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研究与技术丝绸JOURNAL OF SILK基于法兰同轴测试原理的织物屏蔽效能仿真Fabric shielding effectiveness simulation based on flange coaxial test principle孙㊀娜,徐㊀阳(江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122)摘要:为了在设计阶段更好地预测和评价织物的屏蔽性能,文章采用CST 微波工作室建立了基于法兰同轴测试原理的织物屏蔽效能仿真模型,分析了电磁屏蔽织物两种等效模型的适用范围,并通过织物屏蔽效能测试验证了仿真的准确性㊂结果表明:仿真模型能够模拟法兰同轴装置对试样屏蔽效能的测试过程;网格模型可作为镀银长丝织物的仿真等效模型,且当织物中纱线截面短轴尺寸小于0.05mm ㊁孔径率小于0.30时,织物结构可简化为平板模型;不同嵌织比㊁不同层数的镀银长丝嵌织织物屏蔽效能测试结果与仿真结果在数值和变化趋势上基本一致,平均误差在6%以内,证明采用此仿真模型预测镀银长丝织物屏蔽效能是可行的㊂关键词:法兰同轴法;镀银长丝织物;电磁屏蔽织物;织物模型;电磁仿真;屏蔽效能中图分类号:TS 101.8㊀㊀㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀㊀㊀文章编号:10017003(2023)05005207引用页码:051107DOI :10.3969/j.issn.1001-7003.2023.05.007收稿日期:20220823;修回日期:20230403基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(JUSRP 52007A )作者简介:孙娜(1997),女,硕士研究生,研究方向为功能纺织品㊂通信作者:徐阳,教授,zh 3212@ ㊂㊀㊀电磁屏蔽织物具有柔软㊁质轻㊁强度高等优点,被认为是一种理想的屏蔽材料,广泛应用于电磁兼容和电磁防护等领域[1]㊂衡量电磁屏蔽织物屏蔽效果的重要指标 屏蔽效能(SE ),目前主要通过实验测试获得㊂但由于织物的柔软性和手工操作的偶然性,使得测试结果不稳定,极大地干扰了织物屏蔽性能的测量;此外测试只能在织物生产后进行,设计周期长㊁实验成本高[2]㊂为了在织物设计阶段可以预测其屏蔽性能,进而开发出屏蔽效能好㊁成本低的电磁屏蔽织物,研究科学有效的仿真方法以预测和评价织物的屏蔽性能成为当前的研究重点㊂目前织物屏蔽效能的仿真主要基于屏蔽室法测试原理,通过仿真软件定义织物组织单元周期边界条件,使电场和磁场在样品平面互相垂直分布,从而实现1~18GHz 高频织物结构参数等因素对屏蔽效能影响的分析[3-5]㊂但由于屏蔽室法测试成本高㊁对测试技能要求严格,故而在实际生产和研究中多采用设备成台性好㊁操作简单的法兰同轴法[9]㊂与屏蔽室法不同,法兰同轴法是针对0.03~1.50GHz 的远场电磁环境测试方法,且电磁场在样品平面的分布更为复杂,因此两者对织物屏蔽效能的测试会存在明显差异[6]㊂目前尚无基于法兰同轴法的织物屏蔽效能仿真方式㊂为了更好指导实际生产和研究,本文基于法兰同轴法屏蔽效能的测试原理,采用CST 软件建立织物屏蔽效能仿真模型,探讨电磁屏蔽织物等效模型的适用范围,并通过不同嵌织比㊁不同层数的镀银长丝织物屏蔽效能测试实验,验证仿真模型的有效性㊂1㊀初始模型建立1.1㊀同轴测试原理法兰同轴测试技术基于同轴传输线传输主模横电磁波的原理,由于导体的趋肤效应,电磁波通过同轴夹具的内外导体传播,在样品平面分布如图1所示(S 为电磁波传播方向㊁E 为电场向量㊁H 为磁场向量)[7]㊂测试时,在同轴间夹持待测材料,可以模拟远场环境中材料对电磁波的屏蔽效能测试过程㊂图1㊀法兰同轴装置测试平面的电磁场分布Fig.1㊀Electromagnetic distribution on the test planeby a flange coaxial device1.2㊀同轴测试装置模型建立法兰同轴测试装置结构如图2所示,其中同轴测试夹具包括左右对称且特性阻抗均为50Ω的同轴线,2个同轴接口分别连接信号源和信号接收机,两测试夹具之间放置待测屏蔽材料,屏蔽材料厚度需小于最高测量频率波长的1%,即厚第60卷㊀第5期基于法兰同轴测试原理的织物屏蔽效能仿真度不超过2mm㊂图2㊀法兰同轴装置结构Fig.2㊀Structure of the flange coaxial device使用CST 微波工作室按照标准GJB 6190 2008‘电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法“中给出的法兰同轴装置的实际尺寸建立三维模型,为了仿真方便,忽略法兰结构,将测试装置的左右两部分通过内外导体直接连接㊂在此基础上,增加测量夹具使其满足不同厚度材料的放置,夹具由内外导体两部分组成,尺寸与同轴内外导体尺寸一致,作为法兰同轴的延续体可以在保持同轴良好密封性的同时防止电磁波泄漏,使仿真结果更为准确[8]㊂同轴装置仿真模型如图3所示,模型内外导体及夹具材料设置为理想导体(PEC ),支撑介质材料为聚四氟乙烯(PTFE )㊂由于电磁波只在内㊁外导体之间的空腔内传播,因此可以认为结构被嵌入理想导体内部,故设置边界条件为电边界(等效于理想导体,电场垂直于边界表面)㊁并在同轴接口两端定义激励端口,阻抗均为50Ω,以使能量能够进入和离开理想导体㊂为了确认同轴测试装置的传输性能,根据图3模型,采用频域求解器分别在无试样㊁负载导电试样(电导率1000S /m ㊁厚度0.1mm )情况下进行仿真㊂图3㊀同轴装置仿真模型Fig.3㊀Coaxial device simulation model在无试样㊁负载试样情况下,1GHz 时同轴传输线内电流分布及测试平面的场分布如图4所示㊂当负载高导电试样时,输入的电磁波被试样反射㊁吸收,几乎未透过试样,且输出的电磁波强度较无试样负载时显著降低㊂同时测试平面电场由圆心沿着半径方向传播,磁场沿着平行于圆周的同心圆环分布,与实际测试中试样表面场分布(图1)情况一致,说明该仿真模型能够模拟法兰同轴装置对试样屏蔽效能的测试过程㊂模型仿真的准确性取决于装置的反射情况,通常采用电压驻波比VSWR ㊂VSWR =1+S 111-S 11(1)传输线上相邻的波腹点与波谷点电压振幅之比,其值越接近1,说明装置的反射越小㊁仿真结果越准确㊂图5为无试样负载时装置的电压驻波比结果,可以看出在0.03~1.50GHz 频段,VSWR <1.2,可视为电磁波在同轴装置中无损传输,符合标准中对测试用法兰同轴的技术要求㊂图4㊀同轴装置中的电磁场分布Fig.4㊀Electromagnetic field distribution in the coaxialdevice图5㊀同轴装置的电压驻波比Fig.5㊀Voltage standing wave ratio of the coaxial device2㊀织物模型构建与分析2.1㊀织物模型构建图6(a )所示的电磁屏蔽机织物由经㊁纬两个方向的镀银长丝交织而成,在织物中形成了交叉处连通的导电网络,具有典型的网格结构,而纱线交织处的孔洞对电磁波几乎无屏蔽作用,因此织物的有效屏蔽结构为导电网格结构,故可以将导Vol.60㊀No.5Fabric shielding effectiveness simulation based on flange coaxial test principle电网格结构作为镀银长丝电磁屏蔽织物的等效模型进行理论计算和仿真[9-10]㊂织物网格模型如图6(b )所示,镀银长丝截面被简化为理想矩形㊂k =(w -d )/w(2)式中:k 为孔径率,d ㊁t 分别为截面长轴和短轴尺寸,w 为相邻纱线间距㊂图6㊀织物结构与网格模型Fig.6㊀Structure and grid model of fabrics但当相邻纱线的间距较小时,其耦合作用导致电磁屏蔽织物没有出现明显的电磁泄漏,呈现出与无孔隙的平板材料相近的屏蔽效能,且电磁泄漏与孔径大小㊁深度直接相关[11]㊂因此,当织物孔径率小于某一临界值时不会显著影响其屏蔽效能,织物结构可简化为平板模型,即孔径率k =0的无孔金属板结构㊂㊀㊀平板模型较网格模型结构更加规则,网格划分相对简单,因此将织物结构简化为平板模型进行仿真可极大提高计算速度,但需明确模型的适用范围,以确保仿真结果的准确性㊂2.2㊀织物模型的适用范围分析织物中镀银长丝规格(长轴㊁短轴)的变化会改变模型孔径大小和深度,影响对电磁波的传输与衰减,进而影响织物模型的适用性㊂在实际应用中,镀银长丝直径取决于基体长丝(如涤纶㊁锦纶长丝)直径,其直径大多分布在0.05~0.50mm [12]㊂同时,结合纱线在织物中被压扁这一实际情况,考虑了织物中纱线压扁系数0.65~0.80,最终定义纱线短轴尺寸t 在0.03~0.50mm ㊁长轴尺寸d 在0.08~0.80mm ㊂在CST 中利用Brick (立方体)工具建立不同纱线规格㊁不同孔径率的网格结构模型,定义网格电导率为1.59ˑ105S /m ,将其夹持在测试夹具之间㊂按照1.2对仿真条件进行设置,最后采用频域求解器进行求解计算,得到不同纱线规格下屏蔽效能随孔径率k 变化的仿真结果,如图7所示㊂由图7可知,当t ɤ0.05mm 时,d =0.1㊁0.5㊁0.8mm 的导电网格屏蔽效能均随k 值增大而减小,且在整个孔径率范围内(0~1)可以根据曲线拐点k ᶄ分为2个阶段:第一阶段,当k ɤk ᶄ时,由于相邻导电纱之间的耦合效应较强,通过孔隙的图7㊀不同纱线规格下屏蔽效能随孔径率变化的仿真结果Fig.7㊀Simulation results of shielding efficiency with aperture rate under different yarn specifications第60卷㊀第5期基于法兰同轴测试原理的织物屏蔽效能仿真电磁泄漏并不大,所以不同孔径率下的导电网格屏蔽效能基本一致,且与孔径率为0的平板结构屏蔽效能近似相等;第二阶段,当k>kᶄ时,电磁泄漏带来的衰减效应逐渐增加,屏蔽效能随孔隙率增大而下降㊂图7中kᶄ点孔径率约为0.3,故可取0.3为临界孔径率㊂仿真中,当织物孔径率低于0.3时,织物模型可简化为平板模型;高于0.3,织物模型则采用网格模型㊂当t>0.05mm时,孔径率k为0.1~0.4的不同长轴尺寸导电网格屏蔽效能均高于k=0的导电平板屏蔽效能,此时除了相邻导电纱之间的较强耦合作用外,孔径深度的增加也使孔的波导效应随之增大,波导衰减贡献的屏蔽效能SE wg见下式[13]㊂SE wg=8.687t㊃2πc()c2a()2-f2f<c2a0fȡc2aìîíïïïï(3)式中:c为真空中的光速,m/s;f为入射波频率,Hz;t为孔径深度,m;a为孔径大小,m㊂由式(3)可知,当孔径深度较大且孔径尺寸较小时,波导衰减的影响不能忽略,使较小孔径率的导电网格屏蔽效能在相同厚度的导电平板基础上有所增加,故此时临界孔径率不存在,织物屏蔽效能的仿真等效模型仅为网格结构模型㊂因此在选择织物模型时,只需考虑织物中纱线的短轴尺寸,当tɤ0.05mm时,可取0.3为临界孔径率,根据织物实际孔径率选择平板模型或网格模型㊂3㊀织物屏蔽效能仿真与分析为了验证基于法兰同轴测试原理的织物屏蔽效能仿真模型对不同织物结构的兼容性,本文考虑了嵌织间距和织物层数两个因素,选用电导率为1.59ˑ105S/m的涤纶基镀银长丝织物,建立等效模型,并导入同轴装置仿真模型对其屏蔽效能进行计算㊂织物几何结构参数如表1所示㊂表1㊀织物几何结构参数Tab.1㊀Fabric geometry parametersB镀银长丝/涤纶1︰2嵌织织物C镀银长丝/涤纶1︰8嵌织织物0.190.050.260.27平板0.790.76网格2.370.92网格㊀㊀本文参考GJB6190 2008,采用法兰同轴装置测试织物在0.03~1.50GHz频率的屏蔽效能,为了提高测试的准确性㊁减小误差,对每种织物选取3块不同位置的试样并分别测试5次,取其平均值㊂图8为仿真计算值与实际屏蔽效能对比结果㊂图8㊀三种织物的屏蔽效能仿真和测试结果Fig.8㊀Simulation and test results of the shielding efficiencyof three kinds of fabrics由图8可知,三种织物的实测屏蔽效能与仿真结果在数值和变化趋势上基本一致,平均误差在6%以内,并且误差随着层数和嵌织间距的增加而增大㊂误差的主要原因有以下三方面:一是对织物模型的简化处理,忽视了织物中纱线的屈曲波高,减少了织物内部导电纱线的含量㊂二是模型认为导电纱线各节点之间接触良好(接触电阻为0),而实际存在一定的接触电阻㊂但在两者综合作用下,三种织物的单层实测屏蔽效能与仿真结果误差较小,同时随着层数增加,导电纱线含量带来的影响增大,误差也逐渐增大㊂三是多层织物的叠放Vol.60㊀No.5Fabric shielding effectiveness simulation based on flange coaxial test principle位置差异,仿真中织物模型紧密接触且层间导电网格彼此对齐;而在实验中由于织物的柔软性和叠放的紧密程度差异使得织物之间存在一定间隙,层数越多,产生间隙的可能性越大㊂另外手工操作不免使层间导电网格交错㊁互相导通,且导电纱线嵌织间距越大,网格间的交错㊁导通对其屏蔽效能影响越大,因此最大误差发生在织物层数为3层㊁镀银长丝/涤纶1︰8嵌织时㊂对比图8中的数据可以发现,不同嵌织间距㊁不同层数电磁屏蔽织物的屏蔽效能随频率增大呈现出不同的变化趋势:在单层织物中,织物A的屏蔽效能趋于稳定,而织物B㊁C呈下降趋势,因为随着织物中镀银长丝嵌织间距的增大,所形成的导电网格孔径率增大,因此在较高频率时电磁波对织物的穿透增加,屏蔽效能的下降幅度增加;在多层织物中,由于织物层数的增加,层间孔隙相互遮挡,限制了电磁波的直接通路,减少了电磁波在高频时的穿透,同时材料整体厚度增大㊁吸收损耗提高,且吸收损耗与频率正相关,因此织物A㊁B的屏蔽效能随电磁波频率增大而增大㊂而织物C孔径率过大,织物层间孔隙遮挡效果不明显,因此其屏蔽效能仍呈下降趋势,但下降幅度明显减小㊂不同层数织物屏蔽效能的仿真和测试结果清晰地表明,随着层数增加织物屏蔽效能随之增加,但屏蔽效能的提高率逐渐降低,同时层数增加意味着导电纱线使用量增加㊁生产成本提高㊂为了进一步分析相同导电纱线使用量情况下,织物层数对屏蔽效能的影响,本文以恒定的导电纱线使用量为基准,比较了单层织物A和三层织物B㊁单层织物B和三层织物C的屏蔽效能仿真结果,如表2所示,仿真中三层织物B㊁C交错叠放,使相邻导电纱间距分别与织物A㊁B相同,以消除孔径率的影响㊂由表2可知,在相同导电纱线使用量情况下,增加织物层数可以在一定程度上提高其屏蔽效能,这是由于导电纱线沿电磁波传播方向的分布增加后,增大了材料内部的吸收损耗和多次反射衰减,因此屏蔽效能提高㊂同时导电纱线含量越大,层数增加带来的屏蔽效能增幅越显著㊂表2㊀相同导电纱线使用量,不同层数织物屏蔽效能对比Tab.2㊀Comparison of the shielding efficiency of fabrics with the same conductive yarn usage and different layers单层织物A63.51本文基于法兰同轴法屏蔽效能测试原理,通过CST微波工作室建立了0.03~1.50GHz频段织物屏蔽效能的仿真模型,解决了仅依靠设备测试容易产生较大误差和成本的问题㊂在此基础上,分析了电磁屏蔽织物的两种等效模型的适用范围,并对镀银长丝织物的屏蔽效能进行仿真,得到以下结论:1)织物屏蔽效能仿真计算中,采用导电网格结构作为镀银长丝织物的仿真等效模型,但当纱线截面短轴尺寸小于0.05mm且孔径率小于0.3时,织物结构可简化为平板结构㊂2)不同嵌织比㊁不同层数的镀银长丝织物的屏蔽效能仿真和测试结果均具有较好的一致性,验证了仿真模型对不同镀银长丝织物结构的兼容性㊂3)在相同导电纱线使用量情况下,增加织物层数可以提高其屏蔽效能,同时导电纱线含量越大,层数增加带来的屏蔽效能增幅越显著㊂最后,由于本文仅以镀银长丝织物为例,对于使用该方法预测织物屏蔽性能是否具有普适性,还有待进一步论证㊂‘丝绸“官网下载㊀中国知网下载参考文献:[1]闫鑫鑫,谢春萍,刘新金,等.不锈钢纤维机织物的电磁屏蔽及力学性能[J].丝绸,2018,55(8):29-34.YAN Xinxin,XIE Chunping,LIU Xinjin,et al.Electromagnetic shielding and mechanical properties of stainless steel fiber woven fabrics[J].Journal of Silk,2018,55(8):29-34.[2]LIU Z,WANG X C.FDTD numerical calculation of shieldingeffectiveness of electromagnetic shielding fabric based on warp and weft weave points[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2020,62(5):1693-1702.[3]孙天,张一曲,赵晓明,等.纬编针织物电磁屏蔽效能CST仿真分析[J].材料导报,2019,33(18):3130-3134.SUN Tian,ZHANG Yiqu,ZHAO Xiaoming,et al.CST simulation analysis 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织物屏蔽效能的法兰同轴法和屏蔽室法测试对比研究肖红;唐章宏;施楣梧;王群【摘要】为研究不锈钢织物的屏蔽效能,采用法兰同轴法(30 MHz～1.5 GHz)和屏蔽室法(1～18 GHz、18～26.5 GHz),对样品的屏蔽效能进行了对比测试研究.结果表明,2种不同测试方法和条件下,电磁波的电场分量和磁场分量在样品平面分布显著不同,屏蔽室法可以清晰反映出各向异性织物电磁屏蔽效能的方向性,而法兰同轴法则不能.法兰同轴测试时,对应的电磁波长较长,导致同样尺寸金属纱线排列间距和缝隙孔洞对屏蔽效能的影响不如屏蔽室法明显.只有经、纬向金属纱线排列间距相同,电性能宏观各向同性的电磁屏蔽织物,在2种测试方法下才遵循同样的规律性,且也是经济、有效的屏蔽未知方向电磁波的最佳结构形式.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2016(037)003【总页数】8页(P47-54)【关键词】法兰同轴法;屏蔽室法;屏蔽效能;各向异性【作者】肖红;唐章宏;施楣梧;王群【作者单位】总后军需装备研究所,北京100082;北京工业大学材料学院,北京100022;总后军需装备研究所,北京100082;北京工业大学材料学院,北京100022【正文语种】中文【中图分类】TS106Abstract The electromagnetic shielding effectiveness of a series of stainless fabrics are tested by the flange coaxial method (30-1.5 GHz) and the shielding chamber method(1-18 GHz, 18-26.5 GHz). By the two different testing methods, the distributions of the electric field component and the magnetic field component on the sample surface are obviously different. The shielding chamber method can reflect the directivity of the anisotropy fabrics and the flange coaxial method is disabled. Because the electromagnetic wave length is longer in the flange coaxial method, the same metal fiber distance and the aperture of the same size affects the electromagnetic shielding effectiveness tested by the flange coaxial method less than that by the shielding chamber method. Only the electromagnetic shielding fabrics, with the same metal arrangement spacing in the warp and weft yarn, with macro isotropic electric properties, follows the same regularity tested with two kinds of test methods, and also is the economic and effective optimum structure form to shield the unknown direction electromagnetic waves.Keywords flange coaxial method; shielding chamber method; shielding effectiveness; anisotropy根据电磁波频段不同，材料电磁屏蔽效能的测试方法可以分为3类：1)适合近场环境的测试方法。
屏蔽效能测试系统1系统介绍SEMS是完全符合医院、工业屏蔽环境及军用电子方舱和屏蔽室屏蔽效能测试需求的自动化测试系统。
本系统可自动﹑高速和精确地测试屏蔽环境电磁场的衰减值。
2 应用范围核磁共振屏蔽环境（磁共振现象）EMI/EMC测试屏蔽和暗室环境民用和军用电磁场保护屏蔽室3系统描述屏蔽效能测试系统由一个发射器和接收器组成，标配有一对小天线，一对用于测试磁场衰减值，测试频率范围：2MHz～128MHz。
另外一对天线用于测试电场衰减值，测试频率范围：60～300MHz。
与现行的屏蔽效能测试系统不同，现行得屏蔽效能测试系统只能测试一些频率点，SEMS系统可以持续测试整个频率范围，同时改进系统测试同步性，TX（发射器）和RX（接收器）通过无线系统连接自动测试，降低了使用误差。
3.1 SEMS天线（电磁场频率范围：10kHz～300MHz）一对Mod.L1磁场环天线，覆盖频率范围2～128MHz（或者10kHz的环天线Mod.L2）。
一对Mod.B1磁场锥形天线，覆盖频率范围60～300MHz（或者1MHz的杆天线Mod.R1）。
3.2标准附件（1）SEMS接收器（2）SEMS发射器（3）2个双锥形天线（60MHz～300MHz）（4）2个环形天线（2MHz～128MHz）（5）2个RS232/无线（6）2个电池充电器（7）2.4GHz有源桥（8）2个天线适配器（9）RS232线缆和RS232-USB适配器（10）用户手册和SEMS电脑软件（USB中）（11）携带包3.3其他附件（1）2个环形天线L2，频率范围：10kHz～4MHz（2）2个杆天线R1，频率范围：1MHz～60MHz,外加10dB衰减器 （3）2个木质三脚架，TR-02-A3.4技术参数SEMS频率范围 10kHz～300MHz分辨率 10HzRF输出（TX） 50ΩN头母头最大输出功率（典型） +30dBRF输入 50ΩN头母头VSWR <1.2衰减器 0～20 dB最大输入功率 110dBuV动态范围 120dBIF带宽3dB带宽 5/150Hz衰减值测量精度 10kHz～30MHz ±1.0dB30MHz～300MHz ±1.0dBI/O接口 RS232/无线蜂鸣器 设置衰减等级符合国际标准 MIL-STD-285，IEEE STD 299 EN 50147-1NSA65-6操作温度 0～40℃电池 不可更换的充电Li-Ion电池（6小时操作时间）天线环形Mod.L1 锥形Mod.B1 频率范围：2～128MHz 直径：30cm频率范围：60～300MHz 宽度：35cm校准设置和测量 可编程软件 可选附件环天线Mod.L2杆天线Mod.R1 木质三角架光纤30m 频率范围：10kHz～4MHz 直径：30cm频率范围：1MHz～60MHz 可调高度重量和尺寸总重量 9.4kg箱子尺寸 52×43×23cm4 与传统测试系统的对比4.1 传统测试系统（1）连接同轴线缆连接发射和接受天线（2）电源供电的电源同时必须还要提供仪器链的信号发生器/频谱分析仪电源（3）动力外部放大器增加信号强度，所以，测量动态的（4）连接到PC机PC机必须能自动测量，测试并存储数据（5）测量操作者必须需要两个操作者进行测试4.2 SEMS系统（1）连接SEMS系统的天线直接连接到TX和RX模块，不需要任何线缆（2）电源SEMS系统的TX和RX模块配有可充电电池，可独立工作6小时。
提升同轴电缆屏蔽效能技术
提升同轴电缆屏蔽效能技术
提升同轴电缆屏蔽效能是一项关键技术，可以有效减少电磁干扰，提高数据传输的质量和可靠性。
下面是一种逐步思考的方法，来提升同轴电缆的屏蔽效能。
第一步：选择合适的材料
同轴电缆的屏蔽效能与所选材料的导电性能密切相关。
因此，我们应该选择具有良好导电性能的材料作为屏蔽层。
铝箔和铜箔是常用的屏蔽层材料，其导电性能较好并且可以有效地屏蔽电磁干扰。
第二步：增加屏蔽层的厚度
屏蔽层的厚度对于屏蔽效能也有很大的影响。
一般来说，屏蔽层越厚，屏蔽效能越好。
因此，我们可以增加屏蔽层的厚度，以提高同轴电缆的屏蔽效能。
当然，在选择屏蔽层厚度时也需要考虑成本和实际需求。
第三步：添加屏蔽层的绝缘材料
在屏蔽层和中心导体之间添加一层绝缘材料，可以进一步提升同轴电缆的屏蔽效能。
这一层绝缘材料可以增加电磁波的传播路径，使得外部电磁信号更难以进入同轴电缆中，从而减少干扰。
第四步：优化屏蔽层的接地方式
正确的接地方式对于屏蔽效能也是非常重要的。
我们可以在屏蔽层的两端分别接地，以确保电磁信号能够有效地流回地面，而不会对同轴电缆中的信号传输产生影响。
第五步：避免屏蔽层的损坏
屏蔽层的损坏会直接影响同轴电缆的屏蔽效能。
因此，在使用和安装过程中，我们应该注意避免屏蔽层被损坏。
例如，在铺设同轴电缆时，可以采用保护管或护套等方式来保护屏蔽层免受外界物理损伤。
通过以上逐步思考的方法，我们可以提升同轴电缆的屏蔽效能，减少电磁干扰，提高数据传输的质量和可靠性。
这对于各种需要高质量信号传输的应用来说都是非常重要的。
DR-S02平面材料屏蔽效能测试仪产品手册使用本产品前请仔细阅读本手册；本装置内部为精密机械机构，使用或运输途中切忌猛烈碰撞，以免影响仪器性能；本装置出厂前已调试至最佳性能状态，用户不可随意拆卸，使用如有问题请致电本公司，本公司将提供及时的技术支持与维修服务。
如用户私自拆卸或由于私自拆卸造成的问题，本公司一律不给予提供保修服务。
非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本手册内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。
本手册中的信息可能变动，恕不另行通知。
DR-S02平面材料屏蔽效能测试仪核心部件为完全按照ASTM 4935标准规定的同轴法兰测试装置（DR-S01），结合精巧结构设计，解决同轴法兰装置测试笨重难操作的问题，同时高精密加工的同轴法兰部件在测试频率范围内具有非常小的驻波比和非常低的插入损耗（见附录），有效的保证了测试结果的真实性与准确性；适用于屏蔽织物、金属薄板、非导电材料表面涂层或镀层、金属网、导电膜、导电玻璃、导电介质板等平板型电磁屏蔽材料的平面波屏蔽效能的测量。
适用标准：ASTM 4935、GJB 6190-2008和SJ20524-1995。
主要参数AC220V/ 50Hz 电源≤1dB 插入损耗（IL ）≤1.3（同轴测试装置）最大驻波比（VSWR ）660mm ×420mm ×380mm （H ×W ×D ）外形尺寸N 型接头输入/输出约35kg重量30MHz ～1.5GHz ，（可在9kHz ～3GHz 内使用，最大驻波比不大于2）频率范围说明主要参数装箱单—1产品手册2—1合格证3防震泡沫箱包装1DR-S02测试仪1备注数量名称序号配套选件DC~3GHz ，1W ，6dB 或10dB 2同轴衰减器2根据客户要求定制功能1屏蔽效能测试软件3进口同轴电缆2测试电缆1备注数量名称序号图2 典型插入损耗图1 典型驻波比附录同轴屏蔽效能测试装置的典型驻波比和插入损耗。
屏蔽效能宽带同轴线夹具的优化设计与测试陈翔;陈永光;魏明;罗乐;胡小锋【摘要】为解决现有同轴线夹具测试设备无法满足材料电磁脉冲屏蔽效能时域测试的宽频带要求等问题,在对同轴内外导体尺寸和过渡段进行分析的基础上,使用粒子群优化算法结合电磁场数值分析软件对支撑介质进行了优化设计,研制了一种宽带同轴线夹具测试装置.实测结果表明:所研制的同轴线夹具装置,回波损耗在6.4GHz以下小于-20 dB;将材料屏蔽效能的测试频段上限最低扩展到6.4 GHz的同时,还保证了低频下限可达直流;测试所需的材料试样更小,曲线更平滑.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)004【总页数】6页(P788-793)【关键词】屏蔽效能;同轴线夹具;屏蔽材料;粒子群优化【作者】陈翔;陈永光;魏明;罗乐;胡小锋【作者单位】军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄050003;军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄050003;军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄050003;解放军63893部队,河南洛阳471003;军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄050003【正文语种】中文【中图分类】TM153引言材料电磁脉冲屏蔽效能的测试，是强场作用下的弱信号测量，必然要求测试系统有足够大的动态范围[1-3].在参考现有标准[4]的基础上改进的一些脉冲时域测试方法，如“窗口法”、“试件法”，由于受脉冲场传感器的制约，动态范围有限，而使用同轴线夹具测试方法则能很好地克服这一问题.目前，比较典型的同轴线夹具测试方法有美国材料试验学会(American Society for Testing and Materials，ASTM)的两个标准ES7和D4935，其测试频率上限均为1.5 GHz[6].ASTM ES7的特点是同轴的中心导体连续，其低频下限主要由信号源确定，理论上可到直流.而ASTM D4935特点是测试时内外导体全断开，使用法兰配合塑料螺母夹持材料，依靠测试面的容性电流保持电连接，其频率下限为30 MHz[7].虽然Sarto M S等[8]和Vasquez H L等[9]分别在2006年和2009年，研制了高频上限达8 GHz和13.5 GHz的导体断开同轴线夹具，但其低频性能仍然不足.且ASTM ES7同轴线夹具模拟的情况更接近于无限大平面材料在自由空间的情况，更适合于材料的电磁脉冲屏蔽效能测试.文献[10]使用基于ASTM ES7标准的改进1.5 GHz同轴测试线夹具搭建了时域测试系统，并提出缩小同轴的尺寸来改善其高频性能的建议.本文使用粒子群优化(Particle Swarm Optimization，PSO)算法结合电磁场数值计算软件，设计制作了一种宽带同轴线夹具测试装置，利用矢量网络分析仪搭建了材料屏蔽效能频域测试系统，测量了同轴线夹具的回波损耗(Return Loss，RL)和两种金属织物材料的插入损耗(Insertion Loss，IL)，比较了与使用1.5 GHz改进同轴线夹具的测试结果.1 同轴线夹具的优化设计图1为参考ASTM ES-7标准制作的宽带同轴线夹具测试装置示意图，内导体连续且贯通材料样本中心，构成低频回路，外导体由螺母连接.下面分别从同轴的尺寸、过渡段和支撑介质三个方面进行讨论.图1 宽带同轴线夹具的示意图1.1 同轴的内外导体尺寸为使同轴仅传输横电磁波(Transverse Electric and Magnetic，TEM)模，同轴必须工作在截止频率以下.而TE11模作为截止频率最低的模式，其大小与同轴内外导体的尺寸需满足(1)式中：fc为TE11模截止频率；c0为光速； R1为内导体的直径； R2为外导体的内直径.同轴的阻抗由式(2)确定(2)式中： Z0为同轴阻抗；η0为空气阻抗；εr为填充介质的相对介电常数.为保证同轴线夹具与测试系统其它组件的匹配，取Z0=50Ω.联立式(1)、(2)，得到同轴的尺寸与截止频率的关系式为(3)(4)陈翔等[10]之前进行的材料电磁脉冲屏蔽效能试验中所使用的方波脉冲源，其上升沿大约在300 ps左右，包含有频率很高的成分.为保证同轴工作在TEM模式下，并为设计留有足够的余量，取同轴的截止频率为10 GHz，计算得到R1=5.78 mm，R2=13.3 mm.1.2 过渡段的设计同轴线夹具末端使用N型同轴连接器底座与线缆连接，文中选用L16-50KF连接器，其内导体芯的直径R11=3.04 mm，要保持50 Ω阻抗的连续，则R22=7 mm.同轴尺寸突变的地方会产生不连续阶梯电容，处理不好会导致传输TEM波的强烈反射，影响到同轴的性能.对过渡段的处理方式有渐变式和阶梯式[11]，文中R1/R11=1.90，在内外径之比不大时选择阶梯式过渡，即可通过较短的过渡段满足所需的性能要求，如图1所示.使用CST电磁场仿真软件进行参数扫描，得A=1.64 mm时同轴线夹具的回波损耗最小.1.3 支撑介质的设计支撑介质通常选用介电常数较小的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)，取相对介电常数εr=2.1，厚度d=4 mm.图2为图1中支撑介质部分的局部放大图，支撑介质的引入会改变该处同轴的阻抗.图2 支撑介质示意图为保证同轴的阻抗为50 Ω，按式(5)重新计算同轴的内外径比例，将内外导体设计成图2所示的槽状结构[12].(5)在满足式(5)的条件下，可以得到不同的外导体槽深h2和内导体槽深h1组合，将式(5)重写为(6)得到h2与h1的关系式h2=3.30(R1/2-h1)-R2/2 .(7)设h1=0时的外导体槽深h2=h0，则当外导体槽深时，同轴的回波损耗最小，此时h1=0.66mm.为进一步降低不连续电容，减少在宽频带上的反射，常常在支撑介质与空气交界面上挖一个环形凹槽(图2)，形成小电感来补偿不连续电容.环形凹槽的深度W和宽度L，将直接影响同轴的性能.此外，同轴中两个支撑介质间的距离2(l1-A-B-d)以及支撑介质与外导体直径变化处的距离(A+B)都会影响谐振频点，为削弱这种影响[11]，取2(l1-A-B-d)≥2R2，A+B≥R2.其中，仅有参数B未定，经整理得B的取值范围：R2-A≤B≤l1-A-d-R2，取l1=10mm，l2=40mm.通过前面的分析，还有三个参数需要最终确定，其约束条件分别为B(11.7～21 mm)、L(0.1～3.6 mm)、W(0.1～0.5 mm).使用CST仿真软件对有支撑介质的同轴线夹具进行参数化建模，结合基本PSO算法对三个参数进行优化，使RL(0～10 GHz)的最大值不断变小，直到整个迭代过程完成.取粒子的数目为30，最大迭代次数为15，使用PSO算法寻优，当B=16.44 mm，L=3.42 mm，W=0.46 mm，LRmax=0.023时.图3为对支撑介质进行共面补偿并优化后同轴线夹具在0～10 GHz的回波损耗曲线，在4.2 GHz的时候LRmax=-32.7 dB，相比未经以上优化的同轴线夹具有了很大的改善.图3 优化前后同轴线夹具的回波损耗2 实测试验2.1 宽带同轴线夹具的频域性能测试选用黄铜作为材料，按照上节优化得到的尺寸制作宽带同轴线夹具.使用表1中的矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer，VNA)1与其组成材料屏蔽效能频域测试系统，如图4所示.宽带同轴线夹具1的两端通过转接头与矢量网络分析仪的线缆接头相连.表1 试验设备试验设备型号性能参数同轴线夹具1自制截止频率<10GHz同轴线夹具2实验室购置截止频率<1.62GHzVNA1Agilent:N5230A带宽:10MHz～20GHzVNA2Agilent:E5081A带宽:300kHz～1.5GHz使用VNA1的线性扫频模式测试同轴线夹具1在10 MHz～10 GHz的回波损耗，如图5所示.另外，还使用了表1中的VNA2测量同轴线夹具1的回波损耗，结果表明在300 kHz～10 MHz的回波损耗LR小于-38 dB.综上，该宽带同轴线装置在6.4 GHz以下的LR小于-20 dB(驻波比小于1.2).图4 宽带屏蔽效能频域测试系统图5 宽带同轴线夹具的回波损耗对比图3和图5可发现仿真与实测试验结果有很大的不同.这是由于仿真设计中假设同轴两端为理想状态、阻抗均为50 Ω的源和负载，而实际测试系统中，还需要使用N型同轴连接头、线缆及其转接头等与VNA相连.还有一个重要原因是仿真中假设支撑介质为理想介电常数为2.1的PTFE，而实际使用中的PTFE的电磁参数则并不能很好地控制.此外，零件机械加工的公差以及内外导体制造和装配产生的不同轴等因素.这些都会影响同轴线夹具的性能，最终导致仿真和实测性能的出入.2.2 金属织物的屏蔽效能测试宽带同轴线夹具的夹持材料部分设计如图6所示，内导体一端留有长5 mm、直径3 mm的栓舌，另一端留有与之配合的孔洞，这样可以很好的保持内导体的连续性和径向的定位，外导体则由大螺母连接.试验时仅需准备内径3 mm、外径41 mm的圆环状试样即可，材料厚度不得超过5 mm.图6 同轴线夹具的夹持材料部分下面选用两种不同的金属织物屏蔽材料AM-01和AM-03材料进行测试，使用图4所示的材料屏蔽效能测试系统测得两种材料的插入损耗，结果如图7所示.两种材料的LI值在0～6 GHz相差大约5 dB，在整个频段上的趋势基本一致.图7 两种材料的插入损耗曲线文献[8]已经指出，材料的厚度、介电常数均会影响到插入损耗曲线的谐振频点，进而决定同轴线夹具的可用频率范围.由图7同样可看出，在6.4～10 GHz区间，由于谐振的存在，AM-01的插入损耗值甚至会大于AM-03.为了说明宽带同轴线夹具1相对于同轴线夹具2的改善，使用同轴线夹具2和VNA2组成的材料屏蔽效能测试系统同样对以上两种材料进行了测试，结果如图8所示.可见同轴线夹具1在0～6.4 GHz的范围内测得的材料插入损耗曲线比较平滑，而同轴线夹具2测得的曲线在频段内则有很大的波动.研制的宽带同轴线夹具1在将材料屏蔽效能的测试频段高频最低扩展到6.4 GHz的同时，还保证了低频可达直流(根据信号源而定).6.4～10 GHz的测试数据也可作为参考，能够在一定程度上反映材料在该频段的屏蔽性能.图8 两种同轴线夹具测得的材料插入损耗曲线使用同轴线夹具装置测得的是材料的插入损耗，而插入损耗作为对材料屏蔽效能的估计，是否精确的等价于材料的屏蔽效能，主要取决于材料的电厚度和同轴线的电长度[13-14].取宽带同轴线夹具的频率上限为6.4 GHz，则电薄材料(波长的1%)的厚度不应超过0.47 mm，文中的两种材料完全符合要求.笔者仅对金属织物屏蔽材料进行了测试，对于其它一些材料如导电玻璃、导电薄膜等的适用性还需要进一步研究.文中制作的同轴性能与仿真结果有较大差异，还需要反复改进和试验.如支撑介质可以尝试使用带气孔的支撑介质，以获得更小的介电常数；仿真时将同轴接头底座的引入也考虑到.此外，在满足材料测试动态范围的条件下还可以给同轴线夹具连接上50 Ω的衰减器来更好的匹配整个测试系统.3 结论使用粒子群优化算法结合电磁场数值分析软件对同轴线夹具装置的支撑介质进行了优化设计，使其在宽频带上(0～10 GHz)的回波损耗小于-32.7 dB，得到了宽带同轴线夹具装置的关键尺寸.实测试验表明该宽带同轴线夹具的回波损耗在6.4 GHz以下小于-20 dB，能够在0～6.4 GHz范围内准确评价材料的屏蔽效能，而且所需的材料试样更小，测试曲线更平滑，测试速度更快.参考文献[1] 周璧华，陈彬，高成.钢筋网及钢筋混凝土电磁脉冲屏蔽效能研究[J].电波科学学报，2000，15(3):251-259．ZHOU Bihua，CHEN Bin，GAO Cheng.Study on EMP shielding effectiveness of wire-mesh reinforcement and reinforced-concrete[J].Chinese Journal of Radio Science，2000，15(3):251-259.(in Chinese)[2] 石丹.平面波斜入射到有孔腔体的屏蔽效能分析[J].电波科学学报，2011，26(4):678-682．SHI Dan.Shielding effectiveness analysis of enclosure with aperture irradiated by oblique incident plane wave[J].Chinese Journal of Radio Science，2011，26(4):678-682.(in Chinese)[3] 王建宝，周璧华，杨波.屏蔽室接地位置不同对其屏蔽效能的影响研究[J].电波科学学报，2012，27(1):45-49+65．WANG Jianbao，ZHOU Bihua，YANG Bo.Influence of grounding locations on shielding effectiveness of shielded room[J].Chinese Journal of Radio Science，2012，27(1):45-49+65.(in Chinese)[4] 国防科学技术工业委员会.GJB6190-2008 电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法[S].北京:中国标准出版社，2008．[5] 刘顺坤，韩军，陈向跃.材料电磁脉冲屏蔽效能的时域测量方法[J].核电子学与探测技术，2009，29(6):1456-1460．LIU Shunkun，HAN Jun，CHEN Xiangyue.Method of measurement on material’s shielding effec tiveness 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