摘 要

电磁防护材料，顾名思义就是指对电磁波辐射具有屏蔽、引导和吸收功能的一类材料，由材料本身的成分可划分为传统电磁防护材料、频率选择表面材料和过渡族金属氧化物晶体薄膜材料。从材料的环境适应性、工作的频段和带宽等因素考虑，最终还是选择了频率选择表面材料作为本文主要的研究对象。频率选择表面从单元形状来划分，可分为贴片型（带阻）和缝隙型（带通）两种，考虑到在电磁防护中的实用性，本次设计选择缝隙型FSS作为研究内容。

本文基于电磁仿真软件FEKO（FEldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache，任意形状物体的电磁场计算）设计了小矩形缝隙频率选择表面，研究了缝隙宽度对FSS（Frequency Selective Surface，频率选择表面）传输特性的影响，介质基底的介电常数为4.5，损耗角正切值为0.025，厚度为1 mm。FSS单元采用铜作为金属材料，厚度为0.018 mm，缝隙长为9.32 mm，宽度依次设计为0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm，单元周期为15 mm×15 mm。入射角度为0度，TE极化，研究频段8-12 GHz。矩形缝隙宽度为0.4 mm时，FSS的谐振频率为9.48 GHz，带宽为0.6 GHz；缝隙宽度为0.5 mm时，FSS的谐振频率为9.55 GHz，带宽为0.8 GHz；缝隙宽度为0.6 mm时，FSS的谐振频率为9.63 GHz，带宽为0.9 GHz。结果表明缝隙宽度增大，会导致谐振频率增大，同时会增大带宽。通过Floquet定理和矩量法计算得知小矩形缝隙宽度增加时，FSS的谐振频率会增大，仿真结果与计算结果相符。通过仿真学习，设计了一个太赫兹波段的频率选择表面模型，谐振频率为3.75 THz，带宽为0.6 THz，反射系数达到了-25 dB，效果良好。

关键词：电磁防护材料；频率选择表面；FEKO；矩量法

Abstract

Electromagnetic protection material, as the name suggests, refers to the electromagnetic radiation shielding, guidance and absorption of a kind of material, the material itself can be divided into the traditional electromagnetic protection material, frequency selection surface material and transition group metal oxide crystal film material. Considering the environmental adaptability, working frequency band and bandwidth of the material, the frequency selective surface material is finally selected as the main research object of this paper. Frequency selective surfaces are divided into patch type (band resistance) and slot type (band pass). Considering the practicability in electromagnetic protection, slot type FSS is selected as the research content in this design.

Based on the electromagnetic simulation software FEKO, this paper designed a small rectangular gap frequency selection surface, and studied the influence of gap width on the transmission characteristics of FSS. The dielectric constant of the medium base was 4.5, the loss coefficient was 0.025, and the thickness was 1mm. The FSS unit adopts copper as the metal material, with a thickness of 0.018 mm, a gap length of 9.32 mm, a width of 0.4 mm, 0.5 mm and 0.6 mm, and a unit cycle of 15 mm × 15 mm. The incidence Angle is 0, TE polarization, and the research frequency range is 8-12 GHz. When the width of rectangular gap is 0.4 mm, the resonance frequency of FSS is 9.48 GHz and the bandwidth is 0.6 GHz. When the gap width is 0.5 mm, the resonant frequency of FSS is 9.55 GHz and the bandwidth is 0.8 GHz. When the gap width is 0.6 mm, the resonant frequency of FSS is 9.63 GHz and the bandwidth is 0.9 GHz. The results show that the increase of gap width leads to the increase of resonant frequency and bandwidth. According to Floquet theorem and moment method, when the gap width of small rectangle increases, the resonance frequency of FSS will increase, and the simulation results are consistent with the calculated results. Through simulation learning, a frequency selection surface model of terahertz band was designed, with resonant frequency of 3.75 THz and bandwidth of 0.6 THz, and reflection coefficient of -25 dB, with good effect.

Keywords: Electromagnetic protective material; Frequency selective surface; FEKO; Method of moments

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究发展现状 2

1.3 本文研究内容 3

第2章 电磁防护 4

2.1 电磁防护原理 4

2.2 传统电磁防护材料 4

2.3 频率选择表面材料 5

2.4 过渡族金属氧化物晶体薄膜 6

2.5 电磁场仿真软件FEKO简介 7

2.6 小结 8

第3章 基于FEKO的频率选择表面的设计 9

3.1 设计原理 9

3.2 仿真过程 11

3.3 结果分析 17

3.4 设计的结构 20

3.5 小结 22

第4章 总结与展望 23

4.1 本文总结 23

4.2 展望 23

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

在1864年，著名的英国科学家麦克斯韦通过总结前人研究电磁现象的基础，向世人提出了电磁波理论。至此之后，电磁波理论快速发展并且得到了广泛应用。在民用上，人们的衣食住行，样样都离不开电磁波；在军用上，通信、雷达、电子战等等都是基于电磁波理论的。可以说21世纪就是电磁波的世纪。但是，任何东西都是带有两面性的，电磁波理论在带来方便的同时，也带来了许多的问题，比如说电子器件自身产生的电磁波辐射不仅仅会对人体产生危害，当人体长期处于严重的电磁辐射中时，会导致人体的各种机体系统受损，出现记忆力减退、头昏、营养不良，会增大人体患心血管疾病的机率，也会损害其它电子器件，干扰电子器件正常工作甚至能够直接损坏电子器件，还有自然界产生的电磁辐射如宇宙射线、静电、雷电、地磁场、太阳黑子活动等产生的电磁辐射能够在瞬间损坏大规模的电子器件。在军事行动中，命令的发出与接收、士兵以及武器弹药的输送等都依赖于军事电子器件，万一军事电子器件遭受了电磁波辐射，那么损失将会是无比巨大的。在1999年，美国使用了还在实验阶段的电磁脉冲武器，对南联盟进行了轰炸，轰炸的结果就是南联盟部分地区的通信系统严重瘫痪了三小时，这样的结果太过于严重，通信系统不起作用时，只能靠人力来传达各种指令，毫无疑问，这在战争时是致命的。在2001年利马举行的海事与航空展上，俄罗斯展出了名为Ranets-E的高功率微波武器系统，该武器系统能通过可变的射频防御系统对飞机以及制导武器系统进行毁灭性打击，如果没有针对该武器的防护措施，那么飞机和制导武器系统在敌人面前只能被动挨打。Ranets-E使用位于X波段、功率达到500 MW的电磁脉冲发生源，能够产生重复频率为500 Hz、脉宽为10-20 ns的强电磁脉冲，该强度的脉冲在瞬间便能损坏用于实验的电子器件。在2003年伊拉克战争中，美国使用了搭载有电磁脉冲弹的巡航导弹攻击了伊拉克的通信系统，导致伊拉克的通信系统陷入了一片瘫痪^[1]。据英国《每日邮报》报道，在2012年，美国测试了一款由无人机搭载的电磁脉冲弹，导弹向七个目标系统发射强力的电磁脉冲，使试验中所有的计算机等电子器件完全瘫痪。近几十年来，美国、俄罗斯等军事强国在不断发展电磁脉冲武器的同时，也高度重视武器等装备的电磁防护技术的发展，只要研发出来一种武器，就要研发出来适合该武器的电磁防护装备。历史教训告诉我们，落后就要挨打，只有不断进步，紧跟或者超越外国才能安稳发展，所以保护军事电子器件免受或者减轻电磁辐射的干扰是迫在眉睫的问题，电磁防护材料也应难而生。

因为电磁波辐射来自于各个方面，源头上消除电磁波辐射在目前是一项不可能完善的任务，所以要在日益严峻的战场电磁环境中保护好己方的军事电子器件，只有靠安装电磁防护材料才能达到。电磁防护材料顾名思义，就是对电磁辐射污染进行屏蔽、引导和吸收的一类材料，之所以能实现对人员和设备的电磁保护，是因为材料组分或者材料结构能与电磁波之间相互作用，消除电磁环境效应。并且电磁防护材料技术发展十分迅速，种类繁多。由材料本身的成分可划分为传统电磁防护材料、频率选择材料和过渡族氧化物晶体薄膜材料；由材料的防护原理可分为屏蔽材料和吸波材料；由材料防护位置可分为表面涂装材料、缝隙防护材料等；由材料防护对象可分为设备防护材料和人体防护材料^[2]。

1.2 国内外研究发展现状

战场电磁环境日益严峻，传统的电磁防护材料已经满足不了要求，各个国家都在积极研发新品种、功能强大、适应能力强的材料。

虽然我国研究电磁防护材料的时间不长，但是取得的成果不落他人之下。在研究新型电磁吸波材料方面，桂林电子科技大学广西信息材料重点实验室的林培豪等人采用了高温球磨及磁场热处理方法制备出了能增大磁损耗作用并且减弱介电损耗作用的磁性吸波材料^[3]。山东大学的王雯、王成国等人实验研究制备出了三种新型的电磁损耗型碳基复合吸波材料，研究表明加入了Fe和nano-Fe以后，这两种碳基复合材料的输入波阻抗匹配程度得到了有效的改善，它的吸波性能有了显著提升^[4]。在新型电磁屏蔽材料技术上也有卓越成效。上海材料研究所的顾哲明等人选用银粉、环氧树脂以及固化剂制备导电银胶，以不同厚度涂在聚酯膜表面，结果表面该复合材料对中高频磁场有明显屏蔽作用，并且厚度越大屏蔽效能越高^[5]。东北大学的雷开强不仅制备出了PANI/PTT复合导电织物，并在此复合导电织物的表层镀了一层金属镍（NI），制作出了导电性能和电磁屏蔽性能强大的Ni/PANI/PTT电磁屏蔽织物。该复合织物在300 KHz-3 GHz内最大屏蔽效能在9-10 dB左右^[6]。

电磁防护材料技术在有些国家早就备受关注，发展更加迅速。美国3M公司研制出了一款在4-6 GHz内反射率低于5 dB、6-10 GHz内反射率低于10 dB的亚微米级多晶铁纤维吸波涂层。而欧洲GAMMA公司引进了多晶铁纤维吸波涂层技术，成功制得了雷达隐身涂层，经过测试吸收效能最大能达到34 dB，并且已经将雷达隐身涂层技术应用在了飞行器和导弹上^[7]。Hou L等在聚乙烯上镀Cu-Co-P涂层，并且发现在35 ℃时电镀两分钟，能得到最均匀致密的表面涂层，在30 MHz-1000 MHz涂层的屏蔽效果最好^[8]。石墨烯具有良好的导电性以及优越的电磁屏蔽性能，作为理想的电磁屏蔽导电材料被广泛应用在电磁防护材料技术中，Shen B等利用石墨烯优越的性能制作出高含量石墨烯的热塑性聚氨酯（TPU），以它作为导电涂层，以涤纶无纺布作为加强层，研制出了3D锯齿状折叠三维复合材料^[9]。3D锯齿结构能增强屏蔽效能，适量使用了石墨烯和无纺布，所以该材料的柔软性和强力也很好，当频率处于5.4 GHz-59.6 GHz内时它的屏蔽效能SE≥20 dB，屏蔽效果很好。2012年, 美国IBM公司研究中心利用几层石墨烯制成了新的防护材料，防护频段的级别达到了可对兆赫兹和微波，能够有效降低电子器件收到电磁辐射的程度^[10]。

只要人类还在使用电与磁，电磁防护材料就是热门。目前热门的电磁防护新材料有纳米材料、石墨烯、光导纤维和等离子体等，随着更高频段的电磁波被投入实际使用，随着更多的电子器件走进人们生活，电磁环境会变得越来越复杂，我们对电磁防护材料的要求也会越来越高，要求它能实现的功能也更多更强大。

1.3 本文研究内容

本文对给定的三种电磁防护材料进行了调研，比较了材料的优缺点，分析是否适合作为未来战场的电磁防护材料。学习FEKO的基本知识，使用仿真软件FEKO设计了一款缝隙型频率选择表面材料，研究缝隙宽度对传输特性的影响。通过调研，设计了一款工作频段比较新型的频率选择表面。

本论文主要分为五个章节。

第1章是绪论，介绍了电磁防护材料的背景和意义，以及它的近期发展状况。第2章讲述了电磁防护原理，比较分析了传统电磁防护材料、频率选择表面材料和过渡族氧化物晶体薄膜材料的优缺点，选出了适合用于战场的电磁防护材料，并且初步介绍了仿真软件FEKO。第3章节的第一部分是设计原理，第二部分时设计模型的具体操作，第三部分得到仿真结果并分析了缝隙宽度对传输特性的影响，第四部分设计了一款工作频段比较新型的频率选择表面。第4章对全文进行了总结并且展望未来。

第2章 电磁防护

2.1 电磁防护原理

电磁防护就是对电磁波进行屏蔽、吸收和引导，削弱电磁波对人和电子器件的干扰。电磁防护是分对象的，如果防护对象是人，那么电磁防护就是减轻甚至消除电磁波辐射对人体的影响；如果对象是电子器件，那么电磁防护就是吸收、屏蔽和引导掉无效甚至有害频段的电磁波。电磁防护伴随着电磁波的发展而发展，防护材料也从最开始的基本的传统防护材料到运用频率选择表面材料以及过渡族金属氧化物晶体薄膜材料。

2.2 传统电磁防护材料

传统电磁防护材料发展时间较长，对电磁波辐射防护有一定的作用，但是也存在一些缺点。由防护机理可以将传统电磁防护材料分为传统电磁吸波材料和传统电磁屏蔽材料两大类。

传统的电磁吸波材料是指对电磁波起吸收作用的，同时能与电磁波进行干涉作用或者将电磁波的能量转化为热能的一类材料^[11]。由电磁损耗机理可以分为电阻型、磁介质型和电介质型；电阻吸波材料有碳纤维、石墨以及导电高聚物等；磁介质吸波材料有铁氧体、羰基铁和超金属微粉等；电介质吸波材料有钛酸钡和陶瓷等。每一种吸波材料都有其独特的吸波性能，能够对不同频段的电磁波起吸收作用，但是普遍的缺点就是只能吸收单一频段的电磁波，并且带宽比较小，部分吸波材料还存在容易被腐蚀、难以维护的问题。所以未来吸波材料的发展趋势是带宽大、多频吸收、耐腐蚀可维护的吸波材料。

传统的电磁屏蔽材料是将材料表面的电磁波进行反射，从而达到屏蔽电磁波的效果。但是并没有将电磁波引导吸收，会导致电磁波的二次污染。电磁屏蔽材料可以分为以下几种，使用比较方便的、常见的电磁屏蔽涂料，主要用于人体防护的电磁屏蔽织物，还有电磁屏蔽塑料和本征导电高聚物^[12]。电磁屏蔽涂料是由特定的溶剂、合成树脂和导电填料构成，通过喷涂、刷涂等方法涂敷在墙体表面、塑料表面以及一些需要对电磁波进行屏蔽的非金属材料表面上^[13]。电磁屏蔽织物是金属纤维和其他用来纺织的纤维掺和在一起纺织成完整的织物，适用于对人体进行电磁防护，通常可以在电力工人身上见到该类型的织物。电磁屏蔽塑料有两种：一种是利用物理及化学方法在塑料的表层镀上一层非常薄的金属层的表层导电型屏蔽塑料，这种塑料虽然屏蔽性能好，但是不耐用，容易破损，局限性比较高，另一种是填充型复合屏蔽塑料，优势在于成本低，制作简单，使用方便并且局限性低^[14]。本征导电高聚物由于制作难，成本高，并且不实用，通常只出现在实验室内进行研究。总所周知的电磁屏蔽材料有金属和合金材料，此类防护材料主要是制作成完整的外壳，所以重量会比较大，密闭的外壳难以通风降低了电子器件散热性能。所以未来屏蔽材料的发展趋势是密度小、透气好、成本低和强度高的屏蔽材料。

2.3 频率选择表面材料

频率选择表面（Frequency Selective Surface ,FSS）从本质上来说就是一种空间滤波器，能够选择性的透过电磁波^[15]，当频率选择表面有电磁波入射时，会表现出带通或带阻的特性。完整的频率选择表面结构主要由两部分构成，起支撑作用的介质基底，能够加强机械强度，并且对传输特性曲线有一定的影响；拥有选择透过性的二维周期性金属阵列，能与电磁波相互作用，达到选择透过的作用^[16]。

根据金属阵列的单元特性，可以将频率选择表面分为贴片型和缝隙型两大类。贴片型频率选择表面是指形状固定的金属单元贴片在介质基底上以某一个固定的周期大量加载形成的结构，此类结构不能脱离介质基底单独存在。缝隙型频率选择表面也称孔径型频率选择表面，是指以一个固定的周期分布在金属平板上的形状固定的缝隙单元，理论上可以脱离介质基底单独作用，但是它的机械强度比较低，所以在实际研究和生产中，都会把它加载在介质基底表面或者介质基底内部。贴片型频率选择表面在谐振时呈带阻特性，在谐振频率处能够使入射的电磁波完全反射，而在其他频率上呈现不同程度的透射。缝隙型频率选择表面与贴片型频率选择表面互补，在谐振时呈带通特性，在谐振频率处能够使入射的电磁波完全透射，而在其他频率上呈现不同程度的反射。

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