普通建筑物的电磁屏蔽技术

李承耀 辛国良 编译 区健昌 校

（1.中国航天建筑设计院；2.北京理工大学）

1 引言

当今电磁波屏蔽（电磁屏蔽）的概念就是要作到建筑物内的电磁波不能泄漏出去，建筑物外的电磁波也不能进入建筑物内。过去电磁屏蔽技术主要是面向工业企业实验室用的，现今已是手机、电脑普及时代，为了防止各种工业用设备及民用电气设备由于电磁波干扰产业的误动作，以及防止因窃听造成的信息泄漏，采用电磁屏蔽技术是非常必要的。

随着工业产品的高频化和国际化，在日本，电磁屏蔽技术的应用也会变得越来越有必要。另外，对于屏蔽产品的可靠性和成本要求也会愈加严格。

一方面，各个工业企业都在谋求缩小设备投资，对用于一般建筑物的屏蔽技术，就要考虑扩大市场的问题。

如前所述，现在的屏蔽室要作到不能从屏蔽室内部泄漏出电磁波，还要能屏蔽电磁波从外面进入。为此，目前适用于一般建筑物的屏蔽技术就有必要解决只允许需要频率的电磁波通过，对该频以外的电磁波进行屏蔽的技术问题。

下面分别说明能够满足上述要求的各种方案。

2 薄板型电磁波吸收体（薄板型电介体）

现在，这种薄板型电磁波吸收体已部分投入实际使用，如前面已说明的，对于一般建筑物考虑应用屏蔽技术的场合，有必要对手机等的特定屏蔽进行屏蔽。因此，使用薄板型电磁波吸收体，不仅仅是屏蔽（反射）电磁波，而且防止电磁波从内向外或从外向内的泄漏所采取的吸收方法。

实际上，是将这种薄板型电磁波吸收体埋入墙壁材料内。这种电磁波吸收体的有效寄窄带频率范围是GHz频带。对于想要屏蔽的频率，要把电磁波吸收体的吸收性能调整为最大，就可以得到既屏蔽了特定的频率，又使其他频率通过的结果。另外，即使是无线LAN等的电磁波，使用吸收体也能够防止在墙壁表面上的乱反射。

今后，假如这个电磁波吸收体有可能用作宽频带的吸收体，的确，可以考虑将它用作一般建筑物的屏蔽材料。

2.1 薄板型电磁波吸收体（薄板形电介体）的技术内容

（1）希望解决的课题

今后，电磁波的利用越来越广阔，必然会从微波段扩大到次毫米波段。开发这种薄板型电磁波吸收体，就是要把用于这些频率范围内的坚、薄、而且寿命长的经济型电磁波吸收体实用化。

（2）原理

图1和图2是应用本技术的最简单的电磁波吸收体的实例图。图1为表面图，图2为截面图。

图1中，将边长为W的正方形金属薄膜，相互绝缘地配置在支承体4的表面上。只在支承体4进里的一面配置有金属薄膜。

图1 表面图

图2 截面图

图3 原理说明图

图3（a）是把薄板竖起，电磁波从左侧垂直直入身时的截面说明图。图3（b）是其反射的截面说明图。

图3（a）中，从金属薄膜1的表面入射的电场是Ei1，它是完全被反射的（反射波相位为-180°），图3（b）表示的是反射回来的反射电场EY1。Ei2一边在支承体4中，像虚线箭头所示那样变化，一边实线箭头所示那样分为上下两部分，在金属薄膜 1和金属板3之间传播。在金属薄膜1与金属板3之间Eiz还有从另一侧同样进入的电场，这些来自上下两个电场的相位是相反的，如图3（a）所示，在金属薄膜1中间的内侧点C处，合成电场通常为零。即在C点有金属短路板处是等值的，从上下两个方向进入的电场在C点处是完全反射的。在C点处各反射波见图 3（b）。一边像虚线箭头那样变化，一边沿着实绩箭头传播，在没有金属膜的部分再次合成，形成反射电场而辐射出去。

EY2的相位决定于金属薄膜 1的连长W，支承体4的厚度D和电气特性。调整这些参数使EY2的反射相位延迟360°，就可使其和入射波同相。一方面，因为EY1与入射波Ei1（=Ei2）之间有 180°的相伴差，所以EY2与EY1的相位差为 180°，它们之间是反相的。

即来自有金属薄膜部分1的反射波与来自没有金属薄膜1部分的反射波EY2的相位差为180°。它们在空间交替分布，在充分远的点产生相互抵消的作用，从而使反射波强度衰减。

本技术确定了特许2545721号权利。

（3）实施实例与特征

下面是实施本技术的一个实例。

厚度1.2mm特氟纶支承体4的一面上配置了每边为 9mm的正方形薄膜，与频率为 10.3GHz时的完全反射相比较，反射波的强度能降低40dB。即使入射角改变16°，反射波也有25dB的衰减。

在本实例中，支承体4的厚度大约相当于电波波长的4/100左右，与过去用的X/4型比较，可能要薄大约1/6的厚度。

能够作出很薄的和很轻的电磁波吸收体是这项技术的最大特点。只要调整使用的材料和尺寸，这项电磁波吸收体技术就能用于微波段、毫米波段到超高频波段。也能适用于今后将扩展的频率范围。吸收体的结构很简单，可以说，这项技术的一大特征是制造性能优良和生产成本低廉（表1）。

表1 简要的制造过程

能用于该电磁波吸收体支承体的聚合物薄膜的加工尺寸，有很大的自由度，材料性能的选择是很多的，使用很容易，耐久性也好。

综合上述特征，只能寄希望于开发新的制造电磁波吸收体技术，制造出过去不能制造的又薄、又轻、又经济的电磁波吸收体。

这项新技术开发的结果，既补充和完善了以前的技术，又适应21世纪的IT业、多媒体、JIS等新技术、新系统的新发展，确信可用于为改善城市电波环境和措施而开拓的新技术市场。

图4为研究而试作的薄板实例。图5为用本技术的薄板与现在使用的有挖根生的电磁波吸收体作比较。

2.2 与过去技术的比较

表2为用本技术试制的薄板与现在应用的挖根生的电磁波吸收体的比较情况。

表2 与以前的技术比较

图4 试制的薄板实例

图5 格于型电磁波吸收体的构造

图6 格子型电磁波吸收体的特征

2.3 研究结果

该技术的特点是比以前用的技术更能实现微波段的超薄型、超轻量、费用低廉的电磁波吸收体。现在通过理论的数据和实验，可以确认实现这项新技术的可能性是很高的。

（1）格子型

如图 5，使用金属衬里的导电性聚合物薄膜作为基体，表面上是周期排列的登机牌贵妇人导体格子，得到了如图 6的吸收特性。吸收体的厚度为1.2mm时，表示的是10GHz频带电磁波的吸收特性。另外表示了通过改变金属格子的间距可以调整吸收电磁波的频率，表示间距变小，吸收体吸收电磁波的频率更高。这是研究本技术期望的后果。

（2）补丁型（类似棋盘格）

补丁型组成适用于正在开发的这项新技术（特许）。图7是其中一个结构实例，图8和图9是这种结构的吸收特性。

图7 补丁型结构

图8 吸收特性-1

图9 吸收特性-2

图8是将每边3mm的正方形（金属薄膜）补丁按 6mm间距配置的吸收特性的曲线与没有补丁型配置的吸收特性曲线进行比较。由于采取补丁型配置，可以发送其吸收效果。这时它的厚度是2mm。

图9是采用了1.5mm厚的导电性薄膜，并示出了当改变了金属薄膜补丁的尺寸时，其吸收特性的变化情况，补丁之间的间距可以设定为正方形边长的2倍。当补丁薄膜的尺寸变小时，被吸收的电磁波的频率就变高了。可以获得20dB以上的吸收特性。

根据上述情况，可以认为已经足够取得完成开发目标的研究成果。

其次，用FDTD（Finite Difference Time Domain Method）有限差分时域法的数值的理论分析结果说明，构成材料的特性、尺寸吸收的频率数、吸收特性等的关系是明确的。

1）薄膜的厚度，电介常数、tano、标准化的补丁尺寸，标准化间距、吸收频率数和吸收特性。

2）补丁的尺寸，间距等吸收频率的硬度特性。

上述结果启发人们，把该技术应用于毫米波段和超高频段以及与其相适应的尺寸精度保证将是一个研究课题。

3 百叶窗型屏蔽材料

图 10表示在一般建筑物使用的金属制百叶窗的接合部进行屏蔽处理，由于要求能自由的开启或关闭百叶窗，就是要能够自由的选择房间内的屏蔽情况。在企业中，在上班工作时房间的百叶窗是关闭的，房间处于屏蔽状态即能够防止电磁波泄漏出去，在停止工作的休息时间打开百叶窗，通常使用的手机就可以向房间外发出通信电波。

图10 百叶窗型屏蔽材料的图象

在这种情况，不能仅仅依据频率值，从百叶窗的外观上考虑是同样重要的，要考虑的是适用于一般建筑物的屏蔽材料。

4 其他

除了上述的屏蔽材料外，还要考虑在一般建筑物上能够使用的屏蔽材料。

例如，薄板型电磁波吸收体的代用品，可以在墙壁材料中使用屏蔽网，网格的大小可以是被屏蔽频率数的1/10以下。就有可能在一般建筑特中获得足够的屏蔽效果。

有关一般建筑物的屏蔽，要以反射和吸收两个方面进行考察，从扩大市场来看，已经有充分的可能性适应商品化。