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，未來戰(zhàn)場上的各種武器系統(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 軍事國家的高度重視。國外已經(jīng)出現(xiàn)了不少兼容多頻段的隱身材料專利，目前國內(nèi)一些單位也分別研制了多波段偽裝遮障，采用可見光、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)、電子對抗、電磁武器、安全檢查等領(lǐng)域帶來了深遠(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)對屏蔽材料進(jìn)行研究應(yīng)用于軍事、國防、航天與安全等領(lǐng)域有重大意義。為此對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防止高頻電磁場的影響，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空間防護(hù)區(qū)的場強(qiáng)（E1或H1）與存在屏蔽時該區(qū)的場強(qiáng)（E2或H2）的比值來度量，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、后的電場強(qiáng)度；H1，H2 為屏蔽前后的磁場強(qiáng)度；P1，P2 為屏蔽前后的能量場強(qiáng)度。影響屏蔽效能SE的因素很多，主要是電磁場的頻率及材料的電磁參數(shù)。

通常，屏蔽效能的具體分類為：0~10dB幾乎沒屏蔽作用；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、太赫茲輻射探測裝置和時間延遲控制系統(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，另一束作為探測光。泵浦光經(jīng)過頻率為1.1kHz的斬波器調(diào) 制，通過時間延遲臺入射到透鏡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)兩對表面鍍金的離軸拋面鏡 準(zhǔn)直和聚焦，通過一個高阻硅薄片，聚焦在＜110＞－ZnTe晶體上；另一束激光脈沖—探測光經(jīng)過一系列的反射鏡、透鏡L2、偏振片P與太赫茲脈沖同時聚 焦在＜110＞－ZnTe晶體的同一位置，此時ZnTe晶體中發(fā)生電光效應(yīng)。偏振態(tài)被調(diào)制的探測光經(jīng)過四分之一波片（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分量，被差分探測器———光電二極管探測，經(jīng)鎖相放大器解調(diào)后輸入計(jì)算機(jī)利用Labview編寫的控制軟件得到 太赫茲脈沖時域信息。本文利用這個裝置探測到的有效譜寬是（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)時為了降低空氣中水分對太赫茲波的吸收，在光路虛線框內(nèi)沖入氮?dú)?，使得探測時環(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)中每測一種樣品就測一個參考信號。

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)過相關(guān)單位證明該公司生產(chǎn)的專利屏蔽布在微波達(dá)到B級以上的屏蔽效能，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、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)處理與測量結(jié)果

太赫茲時域光譜系統(tǒng)可以獲取太赫茲波入射和透射電場的時域數(shù)據(jù)，然后通過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的能量和太赫茲透射電場的能量。

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 大些。其中，磚紅色屏蔽布的屏蔽效能相對差些，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 效能相對最好，最低也在40dB以上，并且在（0.33~1.15）THz的屏蔽效能超過了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。這說明若將此類屏蔽布應(yīng)用在太赫茲波段會有較好的屏蔽效果，會給相應(yīng)的太赫茲輻射偵查探測帶來很大的困難。

圖3、四種屏蔽布的屏蔽效能曲線對比

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，所以這類物質(zhì)可以考慮用來做太赫茲波段的屏蔽材料，在軍工、航天、通訊信息 等方面對抗太赫茲輻射的偵查探測，還可能用來做屏蔽包裝原材料對抗太赫茲探測炸藥、槍支等軍火物品，以保證軍事戰(zhàn)爭中重要物品的防護(hù)。例如有人設(shè)想應(yīng)用太 赫茲“對抗”技術(shù)進(jìn)行敏感探測，用來探知目標(biāo)或探測其內(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題，例如提高太赫茲輻射的功率，提高探測太赫茲輻射的靈敏度和信噪比，對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，也將會在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。