碳纖維材料在強電磁脈沖作用下的屏蔽效能研究

符景皓

（西北工業(yè)大學(xué)倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院 陜西 西安 710072）

0 引言

近年來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備或系統(tǒng)電磁防護能力愈加嚴格。 作為電磁兼容領(lǐng)域常用的一種防護手段，電磁屏蔽技術(shù)在提高敏感電子設(shè)備抗電磁干擾性能的同時，也能夠減弱電磁干擾源具有的輻射能量［1］。 當前，電磁屏蔽性能已成為相關(guān)領(lǐng)域評估電子設(shè)備與系統(tǒng)安全可靠性的重要指標。 且隨著人工智能與通信技術(shù)快速發(fā)展，無人機正在逐步取代有人駕駛飛機執(zhí)行高難度、高強度與高風險任務(wù)。 此時，為充分發(fā)揮無人機的積極作用，制造商致力于降低無人機重量。 玻璃纖維、蜂窩夾層或者碳纖維等材料，在降低無人機重量的同時，還能夠增強無人機強度與抗疲勞能力。 目前，高功率微波武器發(fā)展使得無人機電子設(shè)備面臨的電磁環(huán)境進一步惡化，已成為無人機正常運行的主要威脅。 相較于傳統(tǒng)武器，高功率微波武器在實際應(yīng)用中只是單純消耗電力，具有較高的效費比，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中需要重點防護的威脅。 蒙皮作為無人機第一道防護外來電磁干擾的屏障，需要屏障主要電磁便是高功率微波武器。 而無人機蒙皮的主要用材便是碳纖維材料。 因此，研究碳纖維材料在強電磁脈沖作用的屏蔽效能具有重要的現(xiàn)實意義［2］。 基于此，本文將電子設(shè)備屏蔽設(shè)計與強電磁脈沖防護作為背景，并將無人機蒙皮使用材料——碳纖維材料為主要研究對象，分析碳纖維材料在強電磁脈沖作用的屏蔽效能。

1 電磁屏蔽機理及強電磁脈沖特性研究

電磁屏蔽主要是指不同電子設(shè)備或同一個系統(tǒng)同時間工作時，不會因強烈的電磁輻射對周圍設(shè)備產(chǎn)生影響與干擾，也不會因為其他設(shè)備具有的強烈電磁輻射而影響自身正常工作。 如果正常工作環(huán)境中，電磁輻射使得某一電子設(shè)備或者系統(tǒng)不能正常工作，此時則認為該電磁環(huán)境難以滿足電磁兼容性要求。 其中，電磁兼容性具備三要素，分別是干擾源、傳播途徑以及敏感設(shè)備。 而電磁屏蔽功能是解決電磁干擾問題的有效解決方式，主要工作依據(jù)是切斷干擾源和敏感設(shè)備之間的傳播途徑，阻斷電磁噪聲傳播，確保電子設(shè)備或者系統(tǒng)工作環(huán)境能夠滿足電磁兼容性要求。 具體來說，電磁屏蔽技術(shù)主要是指利用性能良好的導(dǎo)電材料或者導(dǎo)磁材料對反射空間產(chǎn)生的電磁波，抑制干擾電子設(shè)備正常工作的電磁輻射，保護敏感性較強的電子設(shè)備。 通常情況下，電磁屏蔽技術(shù)能夠屏蔽大部分空間電磁輻射［3］。

空間輻射場主要取決于空間輻射源類型以及場地到源點的距離。 為獲得精準的分析結(jié)果，將電磁干擾源分為兩種，一種為可以等效成電偶極子的非閉輻射源，另一種為能夠等效為磁偶極子閉合輻射源。 隨著場地到輻射源的距離不斷增大，輻射源的輻射強度也會發(fā)生改變。 因此，將輻射場劃分為近場與遠場輻射［4］。 對于電偶極子，近場輻射主要以電場分量為主，對于磁偶極子，近場輻射則主要以磁場分量為主。 對于遠場輻射來說，同偶極子的輻射均可以近似為平面波，此時輻射場的電場分量與磁場分量勢均力敵，需要同時考慮。 近場和遠場劃分與電磁波波長有關(guān)，可根據(jù)與輻射源距離劃分。 其中，半徑大于λ／2π 時，為遠場輻射。 當半徑小于λ／2π 時，為近場輻射，λ為波長。

由上述論斷可知，在近場輻射中，對于電偶極子的干擾源，輻射場電場能量大于磁場能力，因此可利用電場屏蔽開展工作。 對于磁偶極子干擾源，輻射場磁場能力大于電場能力，需進行磁場屏蔽。 在遠場輻射中，輻射利用平面波的形式傳播，此時電場能量與磁場能量相等，需利用電磁屏蔽。 通過上述分析將電磁屏蔽分為電場屏蔽、磁場屏蔽以及電磁場屏蔽［5］。

1.1 屏蔽效能計算

屏蔽體性能通常采用電磁場屏蔽性能好壞衡量，利用屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）表示。 因此，快速獲取屏蔽體或者屏蔽材料的屏蔽效能對于系統(tǒng)設(shè)計與整改具有重要指導(dǎo)作用。 然而，隨著強電磁脈沖技術(shù)快速發(fā)展，高功率微波武器對屏蔽材料的屏蔽效能影響較大。 因此對于此類干擾源，需進一步屏蔽。 現(xiàn)實情況中，對于瞬時電磁脈沖屏蔽性能計算主要包括頻域屏蔽效能、時域屏蔽效能兩種。 具體選用哪種方式計算，需根據(jù)評價屏蔽材料性能以及工作環(huán)境或具體防護對象確定。

1.2 屏蔽效能的影響因素

為方便屏蔽體制造和安裝，現(xiàn)實情況中碳纖維材料主要由壁板組裝而成，且各壁板拼接處會留有一定的縫隙。為屏蔽電子設(shè)備或系統(tǒng)的信號傳輸、設(shè)備供電以及系統(tǒng)散熱，屏蔽體可能存在線纜轉(zhuǎn)接板、透光觀察窗等現(xiàn)象。 由此推測，具體部分縫隙會對屏蔽體的屏蔽性能產(chǎn)生影響。此外，為提高屏蔽效能，在實際設(shè)計過程中，運行者需要加固縫隙。 具體操作為在拼接縫隙處加裝導(dǎo)電橡膠和導(dǎo)電螺線管、在散熱窗加裝通風波導(dǎo)、在觀察窗安裝導(dǎo)電玻璃。當確定屏蔽體安裝方式后，屏蔽體屏蔽效能便已確定。

2 碳纖維材料屏蔽效能

隨著電子信息技術(shù)快速發(fā)展，日益嚴重電磁輻射問題，已成為電子設(shè)備安全和人體健康的重要威脅。 作為解決電磁干擾有效防御材料，碳纖維材料屏蔽性能好壞在與結(jié)構(gòu)有關(guān)的基礎(chǔ)上，其自身屏蔽性能亦發(fā)揮著重要作用。 當前，屏蔽體材料需要具有較好導(dǎo)電性，如銀、銅等。 但在航空、航天以及航海環(huán)境下，屏蔽材料除具有導(dǎo)電性外，還需要具有抗腐蝕性、體重輕等特點，但常規(guī)銀、銅等金屬或合金材料難以滿足上述要求。 碳纖維材料具有耐腐蝕強度高、密度小、耐高溫等特點，是屏蔽電磁輻射的首要選擇材料。

作為屏蔽機艙內(nèi)部電子設(shè)備和互聯(lián)線纜防護強電磁脈沖干擾的第一道屏障，纖維材料的電磁屏蔽性能受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。 由于具有力學(xué)性能和電磁特性，碳纖維材料已成為無人機蒙皮首選材料，覆蓋范圍超過機身60%。目前，碳纖維材料雖在無人機上具有廣泛應(yīng)用，但主要目的是替代金屬材料，減輕無人機的重量。 因此，在選擇碳纖維材料時，對于碳纖維材料在強電磁脈沖作用下的屏蔽效能要求較低。 但隨著強電磁脈沖技術(shù)快速發(fā)展與應(yīng)用，無人機面臨的電磁環(huán)境更加復(fù)雜多樣，遭遇的威脅也逐漸增加。 此時，無人機蒙皮的材料不但需降低機身體重，更重要的是需要具備電磁屏蔽性能。 然而，當前對于纖維材料電磁防護特性研究仍舊處于探索階段。 有鑒于此，以無人機蒙皮纖維材料為研究對象，分析纖維材料的電磁屏蔽性能。 圖1 為無人機機身蒙皮纖維材料樣品的實物圖。

圖1 無人機機身蒙皮樣品

通常情況下，無人機蒙皮選用的纖維材料要由基板、碳纖維復(fù)合材料和防護涂層共同組成。 基板一般會用重量輕、強度大的非導(dǎo)電材料換金屬材料，旨在降低無人機重量。 碳纖維則是由上千根單絲組成，且每一根單絲直徑單位是μm，如圖2 所示。 同時，為保護碳纖維材料，無人機蒙皮還在表面噴涂防護涂層。 由此可見，無人機蒙皮電磁防護能力的發(fā)揮主要依托于碳纖維材料。 在具體影響過程中，碳纖維材料鋪層數(shù)量、線束寬度、絲材厚度等因素均影響屏蔽效能。

圖2 碳纖維材料結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述分析，碳纖維材料除需吸收損耗和反射損耗外，仍需考慮碳纖維材料的網(wǎng)孔數(shù)量與面積，以及相鄰孔之間的耦合等參數(shù)，具體計算屏蔽效能的公式為式（1）所示：

式（1）中，A、R、B主要表示吸收損耗、反射損耗以及多次反向損耗；K1、K2、K3表示網(wǎng)孔對電磁屏蔽效能的修正參數(shù)。 經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，碳纖維材料在強電磁脈沖下的屏蔽效能會隨著沖擊頻率的增高而降低，整體的屏蔽效能集中在35～60 dB 間。

3 屏蔽效能測試

測試碳纖維材料屏蔽效能是獲取屏蔽體各個頻段的電磁屏蔽性能，成為本文的研究重點。 將參考碳纖維材料相關(guān)標準，測試碳纖維材料頻域屏蔽效能，根據(jù)最小相位原理和傅里葉變換，測算碳纖維材料的頻域屏蔽效能，并將其轉(zhuǎn)換為時域屏蔽效能。 在上述分析結(jié)果基礎(chǔ)上，分析碳纖維材料時域屏蔽效能和頻域屏蔽效能的關(guān)系。

3.1 測試方法

對于碳纖維材料屏蔽效能的測度，我國對于電磁防護材料頻域屏蔽效能給出詳細的測量方法。 其中，《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》均對碳纖維材料屏蔽效能進行詳細介紹測試方法。 梳理總結(jié)，發(fā)現(xiàn)碳纖維材料的屏蔽效能測試方法是由法蘭同軸裝置法和屏蔽室法組成。 進一步利用屏蔽室法測量電磁防護材料的屏蔽效能。 且《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》規(guī)定了測試頻段、測試頻點、測試距離等內(nèi)容。 因此，在實際測算過程中必須按照標準進行。 表1 為《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》中的不同頻段使用的天線類型。

表1 不同頻段使用的天線類型

實際測試中，每10 倍頻程內(nèi)需至少選擇3 個頻點，同時也要盡可能滿足實際工程或項目的相關(guān)要求。 需要注意的是，測試時應(yīng)該避開屏蔽室自身的諧振頻率。 同時，在測算碳纖維材料屏蔽效能時，需要將接收天線放在屏蔽室內(nèi)，發(fā)射天線放在屏蔽室外，以期降低電磁對測量結(jié)果的影響。此外，屏蔽室內(nèi)部不要放置其他金屬材料，避免對測量結(jié)果產(chǎn)生不必要的影響。 測量時，天線、儀器和其他物體位置需保持不變，且天線距屏蔽材料距離應(yīng)滿足相關(guān)要求。

3.2 測試流程

傅里葉變換作為重要工具，在屏蔽效能的等效中發(fā)揮著重要作用。 因此，基于傅里葉變換及逆變換的基本原理，介紹具體流程。 計算時域屏蔽效能時，對于不同時域的脈沖波形，通過頻域測試獲取屏蔽材料的時域屏蔽效能。 在測度頻域屏蔽效能時，需要借助強電磁脈沖峰值場具有強高這一特點，利用時域測試來獲取頻域屏蔽效能。在此基礎(chǔ)上，頻域屏蔽效能作為屏蔽材料的固有屬性，理論上可以利用任意時域脈沖波形測試輻射，具體處理流程如圖3 所示。

圖3 屏蔽效能流程

4 碳纖維材料應(yīng)用研究

強電磁會通過孔縫進入設(shè)備內(nèi)部，作用于電路板的敏感元器件，進而造成器件燒毀，影響正常工作。 同時，強電磁也會通過線纜進入電路內(nèi)部后，對電路中敏感設(shè)備造成熱損傷。 因此，注重電子設(shè)備的屏蔽作用十分重要。 在具體屏蔽過程中，一般采用金屬編織網(wǎng)屏蔽強電磁。 但由于無人機對重量的嚴格要求使得屏蔽線纜需使用碳纖維材料，這主要是由于碳纖維材料由于重量輕、柔韌性好等特點。 因此，利用MATLAB 編程進行解析計算，研究碳纖維材料在線纜防護中的可行操作具有重要的現(xiàn)實意義。

4.1 線纜耦合理論建模及分析

無人機內(nèi)部線纜布局包含多種類型，如包裹在同一絕緣層內(nèi)多根獨立絕緣的多導(dǎo)體線、兩根等形式。 作為電子設(shè)備或系統(tǒng)中通信、控制以及電力供應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備，線纜是系統(tǒng)中尺寸最長部分，極易受到強電磁脈沖干擾，進而在負載終端產(chǎn)生較大感應(yīng)電壓，對電子設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。 電磁場能量耦合到線纜上主要包括電容性耦合、電感性耦合、電磁耦合三方面。 具化到遠場區(qū)，強電磁脈沖在傳輸線附近可近似為平面電磁波。

4.2 防護性能研究

線纜屏蔽是指利用一層或者多層金屬導(dǎo)體將傳輸線包裹起來，并將屏蔽層與地面線纜相銜接。 同時，屏蔽方式主要將屏蔽層類型作為劃分依據(jù)，具體劃分為編織型屏蔽、波紋管型屏蔽、熱縮管型屏蔽、復(fù)合屏蔽。 通常情況下，屏蔽線纜多采用金屬箔或金屬編織網(wǎng)。 這主要是由于屏蔽線纜防護效果較好，能夠在受到強電磁脈沖干擾時，確保受干擾設(shè)備正常工作。

5 結(jié)語

綜上所述，本文將電子設(shè)備屏蔽設(shè)計和強電磁脈沖防護需求作為背景，并以無人機蒙皮使用材料——碳纖維材料作為研究對象，深入探究碳纖維材料在強電磁脈沖作用的屏蔽效能。 首先，在電磁屏蔽原理基礎(chǔ)上，介紹電磁屏蔽分類和基本原理，探究衡量電磁屏蔽性能的指標。 其次，根據(jù)碳纖維構(gòu)成特點，對導(dǎo)電性進行升級測試。 在此基礎(chǔ)上，進一步深入分析碳纖維材料的鋪層數(shù)量、絲材厚度對屏蔽效能的影響。 再次，在傅里葉變換原理的基礎(chǔ)上，介紹屏蔽效能測試方法和流程。 最后，根據(jù)實際情況，探究碳纖維材料在線纜防護中的應(yīng)用，且通過仿真探究強電磁脈沖下傳輸線長度對終端屏蔽效能的影響。 經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維材料對強電磁脈沖具有較強的屏蔽性能。 同時，由于具有重量輕、耐腐蝕等特點，碳纖維材料在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。