织物基频率选择表面材料的制备及应用

关福旺，肖 红，施楣梧, ，王府梅

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.总后勤部军需装备研究所，北京 100010)

织物基频率选择表面材料的制备及应用

关福旺1，肖 红2，施楣梧1, 2，王府梅1

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.总后勤部军需装备研究所，北京 100010)

通过分析传统频率选择表面的研究现状，阐述了研究新型织物基频率选择表面材料的必要性。采用导电胶涂层印花的方法制备了圆环形织物基频率选择表面样品，在18～26.5 GHz频段采用屏蔽室法测定其透射系数，对比分析了圆环内径、金属层导电性、涂层厚度对电磁波透射的影响规律。相关实验结果证实研究织物基频率选择表面材料的可行性与有效性。将实测与仿真结果作对比发现，传统的设计手段在一定程度上也适用于织物基频率选择表面材料。基于频响特性及纺织材料质轻、柔软、低刚度的特性，探讨了织物基频率选择表面材料在吸波材料、电子织物天线、通信窗等领域的应用前景。

频率选择表面；透射系数；频响特性；电磁功能织物；金属化工艺

电磁波在传输时携带信息和能量，使其在通信、遥感、空间探测等诸多军事和民用领域得到了广泛应用，但与此同时也会给人类带来危害。已有较多文献系统地研究了电磁屏蔽的标准、技术及产品[1-3]。对于个体防护而言，电磁防护服无疑是最后一道防线，经过多年的研究发展，已出现了导电高分子涂层或表面镀覆金属的纤维及织物、含金属纤维或金属化纤维的织物产品，研究思路是通过金属化手段使纺织品成为连续致密的导电体，获得类似导电板材或膜材的屏蔽效能[4]。然而，纺织品的使用优势主要体现在其质轻、柔软、透气透湿等方面，尤其穿着用纺织品，因此通过增加导电体含量提高屏蔽效能与保持纺织品舒适性成为了不可调和的矛盾，严重制约了其应用前景，急需设计和开发兼具2种特性的新型电磁屏蔽纺织品。

事实上，由于织物表面粗糙不平，经纬纱交织有一定的密度，利用传统工艺制备的镀覆金属或者含金属纤维混纺的织物并不可能和金属板材完全相同，表面或内部均具有细微的孔洞结构，但是相邻导电体的间距较小，其耦合作用导致电磁屏蔽纺织品没有出现明显的电磁泄露，呈现出较理想的屏蔽效能[5]。相关学者在探讨电子设备间的电磁干扰问题时，对具有孔洞缝隙的金属板材的屏蔽效能做了估算发现，电磁泄露与孔径类型、尺寸及排列方式有关，且不同频段的电磁泄露值不同[6-7]，因此，开孔在满足一定条件时不会显著影响良导体板材的电磁屏蔽效能，尤其是针对特定频段的屏蔽。

适当增加开孔结构，减少使用金属材料的质量，亦可使电磁屏蔽效能达到要求，这一发现将为电磁屏蔽织物的研究带来新方向。纺织品具有特有的周期结构，因此研究周期性开孔的电磁防护面料的屏蔽效能显得更为重要，相关研究需深入了解电磁波与孔洞结构相互作用的机制。在物理学中，存在一类结构是频率选择表面(frequency selective surface,FSS)，它是由周期性导电单元构成，可选择性地屏蔽电磁波，而被屏蔽波的频率与周期导电花型的几何参数密切相关[8]。依据电磁屏蔽纺织品的使用环境，通过合理的优化设计，将纺织品加工成类似FSS的结构，基本可实现传统的电磁屏蔽效能。

以改善传统电磁屏蔽面料的舒适性为出发点，可将具有几何孔洞特征的FSS应用于柔性织物。实际上，采用不同种类及结构参数的FSS可分别实现带通、带阻、高通或高阻的特性，对不同频段的电磁波作用并非单一，故广谱电磁屏蔽只是其中的一种作用形式[8]。如果把织物基FSS作为电磁场中的一类介质，起到空间滤波器的作用，有效地调控电磁波的传输，这将打破单一电磁屏蔽的局限，并拓宽电磁功能纺织品的应用范围。长期以来，以柔性纺织材料为载体的FSS研究甚少，而相较于致密刚性板材，纺织品柔软、质轻、易弯曲等特点也将使其在特定领域有较好的使用优势。

本文介绍了FSS的研究基础，采用涂层印花实验实现了圆环形织物基FSS，并对其电磁波透射特性测试分析，得出相关结论。综合频率选择特性与纺织品固有特点，探讨织物基FSS的应用前景。

1 FSS的研究基础

设计和开发织物基FSS，需要深入地了解FSS的基本概念和性能，有效地掌握设计准则和成形方法，全面地总结现有织物基FSS的研究情况。以传统FSS研究为基础，可对织物基FSS的设计和开发提供理论参考和技术指导。

1.1 FSS的基本特性

FSS是由周期性排列的导电贴片单元(贴片型)或者在导电屏上周期性排列的开孔单元(透孔型)构成，它的透射及反射特性表现为电磁波频率的函数，具有调控电磁波传输的能力。2种类型FSS与电磁波相互作用，分别表现出带阻或带通的特性，如图1所示。传统的FSS是典型的二维电磁周期结构，但广义的FSS也包含了一维和三维阵列结构[8]。

图1 2种FSS透射曲线Fig.1 Transmission curves of two kinds of FSS.(a) Patch FSS; (b) Aperture FSS

FSS在可见光、红外、微波段均有应用，经常被用到雷达天线罩、多频段天线的副反射面、远红外频段下的极化器、光束分离器、红外频段下的滤波器等[9]。

1.2 FSS的研究现状

1.2.1 FSS的设计及成形方法

麦克斯韦方程揭示了物质的电磁参数能够决定电磁波的传输特性，而决定FSS电磁参数的因素，如单元形状及尺寸、单元间距、单元导电性等也基本确定了宏观的电磁波透通特性，另外介质基体加载、电磁波入射角度及极化方式等也会产生影响[8-9]，因此FSS的设计要解决的是找寻方法确定各结构参数和物理参数。

关于FSS的设计，除参照经验公式外，数值计算和理论仿真也逐渐成为重要的设计手段，可快速确定参数范围，节省时间和成本，尤其适用于新型FSS单元的设计。数值计算主要有近似方法(变分法、等效电路法、点匹配法、多模等效网络法等)和全波分析方法(互阻抗法、模式匹配法、谱域Galerkin方法、有限元法、矩量法、时域有限差分法、频域有限差分法等)；基于相关算法开发的商业软件同样可用于计算电磁波透通特性，如CST软件，HFSS软件，FEKO软件，XFDTD软件等。理论计算方法适用于优化设计新单元、定量分析参数影响及探讨滤波机制等领域，但复杂的公式导致其专业性较强[11]。

传统FSS成形方法主要有印刷电路板(PCB)、粘贴工艺、银墨水印刷、电腐蚀或者激光刻蚀、立体打印等技术[12-13]，但这部分在文献中详细的报道很少。采用上述几种方式得到的产品硬度和刚度较大，主要集中于复合板材。当然也可采用化学方法构筑微纳米点阵，实现对高频电磁波的控制等。

1.2.2 织物基FSS的研究现状

国内外众多科研机构均有涉及FSS的研究工作，主要集中在新单元(复杂花型、分形结构)的设计、多层级联及立体FSS的特性、模拟和数值求解 (HFSS、CST、FDTD、等效电路)以及在雷达罩和阵列天线的应用等方面[14-16]。

针对柔性纺织品这一载体的研究很少，已出现的研究工作系统性较差。R.D.Seager和A.Chauraya等利用电脑绣花、丝网印刷、喷墨打印、机织等技术实现织物基FSS结构[17-18]；韩国科学技术院Sang-Eui Lee等通过碳纤维和介电纤维交织形成周期花型，实现织物对电磁波的频率选择特性[19]；美国陆军纳提克士兵研究和工程开发中心Michael Ghebrebrhan等提出了“纺织品超材料”的概念，研究工作是将金属丝加入到涤纶纱线中得到复合纱，通过一定的加工手段得到机织物和针织物，构造类似开口谐振环结构，获得超材料特性[20]；总后勤处军需装备研究所施楣梧等提出“电磁波频率选择透通纺织品”的概念[21]，给出了较好的研究思路，需要深入细致的实践。

对于织物基FSS的研究，虽出现了一定的研究工作，但设计方法和实际成形手段均未体系化，有待于进一步完善。如何针对不同需求展开设计，并寻找精准有效的成形手段，如何建立合理的评价体制，并基于实验样品进行产品开发，这些问题都值得研究者关注。

2 织物基FSS的实现

本文采用导电胶涂层印花的方式实现了圆环形织物基FSS，通过测定样品透射系数的变化并加以对比分析，探讨圆环内径、金属层导电性与厚度对频响特性的影响规律。进一步通过与传统FSS仿真的结果对比发现，传统设计方法在一定程度上适用于织物基FSS。

2.1 实验部分

2.1.1 实验材料和仪器

片状银包铜粉(银镀层占总质量比约4%)；聚氨酯涂层印花胶料；经碱减量处理的涤纶织物(经纬纱线密度均为14.8 tex；经密为286根/10 cm；纬密为224根/10 cm；面密度为178 g/m2；厚度为0.48 mm)；数字式厚度计；介电常数测试仪(4396B网络阻抗频谱分析仪、43961A阻抗适配器及16453A介电常数测试夹具)等。

2.1.2 实验设计

图2示出贴片型和孔径型圆环FSS结构单元的示意图。图中Dx和Dy是单元尺寸，Dx=Dy=12 mm，R代表圆环的外径，r代表圆环的内径，灰色区域代表导电区域，而白色部分不导电。

图2 2种圆环形结构单元示意图Fig.2 Two kinds of circular-ring-shaped structural units.(a) Patch type; (b) Aperture type

为探讨结构尺寸、金属层的导电性及厚度对频响特性的影响，各因素分别采取不同水平值进行设计对比，圆环内径取2、3、4 mm，银包铜粉含量取25%、30%、35%，涂层厚度取20、40、60 μm。表1示出了具体的实验方案。

表1 导电浆涂层印花实验Tab.1 Conductive adhesive coating printing experiment

2.1.3 实验过程与测试

首先将银包铜粉和聚氨酯胶料按照相应的质量比均匀混合，形成复合导电印花浆，采用丝网印刷的方式涂覆至织物表面。通过感光法制备具有相应周期花型的涤纶丝网；利用刮刀将导电浆印制在织物表面，控制均匀的速度和压力(为获得不同的涂层厚度，可改变刮胶的次数)，在织物上形成周期的导电圆环花型；常温固化5 h，使印花浆在织物表面牢固结合，得到尺寸为300 mm × 300 mm的样品。

透射系数由屏蔽室法测得，平面电磁波垂直入射样品，测试频段为18～26.5 GHz。测试过程及原理已在文献[22]中较详细地阐述。

2.2 结果分析和讨论

表1中每组样品都有贴片型与孔径型2种互补结构，故总共有7 × 2=14个样品。通过对比分析样品的透射系数，可得出结构参数和材料参数对频响特性的影响。

2.2.1 圆环内径的影响

通过对比分析样品1、2和3的透射系数可看出，在其他因素不变的情况下，圆环内径对电磁波透通性能的影响如图3所示。随着圆环内径的增大，2种形式的FSS的谐振频率均往低频移动，而谐振频率略有差别。这是因为随着内径的增大，环间耦合的电容在逐渐增大，根据LC振荡电路可知，此时谐振频率减小。对于贴片型，谐振频率依次为22.591、21.145、19.275 GHz，谐振峰值分别为-7.653、-8.914、-11.278 dB；对于孔径型，谐振频率依次为20.975、20.295、18.34 GHz，谐振峰值分别为-7.155、-6.975、-8.143 dB。

图3 圆环内径对透通性能的影响Fig.3 Influence of inner diameter on transmission characteristics.(a) Patch type; (b) Aperture type

如果将90%的电磁波被屏蔽或者透过作为贴片型和透孔型FSS的阈值，则应使用透射系数小于-10 dB和大于-0.5 dB对应的频率区间作为带宽进行评价。若以此为据，显然图3中曲线形态并非十分理想，且2种互补形式的FSS的测试曲线并非完全对称，这二点应该是由于样品制作过程中误差较大，导电材料并非理想导体，样品尺寸非无限大等原因造成的。

2.2.2 银包铜粉含量的影响

将样品4、5和1的透射系数作对比分析，可得到FSS层导电性对透通性能的影响，结果如图4所示。当银包铜粉的含量在25%时，透射系数曲线几乎没有谐振峰出现，而当导电粉体含量为30%和35%时，出现了较明显的谐振峰，且谐振峰值有增大的趋势，尤其是孔径型FSS。

图4 导电粉体含量对透通性能的影响Fig.4 Influence of conductive powder content on transmission characteristics.(a) Patch type; (b) Aperture type

随着银包铜粉含量的增大，样品的频率选择特性会增强，原因是电导率大的材料对电子的阻碍作用小。根据FSS产生的谐振机制，入射电磁波对金属中电子产生振动，如果入射电磁波的能量完全转化为电子振动，则产生了谐振。金属中电子振动与束缚作用有关，电子束缚作用越小电子越易产生振动，所以对电磁波损耗就越大。在后期的产品研发过程中，为增强产品的频率选择特性，应该尽量增强导电体的导电性，当然还要结合成本和加工难度等因素综合考虑。

2.2.3 涂层厚度的影响

固定单元的结构尺寸和银包铜粉的含量，改变刮胶次数可制得不同涂覆厚度的样品。图5示出了样品1、6和7的透射系数曲线，从图中可看出涂层厚度对电磁波透通性能的影响。随着厚度的增加，样品的频率选择特性逐渐增强，尤其是当厚度由20 μm增大到40 μm，透射曲线产生了明显的“跳跃”。

图5 涂层厚度变化对透通性能的影响Fig.5 Influence of coating thickness on transmission characteristics.(a) Patch type; (b) Aperture type

将FSS层的导电性和涂覆厚度综合考虑，可使用方阻进行表征。电阻率、厚度及方阻间的换算关系如下。

式中：Rw代表导电体的方阻；ρ代表导电体的电阻率(数值上等于电导率的倒数)；d代表导电体的厚度。从上式可知，固定电阻率或者电导率不变，增大涂覆厚度，使得方阻减小，此时频率选择特性增强。该公式同样适用于探讨银包铜粉含量的影响，固定涂覆厚度不变，增大导电粉体含量，导致电阻率减小，从而使得方阻减小，频率选择特性增强。综合二点来看，FSS层的导电性及厚度均会对频响特性产生影响，在分析和讨论时，可采用方阻来表征二者的复合作用。

涂层印花实验探索了圆环内径、导电粉体含量及涂覆厚度对透通性能的影响，得到了一些基本的影响规律，证实了研究织物基FSS的可行性与有效性。在此基础上，后续研究应扩大结构参数的范围(R，Dx，Dy等)，并分析参数对频响特性的影响机制；加强对比实验，量化FSS层的方阻并确定其阈值(当方阻处于某一数量级时，进一步减小方阻对频响特性影响不大)；探讨基底织物的介电特性对产品频率选择特性的影响等。

2.2.4 实测与仿真结果对比分析

由于FSS结构单元及影响参数的多样性，在实际产品开发过程中会出现需设计不同花型，改变谐振频点位置，选择不同织物基底等多样化需求，此时普适的设计方法显得特别重要。

利用高频仿真软件HFSS仿真传统FSS的方法，将基底织物等效为具有相同介电常数和厚度的致密板材，把FSS层设置为理想导体，并使用主从边界条件将单元无限大地周期性重复。仿真的单元结构对应于样品7，参数如下：Dx=Dy=12 mm，R=5 mm，r=2 mm(贴片型)，导电体厚度为60 μm。经测定，当电磁波频率达到1 GHz频段以上时，织物的介电性已很小，这里将其属性设置为真空。

图6 实测与仿真结果对比Fig.6 Comparison of measured and simulation results

图6示出实测与仿真结果的对比。从图中可看出虽然2条透射系数曲线的谐振频率相一致，均在22.8 GHz附近，但是透射系数的数值相差甚远，在峰值处差距达到最大，分别为-12.2 dB和-38.9 dB。这一现象说明利用仿真的手段能够预测谐振频点的位置；对于二维织物基FSS，织物表面的粗糙度以及经纬纱按一定紧度的排列不会对谐振频率带来较大影响；增大导电层的电导率会使谐振峰值显著增强。

2.3 织物基FSS的其他成形方法

上述实验提供了一种二维织物基FSS的成形方法，而借鉴传统电磁屏蔽织物的研究思路，在织物上获得非完整导电层的技术方法还有很多。从选择原料和成形工艺上看，主要分为利用局部金属化技术在普通织物表面获得周期导电单元，此时织物作为柔性基底；利用纺织品自成形技术，将非导电和导电丝或纱周期交织制得具有周期单元的织物，此时FSS结构镶嵌在织物内部。

具体来讲，可分为4种类型：1)导电物质直接在织物上形成导电图案：即利用选择性化学镀，导电涂料丝网印花，导电长丝电脑绣花，掩模法气相沉积金属元素，掩模法离子溅射，导电墨水喷墨打印以及采用含导电粉体的热塑性材料进行三维打印，导电纤维提花织造立绒、簇绒、间隔织物等方法，实现平面或立体的FSS图案；2)导电层先形成图案再复合到织物，即利用激光刻蚀、电脑刻绘机切割等方法将金属箔、特别是带有粘合层的金属箔按照设计刻出图案，再通过压烫将金属箔图案粘合到织物，形成织物基FSS；3)导电层先复合到织物再形成图案：利用激光或者刻绘机技术雕刻已复合好金属箔层的织物，然后按照得到的FSS切割轮廓线，剥落多余的金属箔，得到织物基FSS；或者将烫金纸热熔粘结层与织物密贴，并用一个凸版加热花辊加热并施压，使凸版花纹对应的粘结层熔融并粘接到织物上，而花辊的凹陷部分未实施粘接，此后再将烫金纸撕去，即在织物上留下与花辊凸起部分相同的导电图案；4)纺织品自身成形技术：利用机织、针织或者编织等技术将普通长丝或纱线与导电丝或纱周期交织，形成织物基FSS。

从上面的分析可知，织物基FSS的成形技术是极其便利的，这为研究者提供了很好的实验条件，可充分探讨结构及材料参数对频响特性的影响；同时可利用单一或者组合技术实现织物基FSS，结合实用条件确定最优工艺，为基于织物基FSS的产品开发提供技术保证。

3 织物基FSS的应用前景

通过对FSS研究基础及上述实验结果的分析和探讨，证实了研究思路的有效性。利用传统的数值求解及软件模拟的手段能够优化结构参数，确定材料属性，以此指导织物基FSS的设计；利用多种成形技术能实现织物基FSS，并可依据相关国家标准进行测试和表征。综上可知，对织物基FSS的深入研究和产品开发是完全可行的。

织物基FSS兼具频率选择特性与纺织材料的质轻、柔软、刚度低等特点，使其在诸多领域具有较大的应用前景。一些研究学者对其应用进行了初步探讨，如基于织物基FSS的吸波材料可集成到帐篷、服装、装饰制品等纺织品上，实现可移动军事设施的电磁屏蔽与防护、军事伪装与隐身等多种功能；基于织物基FSS开发的电子织物天线可实现无线监控、快速定位等功能；新型织物基FSS可应用于通信窗，其结构简单、安装便捷、响应迅速等优点可满足便携性和灵活性的特殊需求等[21,23]。

对于织物基FSS的研究刚刚起步，真正实现规模性应用还需长期的努力。后期研究工作应围绕以下几方面展开：完善平面织物基FSS的研究体系，进一步探讨设计及成形方法；过渡至曲面及三维立体FSS的结构与性能之间的关系、加工技术及测试评价方面的研究，拓展应用载体；结合特殊需求进行基于织物基FSS的产品开发，综合考虑电磁功能性与力学或者热湿等其他特性。

4 结 论

从对FSS研究基础的总结分析、导电浆涂层印花的实验探讨以对织物基FSS的前景展望3个方面展开研究工作，得到了一些基本结论，主要有以下几个方面。

1)FSS应用于柔性纺织材料的研究较少，而该方面的研究具有较强的实用价值和极其便利的基础条件。

2)结构单元尺寸、方阻(金属层导电性及厚度)会影响织物基FSS的频率选择特性，其他参数的影响规律需进一步探讨。

3)传统的FSS设计手段能够为织物基FSS的设计提供参考，而借鉴于传统电磁屏蔽的多种成形技术为实验研究及产品开发提供了技术保证。

4)织物基FSS在吸波材料、电子织物天线、通信窗等领域具有较好的应用前景，但真正实现规模性应用还需研究者长期的努力。

FZXB

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Fabrication and application of fabric based frequency selective surface

GUAN Fuwang1，XIAO Hong2，SHI Meiwu1，2，WANG Fumei1

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.TheQuartemasterResearchInstituteoftheGeneralLogisticsDepartmentofthePLA,Beijing100010,China)

By analyzing the research status of traditional frequency selective surface,the necessity of research on novel fabric based frequency selective surface was illustrated.Conductive adhesive coating printing experiment was conducted to make fabric based circular-ring-shaped frequency selective surface samples and the transmission coefficients were tested using Shielding Room Method within the range of 18-26.5 GHz.The influence rules of internal radius and conductivity as well as coating thickness of metal layer on the transmission characteristics were compared and analyzed,and relevant experiment results confirmed the feasibility and validity to study fabric based frequency selective surface.Also,by comparing measured and simulated results,it could be found that conventional design methods applied to fabric based frequency selective surface to some extent.Based on the frequency response characteristics and the basic properties of textiles,such as lightweight,softness and low-rigidity features,the application prospects of fabric based frequency selective surface in wave-absorbing material,fabric antenna and communication window aspects were explored.

frequency selective surface; transmission coefficient; frequency response characteristics; electromagnetic functional fabric; metallization process

10.13475/j.fzxb.20151101308

2015-09-05

2015-12-08

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CUSF-DH-D-2015005)

关福旺(1988—)，男，博士生。主要研究方向为新型电磁功能纺织材料的设计和开发。施楣梧，通信作者，E-mail：shimeiwu@263.net.cn。

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