Обнаружение электромагнитной волны экранирование неокрашенной ткани из смеси нержавеющей стали волок

Обнаружение электромагнитной волны: Экранирование неокрашенной ткани из смеси нержавеющей стали волокно и хлопок-полиэстер

Введение
Растущее насыщение окружающей среды источниками электромагнитного излучения (ЭМИ) в широком частотном диапазоне вызывает закономерную озабоченность в вопросах электромагнитной совместимости (ЭМС) и потенциального воздействия на живые организмы. Это стимулирует разработку эффективных, гибких и технологичных экранирующих материалов. Ткани с интегрированными проводящими волокнами, такие как смеси нержавеющей стали и хлопка/полиэстера, представляют собой перспективный класс материалов благодаря сочетанию экранирующих свойств, воздухопроницаемости и удобства в использовании. Данная статья описывает методику и результаты испытаний по обнаружению и оценке эффективности экранирования (ЭЭ) неокрашенной ткани, изготовленной из смеси волокон нержавеющей стали и хлопка/полиэстера.

1. Объекты испытаний

Основным объектом исследования являлась неокрашенная ткань полотняного переплетения, изготовленная из смесовой пряжи. Состав смеси:

• Волокна нержавеющей стали: Тип AISI 316L (или эквивалент), диаметр микрометрового диапазона. Массовая доля в ткани составляла X% (конкретное значение зависит от исследуемого образца, например, 10%, 20%, 30%).
• Хлопок: Натуральное волокно, обеспечивающее комфорт и гигроскопичность.
• Полиэстер (Полиэфир): Синтетическое волокно, повышающее прочность, износостойкость и стабильность формы ткани.

Образцы ткани представляли собой квадратные полотна размером не менее 150x150 мм, что соответствует требованиям стандартных методов измерения ЭЭ в коаксиальной линии.

Для сравнения использовались:

1. Контрольный образец 1: Ткань из 100% хлопка/полиэстера (без стальных волокон).
2. Контрольный образец 2: Сплошной металлический лист (алюминий или медь) аналогичного размера (эталон полного экранирования, ЭЭ ≈ 100 дБ).
3. (Опционально) Образцы ткани с другими массовыми долями стальных волокон или иным типом переплетения.

2. Область испытаний

Испытания были направлены на обнаружение прохождения электромагнитной волны через исследуемый материал и количественную оценку его экранирующей способности в следующей области:

• Частотный диапазон: От 300 МГц до 3 ГГц. Этот диапазон охватывает частоты, характерные для множества устройств связи (мобильная телефония 2G/3G/4G/5G, Wi-Fi 2.4 ГГц и 5 ГГц, Bluetooth), бытовой электроники и промышленного оборудования. Он также регламентируется стандартами по электромагнитной совместимости и безопасности.
• Поляризация волны: Измерения проводились для нормально падающей плоской волны. Влияние угла падения и поляризации может быть предметом отдельных исследований.
• Величина измерения: Основной измеряемой величиной являлась Эффективность Экранирования (ЭЭ, SE - Shielding Effectiveness) в децибелах (дБ). ЭЭ определяется как отношение мощности электромагнитной волны, падающей на материал (P_inc), к мощности волны, прошедшей через него (P_trans): SE (дБ) = 10 * log₁₀(P_inc / P_trans). Чем выше значение ЭЭ в дБ, тем лучше материал экранирует излучение. Также косвенно оценивались механизмы экранирования: отражение (R) и поглощение (A).

3. Методы испытаний

Для обнаружения прохождения ЭМ волны и измерения ЭЭ использовались два стандартных метода, признанных в материаловедении и ЭМС:

1. Метод коаксиальной линии (ASTM D4935-10 / EN 61000-4-21):

   • Этот метод предназначен специально для измерения ЭЭ плоских материалов в диапазоне от 30 МГц до 1.5 ГГц (современные установки могут достигать 6-8 ГГц).
   • Образец ткани помещается между фланцами коаксиального держателя, заменяя собой внутреннюю перегородку. Прибор измеряет параметры рассеяния (S-параметры), а именно коэффициент передачи S₂₁ (или S₁₂).
   • ЭЭ рассчитывается напрямую из измеренного S₂₁: SE (дБ) = -20 * log₁₀(|S₂₁|).
   • Преимущества: Хорошо воспроизводит условия нормального падения плоской волны, относительно прост в установке и калибровке, подходит для тонких материалов.
   • Недостатки: Ограничение по размеру образца (диаметр обычно 133 мм), верхний частотный предел определяется модами высших порядков в линии.

2. Метод с использованием двух фланцевых рупоров (ASTM ES7 / EN 61000-4-21 - метод в свободном пространстве):

   • Применялся для расширения частотного диапазона измерений, особенно в области выше 1 ГГц вплоть до 3 ГГц и более.
   • Передающая и приемная рупорные антенны устанавливаются друг напротив друга на заданном расстоянии, формируя квазиплоскую волну в зоне испытаний (Far Field). Образец ткани помещается на пути волны между антеннами на специальной неметаллической рамке.
   • Измеряется мощность сигнала без образца (P_ref) и с образцом (P_sample).
   • ЭЭ рассчитывается как: SE (дБ) = 10 * log₁₀(P_ref / P_sample). Для большей точности учитываются потери в тракте и многолучевые интерференции.
   • Преимущества: Позволяет работать с более крупными образцами, измерять в более широком частотном диапазоне (включая СВЧ), потенциально исследовать угловую зависимость.
   • Недостатки: Требует экранированной камеры (безэховой или полубезэховой) для минимизации внешних помех и отражений, более сложная калибровка и учет краевых эффектов образца.

4. Испытательное оборудование

Для реализации описанных методов было использовано следующее оборудование:

1. Векторный анализатор цепей (VNA): Ключевой прибор для измерения S-параметров в методе коаксиальной линии и комплексного коэффициента передачи/отражения в методе с рупорами. Имеет рабочий диапазон от 300 МГц до 6 ГГц (или шире).
2. Коаксиальный держатель для измерения ЭЭ: Специальная коаксиальная линия с фланцами, соответствующая требованиям стандарта ASTM D4935-10. Типичный диаметр апертуры - 133 мм.
3. Рупорные антенны: Пара согласованных рупорных антенн, покрывающих необходимый частотный диапазон (например, двойные рупора 0.7-3 ГГц). Устанавливаются на штативах или позиционерах.
4. Экранированная камера (Полубезэховая камера или Камера ЭМС): Обеспечивает контроль электромагнитной обстановки и минимизацию внешних помех и внутренних отражений во время измерений методом рупорных антенн. Стены камеры покрыты поглощающим материалом (пирамидальные или клиновидные ферритовые/углеродные поглотители).
5. Источник сигнала и приемник: При использовании метода рупорных антенн без VNA (что встречается реже) могут применяться отдельные генератор СВЧ-сигналов и спектральный анализатор или измеритель мощности. Однако VNA является более универсальным и точным решением.
6. Калибровочные наборы: Наборы для калибровки VNA (короткое замыкание, холостой ход, согласованная нагрузка 50 Ом) и для калибровки держателя коаксиальной линии по стандарту.
7. Неметаллическая рамка: Для фиксации образца ткани в зоне измерения между рупорными антеннами, исключающая его провисание и искажения.

Заключение
Представленная методика испытаний позволяет надежно обнаруживать прохождение электромагнитных волн через исследуемую ткань из смеси нержавеющей стали, хлопка и полиэстера и количественно оценивать ее экранирующую эффективность в широком частотном диапазоне, представляющем практический интерес. Использование стандартизированных методов (коаксиального и фланцевого рупорного) обеспечивает воспроизводимость и достоверность результатов. Полученные данные об ЭЭ являются критически важными для определения применимости данной ткани в качестве гибкого экранирующего материала в специализированной одежде, защитных чехлах, текстильных экранах для помещений и других областях, где требуется контроль электромагнитного поля.