幾種屏蔽布在太赫茲波段的屏蔽效果研究

1、引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的各種武器系統(tǒng) 面臨著嚴(yán)峻的威脅，隱身技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是提高武器系統(tǒng)生存能力和突防能力的有效手段。屏蔽材料的發(fā)展和應(yīng)用是隱身技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，受到世界各主要 軍事國(guó)家的高度重視。國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了不少兼容多頻段的隱身材料專(zhuān)利，目前國(guó)內(nèi)一些單位也分別研制了多波段偽裝遮障，采用可見(jiàn)光、紅外、雷達(dá)兼容隱身設(shè)計(jì)技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多波段隱身。盡管目前隱身屏蔽材料已在微波、紅外等波段取得了很大的成果，但目前在太赫茲頻段之間的研究甚少。

太赫茲輻射通常指的是頻率在（0.1~10）THz（波長(zhǎng)在30μm~3mm）區(qū)間的遠(yuǎn)紅外電磁輻射，其波段位于微波和紅外之間。它的獨(dú)特性能給通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、安全檢查等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，也將在軍事防御和安全方面引發(fā)新的變革。

應(yīng)用太赫茲光譜技術(shù)對(duì)屏蔽材料進(jìn)行研究應(yīng)用于軍事、國(guó)防、航天與安全等領(lǐng)域有重大意義。為此對(duì)四種屏蔽布在太赫茲波段的屏蔽性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了這幾種 屏蔽布的折射率曲線和屏蔽效能曲線，實(shí)驗(yàn)表明這幾種材料對(duì)太赫茲波有很好的屏蔽效能，在某種程度上可以做太赫茲屏蔽材料使用。

2、電磁屏蔽

電磁屏蔽主要是用來(lái)防止高頻電磁場(chǎng)的影響，從而有效地控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域進(jìn)行輻射傳播。其基本原理是采用低電阻值的導(dǎo)體材料，利用電磁波在屏蔽 導(dǎo)體表面的反射、在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收及傳輸過(guò)程的損耗而產(chǎn)生屏蔽作用，通常用屏蔽效能（SE）表示。其值用不存在屏蔽時(shí)空間防護(hù)區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)（E1或H1）與存在屏蔽時(shí)該區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)（E2或H2）的比值來(lái)度量，單位是分貝（dB）。公式定義為：

SE=20log（E1/E2） （1）

SE=20log（H1/H2） （2）

SE=10log（P1/P2） （3）

式中，E1，E2 為屏蔽前、后的電場(chǎng)強(qiáng)度；H1，H2 為屏蔽前后的磁場(chǎng)強(qiáng)度；P1，P2 為屏蔽前后的能量場(chǎng)強(qiáng)度。影響屏蔽效能SE的因素很多，主要是電磁場(chǎng)的頻率及材料的電磁參數(shù)。

通常，屏蔽效能的具體分類(lèi)為：0~10dB幾乎沒(méi)屏蔽作用；10~30dB有較小的屏蔽作用；30~60dB中等屏蔽效能，可用于一般工業(yè)或商業(yè)用電子產(chǎn) 品；60~90dB屏蔽效能較高，可用于航空航天及軍用儀器設(shè)備的屏蔽；90dB以上的屏蔽材料則具有最好屏蔽效能，適用于要求苛刻的高精度、高敏感度產(chǎn) 品。根據(jù)實(shí)用需要，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，在30~1000Hｚ頻率，其SE至少達(dá)到35dB以上，才認(rèn)為是有效的屏蔽。

3、實(shí)驗(yàn)裝置與樣品

實(shí)驗(yàn)用的是首都師范大學(xué)物理系太赫茲時(shí)域光譜透射系統(tǒng)（如圖1所示），主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產(chǎn)生裝置、太赫茲輻射探測(cè)裝置和時(shí)間延遲控制系統(tǒng)組成。 此系統(tǒng)使用的是由光譜物理公司生產(chǎn)的自鎖?？烧{(diào)諧式鈦藍(lán)寶石激光器，其脈沖中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為82MHz，脈寬為100fs，輸出功率為 1043mW。鈦藍(lán)寶石產(chǎn)生的飛秒激光脈沖經(jīng)分束棱鏡（CBS）被分為兩束，一束作為泵浦光，另一束作為探測(cè)光。泵浦光經(jīng)過(guò)頻率為1.1kHz的斬波器調(diào) 制，通過(guò)時(shí)間延遲臺(tái)入射到透鏡L1，經(jīng)透鏡聚焦以45°入射角照射在＜100＞－InAS晶體表面上，從而輻射出太赫茲脈沖，經(jīng)兩對(duì)表面鍍金的離軸拋面鏡 準(zhǔn)直和聚焦，通過(guò)一個(gè)高阻硅薄片，聚焦在＜110＞－ZnTe晶體上；另一束激光脈沖—探測(cè)光經(jīng)過(guò)一系列的反射鏡、透鏡L2、偏振片P與太赫茲脈沖同時(shí)聚 焦在＜110＞－ZnTe晶體的同一位置，此時(shí)ZnTe晶體中發(fā)生電光效應(yīng)。偏振態(tài)被調(diào)制的探測(cè)光經(jīng)過(guò)四分之一波片（QWP）和透鏡L3聚焦到渥拉斯頓棱 鏡（PBS），分為偏振方向互相垂直的兩個(gè)分量，被差分探測(cè)器———光電二極管探測(cè)，經(jīng)鎖相放大器解調(diào)后輸入計(jì)算機(jī)利用Labview編寫(xiě)的控制軟件得到 太赫茲脈沖時(shí)域信息。本文利用這個(gè)裝置探測(cè)到的有效譜寬是（0.1~2.5）THz，頻譜分辨率50GHｚ，信噪比600。實(shí)驗(yàn)中，我們把樣品放置在能量 較高的離軸拋面鏡PM2焦點(diǎn)處，并與入射光方向垂直。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了降低空氣中水分對(duì)太赫茲波的吸收，在光路虛線框內(nèi)沖入氮?dú)?，使得探測(cè)時(shí)環(huán)境的濕度低于 5%，實(shí)驗(yàn)溫度是21℃。為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中每測(cè)一種樣品就測(cè)一個(gè)參考信號(hào)。

圖1、太赫茲光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

樣品中四種特種電磁波屏蔽材料購(gòu)于北京京棉華星特種屏蔽材料技術(shù)有限責(zé)任公司，經(jīng)過(guò)相關(guān)單位證明該公司生產(chǎn)的專(zhuān)利屏蔽布在微波達(dá)到B級(jí)以上的屏蔽效能，并且 具有防水、防曬等特點(diǎn)，可用在軍事上做屏蔽帳篷、屏蔽門(mén)、屏蔽拉鏈等用途，也可民用生活中做手機(jī)屏蔽套，微波爐防護(hù)套及孕婦服等減少或防止微波與紅外輻射 的傷害。該屏蔽該材料是以棉花纖織物為基料，經(jīng)過(guò)理化處理，將金屬元素滲透到其組織結(jié)構(gòu)中。它在保持原有織物特性的基礎(chǔ)上，又具有了屏蔽作用。深淺迷彩色 屏蔽布的厚度均為0.38mm，磚紅色和灰色屏蔽布的厚度分別為0.28mm，0.12mm。

4、數(shù)據(jù)處理與測(cè)量結(jié)果

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)可以獲取太赫茲波入射和透射電場(chǎng)的時(shí)域數(shù)據(jù)，然后通過(guò)快速傅里葉變換得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)，利用公式：

SE=10log（P1/P2）

即可得到屏蔽效能SE，公式中P1，P2分別是太赫茲入射電場(chǎng)的能量和太赫茲透射電場(chǎng)的能量。

圖2分別為灰色屏蔽布、磚紅色屏蔽布、深迷彩色屏蔽布、淺迷彩屏蔽布的在（0.2~2.5）THz的屏蔽效能曲線。

（a）灰色屏蔽布的屏蔽效能曲線

（b）磚紅色屏蔽布的屏蔽效能曲線

（c）淺迷彩色屏蔽布的屏蔽效能曲線

（d）深迷彩色屏蔽布的吸收譜

圖2、四種屏蔽布的屏蔽效能曲線圖

通過(guò)觀察這幾種樣品的屏蔽效能曲線，我們可以看出，在（0.20~2.20）THz的范圍內(nèi)，灰色和深淺迷彩色三種屏蔽布的屏蔽效能均達(dá)到了30以上，具有 中等甚至中等以上的屏蔽效果，可用于一般工業(yè)或商業(yè)用電子設(shè)備的屏蔽。圖3中是四種屏蔽布的屏蔽效能。從數(shù)值上可以看出在低頻段四種屏蔽布的屏蔽效能相對(duì) 大些。其中，磚紅色屏蔽布的屏蔽效能相對(duì)差些，但在（0.28~0.47）THz之間屏蔽效能也達(dá)到了30dB以上，具有中等屏蔽效果；灰色屏蔽布的屏蔽 效能相對(duì)最好，最低也在40dB以上，并且在（0.33~1.15）THz的屏蔽效能超過(guò)了60dB，最高為72.5dB，屏蔽效果較好，可用于航空航天 及軍用儀器設(shè)備的屏蔽。這說(shuō)明若將此類(lèi)屏蔽布應(yīng)用在太赫茲波段會(huì)有較好的屏蔽效果，會(huì)給相應(yīng)的太赫茲輻射偵查探測(cè)帶來(lái)很大的困難。

圖3、四種屏蔽布的屏蔽效能曲線對(duì)比

5、應(yīng)用前景

實(shí)驗(yàn)表明，由北京京棉華星特種屏蔽材料技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的四種特種屏蔽布在太赫茲波段有較好的屏蔽效能。四種屏蔽布的屏蔽效能都在30dB以上，可用于 電子設(shè)備對(duì)微波及太赫茲波的屏蔽，防止信息泄露或干擾等。其中灰色和磚紅色屏蔽布的屏蔽效果更好，在（0.33~1.15）THz的屏蔽效能超過(guò)了 60dB以上，高達(dá)72.5dB，又因?yàn)檫@幾種屏蔽材料具有防水、防曬等特性，所以這類(lèi)物質(zhì)可以考慮用來(lái)做太赫茲波段的屏蔽材料，在軍工、航天、通訊信息 等方面對(duì)抗太赫茲輻射的偵查探測(cè)，還可能用來(lái)做屏蔽包裝原材料對(duì)抗太赫茲探測(cè)炸藥、槍支等軍火物品，以保證軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中重要物品的防護(hù)。例如有人設(shè)想應(yīng)用太 赫茲“對(duì)抗”技術(shù)進(jìn)行敏感探測(cè)，用來(lái)探知目標(biāo)或探測(cè)其內(nèi)部形貌。如果目標(biāo)的表面能使太赫茲波被吸收或被散射，就可大大減小被對(duì)方發(fā)現(xiàn)的概率，從而達(dá)到隱形 的目的。當(dāng)然，研制太赫茲屏蔽材料仍需解決許多問(wèn)題，例如提高太赫茲輻射的功率，提高探測(cè)太赫茲輻射的靈敏度和信噪比，對(duì)圖像信息的分析和處理技術(shù)也有待 進(jìn)一步實(shí)用化等。隨著技術(shù)的發(fā)展，太赫茲輻射技術(shù)的應(yīng)用前景將是非常廣闊的，也將會(huì)在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。