含不锈钢纤维机织物电磁屏蔽机理及其效能的仿真研究

李奇军等：含不锈钢纤维机织物电磁屏蔽机理及其效能的仿真研究　文章编号：１００１—９７３１（２０１３）１４—２０４１－０６　

含不锈钢纤维机织物电磁屏蔽机理及其效能的仿真研究　

李奇军　，刘长隆　，周　明　，高传玉　，张　伟。　

（１．江苏大学机械工程学院，江苏镇江２１２０００；２．清华大学精密仪器与机械学系，北京１０００８４）　

摘　要：　依照电磁屏蔽理论，介绍了金属织物电磁屏　

蔽的机理。在此基础上，利用多物理场耦合分析软件　

ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ，建立三维仿真模型，分析了不　同电磁波极化方向、不同半径和不同嵌织间距的奥氏　

体３０４不锈钢长丝，在不同辐射频率下对织物屏蔽效　

能的影响。仿真结果表明，极化方向、半径大小、嵌织　

间距和频率，对屏蔽织物都有显著的影响，这对不锈钢　

长丝防电磁辐射织物的开发和设计提供理论依据。　

关键词：　不锈钢纤维；屏蔽效能；趋肤深度；嵌织间　距；仿真　

中图分类号：ＴＢ３１；ＴＰ３１９；Ｏ４４１　文献标识码：Ａ　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１３．１４．０１５　

１　引　言　

随着科技的发展，各种电子电器设备被广泛应用　

于人们的生活中。电话、电脑、微波炉、打印机，成了人　们生活中不可缺少的部分。然而，这些设备在工作时　

都会产生一些辐射对人体造成伤害。世界卫生组织　

ｗＴ（）指出辐射会对人体造成生物效应［１］。当电磁波　

辐射在人身体上时，会促使人体分子运动，从而产生热　

量。由于这些热量不能及时地散发，像眼睛对电磁波　比较敏感的器官将受到严重的伤害　］。同时电磁波将　

阻碍ＲＮＡ和ＤＮＡ的再生，引起非正常化学反应，导　

致癌细胞产生，增加白血病和癌症发病几率　］。因此，　

电磁屏蔽变得非常重要。对于电磁屏蔽服的研究，大　

多数是以实验为基础，Ｃｈｉｎｇ　ｌｕａｎ　Ｓｕ¨３］、Ｈｕｓｅｙｉｎ　Ｇａｚｉ　

Ｏｒｔｌｅｋ等　］，文珊　］、王琴云等　对影响不锈钢纤维织　

物电磁屏蔽效果各因素进行了详细研究，凌明花　］、吴　

行等　在织物表面用化学镀或涂层的方法研究了织物　

的屏蔽效能。目前很少有人在仿真方面做过系统的分　

析，张丽丽等　用仿真软件ＡＮＳＯＦＴ　ＨＦＳＳ仅分析了　

极化方向对屏蔽效能的影响，曲宝龙等　用有限元方　

法分析了纤维复合材料电磁屏蔽效能。本文首先分析　了金属织物的屏蔽原理，然后以不锈钢长丝为原料，建　

立网状三维防屏蔽服仿真模型，可直接定义材料的电　

磁属性，获得屏蔽效能值，通过仿真系统分析了不锈钢　半径、嵌织间距、电磁波的极化方式，在不同频率下对　

屏蔽效能的影响，以期为不锈钢长丝防电磁辐射织物　

的开发和设计提供理论依据。　

２金属织物的电磁屏蔽原理　

电磁屏蔽，实际上是为了限制从屏蔽材料的一侧　

空间向另一侧空间传递电磁能量，通常用屏蔽效能　

（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）ＳＥ来表示。屏蔽效能定义为　

空间某点上未加屏蔽材料时的电场强度Ｅ　（或磁场强　

度Ｈ　或功率Ｐ　）与加屏蔽材料后该点的电场强度Ｅ　（或磁场强度Ｈ　或功率Ｐ　）的比值的对数如式（１）所　

刀　：　Ｆ　ＳＥ一２０　ｌｇ（　）　（ｄＢ）　ａ　Ｈ　ｓＥ一２０　ｌｇ（　）　（ｄＢ）　（１）　ａ　ｓＥ＿１Ｏ　ｌｇ（鲁）　（ｄＢ）　

依据Ｓｃｈｅｌｋｕｎｏｆｆ电磁屏蔽理论［１　，电磁波传播　

到屏蔽材料表面时，通常有３种不同的机理进行衰减：　

（１）人射表面的反射衰减；（２）未被反射而进入屏蔽体　

材料的吸收衰减；（３）在屏蔽体内部的多次衰减。电　

磁波通过屏蔽材料的总的屏蔽效能可按式（２）计算：　

ＳＥ—Ａ＋Ｂ＋Ｒ　（２）　

式中，ＳＥ为电磁屏蔽效能（ｄＢ），Ｒ为电磁波到达　

屏蔽体表面时，阻抗的突变引起的电磁波单次反射损　

耗；Ａ为被屏蔽体表面反射而进入屏蔽材料内部的电　磁波，不断被屏蔽材料吸收和衰减而引起的电磁波吸　

收损耗；Ｂ为在屏蔽材料内部尚未损耗掉的电磁波在　

屏蔽体的两个界面问多次反射而引起的电磁波多次反　

射损耗修正项。当Ａ在１０ｄＢ以上时¨ｌ　，Ｂ可忽略不　

计。此外，还应涉及单位面积内网孔数的修正系数、低　

频穿透修正系数、邻近网孔间相互影响的修正系数等，　共有６项因子组成可写成方程口　：　

ＳＥ—Ａ＋Ｂ＋Ｒ＋Ｋ　４－Ｋ。４－Ｋ。　（３）　下面对影响屏蔽效能的因素逐一分析。　

＊基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２０１１ＣＢ０１３００４）；国家自然科学基金资助项目（５０９７５１２８）；清华大　学摩擦学国家重点实验室重点资助项目（ＳＫＬＴ１ＯＡＯ２）　收到初稿日期：２０１２—１１－１５　收到修改稿日期：２０１３－０２—１８　通讯作者：周　明　作者简介：李奇军（１９８８一），男，山东济宁人，在读硕士，师承高传玉、周明教授，从事网络化制造和超快超强激光材料物理　研究。

　２ｏ４２　助　材　料　２０１３年第１４期（４４）卷　

（１）吸收损耗Ａ与丝网的孑Ｌ形状有关，对于矩形　

孔：　

Ａ　７．。　）　

其中，ｄ为孔的深度，单位ｃｍ；Ｗ为与入射场垂直　

的矩形孔宽边长度，单位为ｃｍ。　

（２）反射损耗取决于孔内波阻抗和入射波阻抗的　

比值，对于矩形孔丝网有：　

Ｒ＿２０　ｌｇ（　）　（５）　

其中，Ｋ一６．６９×１０＿。‘厂ｗ，厂为场源的频率　

（ＭＨｚ）；Ｗ为矩形的宽边长度（ｃｍ）。　

（３）多次反射损耗：　

Ｂ　ｌｇ　Ｘ　１０（Ａ／１　０）］（６）　

在频率较高的情况下，多次反射损耗计算后的值　

极小，可以忽略不计。　

（４）单位面积内网孔数的修正系数为Ｋ　：　Ｋ１一一１０　ｌｇ（ａ＊　）　（７）　

式中，ａ为每个网孔的面积（ｍ。）；”为每平方米内　的孔数（孔数／ｍ。）。　

（５）低频穿透修正系数Ｋ。：　

Ｋ。一一２０　ｌｇ（１＋３５ｐ　・。）　（８）　

式中，Ｐ为金属网丝的直径／趋肤深度。在高频情　

况下，低频穿透修正系数Ｋ。很小，成形后该项值仍　

可以视为０。　

（６）邻近窗孔相互耦合修正系数为Ｋ。：　

Ｋ。一２Ｏ　１ｇ［ｃ。ｔｈ‘　］　（９）　

３　仿真分析　

利用多物理场耦合分析软件ＣＯＭＳＯＩ　Ｍｕｌ　

ｔｉｐｈｙｓｉｅｓ，建立电磁屏蔽布的三维模型。本模型对实　

际的导电织物进行了如下简化：（１）模型认为金属网　各节点之间接触良好，接触电阻为０，而实际金属混纺　

织物存在一定的接触电阻；（２）模型中假设金属网由　

无限长金属丝构成，而导电织物中的金属纤维网是由　

长度有限的纤维丝构成；（３）模型假定金属网网格间　

距为定值，而金属混纺织物由于工艺条件等并不都为　定值。为了避免入射和出射端面产生反射对屏蔽效能　

造成影响，采用求解散射场方法，定义背景场，两端用　

完美匹配层（ＰＭＩ　）。完美匹配层可以充分吸收任意　方向的电磁波　Ｊ。模型大小ｌｍｍ×１ｒａｍ×１８ｍｍ，　

ＰＭＩ　的高度４ｍｍ，为了减少计算机内存和提高计算　效率，两边分别采用连续的周期边界条件，模型如图１　

所示。ＣＯＭＳＯＩ　可以直接在全局里面定义电磁屏蔽　ｌ　Ｄ　ｌ　Ｉ　Ｄ　Ｊ　Ｉ　ｎ　ｌ　效能值，ＥＭＳＥ一１０　１ｇ（　＿＿二『＿　），单位　Ｉ　ｔ　ｌ　为分贝（ｄＢ）。透射功率Ｐ　，反射功率Ｐ　和吸收损耗　Ｐ。分别由出射端总场能流、入射端散射场能流和不锈　

钢丝电磁功率损耗密度积分算出。本文选用电导率为　

１．１２ｅ６Ｓ／ｍ，相对介电常数和相对磁导率都为１的奥　氏体３０４不锈钢长丝为屏蔽材料。逐个分析了半径、　

电磁波极化方向，嵌织间距在不同频率下对屏蔽效能　

的影响。　

图１　仿真模型　

Ｆｉｇ　１　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　

３．１　半径对屏蔽效能的影响　

为了系统地研究奥氏体３０４不锈钢长丝半径对屏　

蔽效能的影响，实验设计４组不同半径的仿真模型试　样。模型中不锈钢长丝经纬向问隔均为１ｍｍ。在背　

景场中激励平面波，沿着　轴方向传播，为了更真实模　

拟现实中的电磁波，电场在　和　方向同时极化。考　

虑到趋肤深度，不锈钢丝的网格剖分要尽可能的密，　

ＰＭＩ　一般剖分４～６层，网格剖分图如图２所示。　

，，ｌｙ　（ａ）模型的网格剖分　ｘＬｚ　ｌ。】俣型网　穑剖　

图２　模型和不锈钢丝的网格剖分图　Ｆｉｇ　２　Ｔｈｅ　ｍｅｓｈ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　

Ｗｌｒｅ　在３００ＭＨｚ￣３ＧＨｚ频率下，得到屏蔽效能如图３　所示。由图３可知，在相同半径下，随着频率的逐渐增　

大，屏蔽效能不断减小，主要原因是不锈钢长丝构成的　每个网眼均可看作一段小波导管，这样的金属网存在　

一个截止频率（与网眼的几何尺寸有关），在频率向截　止频率靠拢的过程中，电磁波通过金属网的数量在增　

加，使得屏蔽效能降低，当电磁波的频率高于截止频率　时，电磁波可以自由通过，屏蔽效能为０ｌ】　。从图３还　

可以得出，在相同的频率下，屏蔽效能随着半径的增大　助　磊美　曹孝　斟　２０１３年第１４期（４４）３ｉ￣　

而在频率为３ＧＨｚ时，半径０．０１和０．０５ｒａｍ的不　锈钢丝的截面均大于趋肤深度，电磁波不能够穿透，因　此二者的屏蔽效能相差不大。不锈钢丝的截面在大于　

趋肤深度时，随着半径的增加，屏蔽效能增加的趋势趋　于平缓。除此之外，随着半径的增大，织物的电阻减　少，电导率增大，反射衰减增大，屏蔽效能增加。　

３．２极化方式对屏蔽效能的影响　本文模型选用半径为０．０３ｍｍ奥氏体３０４不锈钢　长丝模拟了以下４个规格的试样，径向间距都为　

１ｍｍ，纬向间距分别为０．５、１、２、ｏｏ　ｍｍ。规格Ｓ１：１　

×０．５ｍｍ，Ｓ２：１×１ｍｍ，Ｓ３：１×２ｍｍ，Ｓ４：１×∞ｍｍ。　ｓ４表示不锈钢丝仅分布在径向上。　为了减少网格剖分的数量，提高计算效率。本文　模型不锈钢长丝使用阻抗边界条件。这对于尺寸大于　趋肤深度的情况下是允许的。在３００ＭＨｚ￣３ＧＨｚ频　

率下，分别采用水平极化波和垂直极化波进行仿真，结　果如图６所示。　

０　．５　频率ＩＨｚ　图６　水平极化波和垂直极化波下的屏蔽效能　

Ｆｉｇ　６　Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ａｔ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　

由图６可知，在水平极化波下，试样的屏蔽效能几　乎是一样的，而在垂直极化波下，在相同的频率下，随着　纬向间距的增大，屏蔽效能逐渐减小。试样Ｓ４的屏蔽　效能为零。屏蔽效能与不锈钢丝网的感应电流大小成　

正比，感应电流越大，吸收损耗和反射损耗就越大，屏蔽　效能就越高。为了直观地看到极化方式与感应电流的　

关系，在频率３００ＭＨｚ下，截取ｓ２中不锈钢网状感应电　流的三维图，如图７所示。图７中箭头方向表示感应电　流的方向，大小表示感应电流的强弱，从图７可以看出，　在水平极化波下，感应电流主要分布在径线方向，在纬　

向的感应电流极小，而垂直极化波下，感应电流主要分　布在纬线方向，径向感应电流极小。试样Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４　

径向间隔一样，因此在水平极化波下，屏蔽效能几乎不　变，在垂直极化波下，试样在纬向的间隔逐渐增大，屏蔽　

效能逐渐减小，当纬向没有不锈钢丝时，屏蔽效能为零。　这和文献Ｅ４３的实验结果有很好的一致性。　

图７　水平极化波和垂直极化波下的感应电流　

Ｆｉｇ　７　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｔ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ