的数值不仅与介质的性质有关，而且受到周围环境的湿度、温度、介质表面结构和玷污情况的影响[6]。

当电介质相对导体为正电时，在电介质上产生的放电区域为均匀的圆状，放电面积比较小，释放的能量也比较少；当电介质相对于导体为负电位时，在电介质上产生的放电区域是不规则的星状区域，区域面积比较大，释放的能量也较多[7]。

不同电导率的介质对电磁波的散射不同，在电导率较小的导体介质中，介质会对电磁波产生散射及吸收，导致电磁波的能量发生衰减，对于电导率较大的导体介质，电导率入射到其表面后，会发生趋肤效应，电磁波只在介质表面传播散射，并发生衰减，不会入射到介质深处，衰减程度大于低电导率介质[8-9]。

1 电介质与电磁波的相互作用

基于对电磁波与介质相互作用的研究，进而研究带电介质对电磁波的传播影响。研究电磁波的传播特性主要研究电磁波的反射及透射特性，上述传播特性受材料电磁参数的影响。介质带电会改变这些参数继而影响电磁波的传播特性。

当电磁波垂直入射到两种介质交界面时会发生反射、透射吸收等现象，如图1 所示。

图1 电磁波在介质交界处的入射、反射和透射

假设一束电磁波从介质a 入射到介质b，入射方向为z 方向，且入射波、反射波以及透射波的电场方向为x方向，则入射波的电场Ei及磁场Hi可以表示为：

其中，ex和ey为相互垂直且与传播方向z 也垂直的x 及y 方向的单位向量，Eim为入射波的磁感应强度；k 为传播系数，，η 为本征阻抗，阻抗可由下式表示：

(1)对于金属等铁磁性材料：

(2)对于非金属等绝缘性好的材料：

其中，ε 和μ 为介质的介电常数和磁导率，σ 为电导率，ω 为电磁波的角频率。同理，电磁波的反射波和透射波的电场及磁场可表示为：

其中，Er和Et分别为反射波和透射波的电场，Hr和Ht分别为反射波和透射波的磁场，Erm和Etm分别为反射波和透射波的电场强度。

传输线理论中的反射系数能够对材料的电磁波的吸收性能进行定量描述，反映介质材料对入射电磁波的反射衰减的程度[10]。

2 带电介质板对电磁波衰减的实验设计

本实验采用高压源喷电方式使介质板带电。介质板带电后，经过认真的消电处理，再进行后面的带电实验，因为物体的带电历史或带电状态直接影响物体的静电起电电量和物体带电的符号。原来不带电的物体相互间第一次接触、分离起电的测量结果能反映物体的实际起电性质[11]。

实验材料选取：根据物体表面电荷的消散规律，经过一系列静电泄露实验，最终选定实验的介质材料为亚克力板(长度为60 cm，宽度为60 cm，厚度分别为4 mm、15 mm、30 mm)、PVC 板(长度为60 cm、宽度为60 cm、厚度分别为3 mm、15 mm、30 mm)和PP 板(长度为60 cm，宽度为60 cm，厚度分别为3 mm、15 mm、30 mm)。

实验仪器：信号源SML01(9 kHz～1.1 GHz)，信号源SMR 20(1 GHz～20 GHz)，双锥天线2 个，对数周期天线ETS3142E(26 MHz～6 GHz)2 个，喇叭天线BBHA9120D(1201)2 个，以及频谱仪AgilentE4440A(3 Hz～26.5 GHz)、正高压源、负高压源、消电器。

实验选取频率：一般在每10 倍频程内选择不少于3个频率点，为了更好地研究不同频率下的电磁波衰减规律，增加了频点密度，最终选取频点为：1 GHz，1.2 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz，1.6 GHz，1.7 GHz，1.8 GHz，1.9 GHz，2.0 GHz，2.1 GHz，2.2 GHz，2.3 GHz，2.4 GHz，3 GHz，4 GHz，5 GHz，6 GHz，7 GHz，8 GHz，9 GHz，10 GHz，12 GHz，15 GHz，17 GHz。实验过程中天线距离屏蔽材料的距离严格按照标准执行，且地面做标记，保证实验的可重复性，整个操作过程穿上防静电服。

实验搭建系统框图如图2 所示。

图2 介质板屏蔽效能测量实验系统框图

实验步骤如下：

(1)连接实验仪器，调整天线均为垂直极化，信号源输出功率10 dBm；

(2)记录各频点通过空气后的接收功率；

(3)保证实验条件不变，将所测介质板安装在屏蔽室窗口，利用非接触式表对介质板进行电压测量，记录基础电压下各频点的接收功率；

(4)利用喷电法增加介质板表面电荷量，记录高电压下各频点的接收功率。

3 实验数据分析

以3 mm PP 板为例，将数据以三维图形式呈现，数据如图3 所示。

图3 3 mm PP 板不同电压不同频率下的接收功率示意图

由图3 可见，随着带电量的增加，接收功率越来越小，说明介质板带电，增大了对电磁波的衰减。经过数据的统计整理，发现实验的介质板都有此趋势，说明电荷对于介质板对电磁波的衰减是有影响的。

以3 GHz 的3 mm PP 板为例，不同电压下的接收功率和拟合曲线如图4 所示。

图4 3 GHz 下3 mm PP 板的接收功率

图4 直观地反映了在电压为0 处接收功率最大，随着带电量的增加，接收功率出现了明显衰减，亚克力板、PVC 板的接收功率也有此规律，实验验证了介质板带电对电磁波的衰减是有一定影响的，带电量越大，衰减越大。

各种材料的衰减量最值统计如表1 所示。

表1 各材料的功率衰减量最值统计表

各种因素对带电介质板电磁波衰减量的影响如下。

(1)不同厚度对带电介质板电磁波衰减量的影响如图5 所示。由图5 可知，根据实验数据结果判断带电介质板厚度与电磁波衰减量并不成比例关系。

图5 不同厚度下带电介质板的电磁波衰减量

(2)不同频率对带电介质板电磁波衰减量的影响如图6 所示。由图6 可知，随着频率的增加，电磁波的衰减量整体呈增大趋势，以PP 板为例进行分析，3 mm PP 板随着频率增大，电磁波衰减单调增加；15 mm PP 板正电压下随着频率增加电磁波衰减量单调增加；15 mm PP板负电压下及30 mm PP 板随着频率增加，电磁波衰减量先增加后减小，整体趋势平缓。在3 GHz 频段以下，在记录的有效数据中，大部分电磁波衰减量在0.3 dB 以下，且分布比较集中；在3 GHz～10 GHz 频段，电磁波衰减量呈明显上升趋势；在10 GHz～18 GHz 频段，电磁波衰减量与带电介质板厚度及介质板的带电极性相关性更明显。

图6 不同频率下PP 板电磁波衰减量

(3)不同材料对带电介质板电磁波衰减量的影响如图7 所示。由图7 可知，同种材料下不同厚度及不同电压下对电磁波衰减量的影响趋势是相同的。

图7 不同材料下带电介质板电磁波衰减量

4 结论

电磁波传播过程中会遇到各种障碍，由于障碍的形状、尺寸、材料性质等的不同会造成电磁波不同形式的散射，使接收到的电磁波能量有所衰减。当电磁波遇到的障碍物带有静电时，由于自由电子在电磁波磁场中发生受迫振动，受迫的自由电子被看作电偶极子，向外散射电磁波，造成散射场增加，同时自由电子的振动消耗了传播中的电磁波能量，造成电磁波传播过程中的能量损耗[12-13]。带电介质板对电磁波衰减的实验验证了带电量对电磁波传播的影响是增强的，随着带电量增加，对电磁波的衰减量增加。