新型立绒织物频率选择表面频响特征影响因素

王亚静， 肖 红， 程焕焕， 施楣梧， 王 群， 唐章宏

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 中央军委后勤保障部军需装备研究所， 北京 100082；3. 北京工业大学 材料学院， 北京 100124)

新型立绒织物频率选择表面频响特征影响因素

王亚静1,2， 肖 红2， 程焕焕1， 施楣梧2， 王 群3， 唐章宏3

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 中央军委后勤保障部军需装备研究所， 北京 100082；3. 北京工业大学 材料学院， 北京 100124)

为探究具有柔性特点的频率选择表面的频响特性，以导电纱线为结构单元材料，采用立绒纺织加工手段，制备U型立绒织物频率选择表面，并对样品进行透射系数测试与分析，研究频响特征的影响因素。单元结构尺寸、行距、绒毛高度、绒毛倾斜角度增加，样品的谐振频率均向低频移动；U型单元导电纱线绒毛密度增加，谐振频率向高频移动；单元底部总长度相同时，U型的个数几乎不影响织物的谐振频率，但随着相同U型单元的个数增加，谐振频率持续向低频移动；当镀银纤维作为结构单元材料时，其谐振处的峰值及带宽均较大，而结构更为规整的裸铜丝样品，其谐振峰则更加尖锐而陡峭。U型立绒织物对入射角具有稳定性，但受极化方式影响较大。

U型立绒织物； 频率选择表面； 影响因素； 频响特性

频率选择表面(frequency selective surfaces, FSS)是一种一维或二维排列的周期结构。传统的FSS结构单元为金属贴片或金属孔径。其中，贴片型结构FSS对谐振频率附近的电磁波表现为全反射，孔径型FSS表现为全透射[1]。关于FSS的研究，目前大都为单层[2-3]、多层[4-5]以及立体[6-7]的金属单元结构。通过设计电磁功能材料、单元尺寸、排列参数等指标，获取特定谐振点和带宽、多频、角度稳定、小型化等特性[4,8]。以金属材料作为结构单元的FSS，通过电路板印刷、化学刻蚀、金属材料涂层等技术制备[9-10]，具有材质硬、质量重、加工灵活性差的缺点，因而，制备轻质柔性的电磁功能周期结构频率选择织物(FSF)具有重要意义。

基于人工电磁媒质，以导电纱线为结构单元材料，普通纤维为介质材料，采用纺织加工手段，制备具有周期结构电磁功能纺织材料，其兼其易制备、质轻、柔软、带通频率可设计等特性[11]，应用于可穿戴天线、通信窗、功能织物等领域[12-13]。

近年来，诸多学者采用机织[13]、针织[14]、刺绣[15]、丝网印刷[16]、喷墨打印[17]、选择性化学镀[14]等纺织加工手段，制备了各种频响特性的平面周期结构纺织品(二维FSF)，并取得了初步的研究成果。与二维FSF相比，立体周期结构织物(三维FSF)具有更多的结构设计参数、角度稳定性等特点。肖红等[18]已探究出由偶极子高度方向延伸而得的三维FSF，具有双频效应等特点；文献[19]也有相关报道。本文将进一步系统研究U型立绒三维FSF的频响特性影响因素。

1 立绒FSF

1.1 立绒FSF的特点

探究的立绒织物基本单元为U型立体结构，是由偶极子单元两端点沿垂直单元长度方向延伸而得。基于立绒织物的三维FSS，相比普通金属单元结构的三维FSS，具有轻质、易制备以及其他材料难以达到柔性[12，19]的特点；相比于二维FSS，在尺寸上具有三维设计空间，增加了设计维度。1.2 立绒FSF的频响特征影响因素

频响特性是影响FSS最重要的性能，是指FSS对入射电磁波的反射、透射、吸收、谐振和极化等现象随电磁波频率发生变化的性能，主要指标有谐振频率、阻带带宽或传输带宽及其稳定性、反射系数、透射系数等。频响特性受多因素影响，单元形状、周期尺寸及介质的电磁性能(与介质厚度、材料、加载方式相关)是频响特性的决定性因素[20]。实际应用中，入射波角度和极化方式未知不可控，所以FSS的入射角和极化稳定性也至关重要。1.2.1 单元设计

1)单元形状及其尺寸。不同单元形状的FSS频响特性不同，如天线理论中，偶极子单元不同粗细振子使相同极化和入射条件下的谐振点不同。Y型单元FSS对入射角稳定性相对较好，但极化稳定性不太好[21]。除此之外，立绒FSF的单元设计还包括绒毛密度、绒毛倾斜角度、U型连通情况等参数。相同单元形状，单元长度、高度不同的FSS，也会有不同的谐振现象。

2)排列方式及其单元间距。结构单元的排列方式也称栅格形式。二维栅格排列一般分为矩形栅格和三角形栅格2种。由于单元形状的性能差别，不同单元适用不同排列形式。偶极子形、方环形和圆环形等单元一般采用矩形栅格，而Y形、六边形等宜采用三角形排列形式。单元间距比单元尺寸对频响特性的影响要小。当单元间距变大时，谐振频率开始向低频方向移动，随后移动幅度变小[22]。当单元间距增大到一定程度时，单元间的耦合效应可以忽略，谐振频率变化不明显。

1.2.2 材料与工艺

1)材料的电磁参数。包括周期结构的金属结构材料和介质层材料。对于二维FSS来说，除了结构单位形状及尺寸，介质层材料的相对介电常数、相对磁导率、损耗角以及金属单元的电导率等电磁性能参数均影响周期结构的频响特性。如金属材料的电导率越大，对电磁波损耗就越大，谐振峰的透射系数绝对值越大[22]。

2)介质层。其影响因素包括介质的材料、厚度和介质加载方式。随介质板厚度增加，谐振带宽越大，谐振频率先下降后回升[23]。介质加载方式一般可分为3种：介质作为基底材料加载、夹心结构加载和多层加载。多层电磁材料加载的巧妙设计可具有宽带、低入射损耗、高选择性、低轮廓或入射角度和极化稳定等特性[24]。

3)织造工艺。运用针织、机织、刺绣、选择性化学镀、喷墨打印、丝网印刷等纺织工艺，织造具有电磁特性的周期结构织物。本文中的立绒FSF，采用U型立绒加工方式进行制备。

电磁波入射角不同时，FSS频响特性不同，入射角对其对称结构的频响特性影响不大。对于开槽方形单元FSS，随电磁波入射角增加，TE(transverse electric)波极化的谐振频率逐渐增加，带宽逐渐降低；TM(trousverse magnetic)波极化的谐振频率变化不明显，但带宽逐渐增加。

2 实验部分

2.1 实验材料

本文中实验所用纱线相关参数详见表1所示。若无特殊说明，实验所用纱线股数参考表1。

表1 实验所用材料及其参数Tab.1 Materials used in experiments and their parameters

2.2 样品制备

2.2.1 金属纱线模型样品制备

2.2.1.1 不同结构尺寸与材料的模型样品 为了探究单元结构尺寸及材料对FSF频响特性的影响，采用镀银长丝制作不同高度、尺寸、绒毛密度的织物模型样品；采用不同纱线如不锈钢包芯纱、不锈钢混纺纱、镀银长丝、普通锦纶长丝制备不同材料的模型样品，进行测试对比分析。FSF的单元结构均为U型，示意图、实物图分别如图1、2所示，具体实验方案见表2所示。

图1 基于单U型单元三维FSS模型示意图Fig.1 Sketch of single U velvet 3-D periodic structure fabric model based on copper wire

图2 金属纱线模型样品实物图Fig.2 Physical maps of metallic yarn model sample. (a) Front; (b) Side; (c) Back

样品编号单元长度L/mm行距Dy/mm间距Dx/mm高度h/mm材料A-h0-#6660镀银长丝A-h1-#6663镀银长丝A-h2-#6666镀银长丝A-h3-#6669镀银长丝B-y1-#6366镀银长丝B-y2-#6666镀银长丝B-y3-#6966镀银长丝C-s1-#2223镀银长丝C-s2-#6663镀银长丝C-s3-#8883镀银长丝D-m1-#6666镀银长丝D-m2-#6666铜丝D-m3-#6666普通锦纶长丝D-m4-#6663镀银长丝D-m5-#6663不锈钢包芯纱D-m6-#6663不锈钢混纺纱

2.2.1.2 不同绒毛密度的模型样品 导电纱线的绒毛密度用U型结构中不同股数的导电纱线表征。文献[18]中，已经对比分析了3种绒毛密度的FSF，本文拓展至5种不同绒毛密度的FSF，以更加完善地讨论其谐振现象的变化规律。样品尺寸参数均为L=h=9 mm,Dx=Dy=6 mm独立U型单元结构。结构单元由单股纱线合股而成，其中单股线密度为10.2 tex，合股纱线线密度为4、102、163、224、286 tex的样品，分别编号为Ag-S1-#、Ag-S2-#、Ag-S3-#、Ag-S4-#、Ag-S5-#。实物如图2所示，基布是普通涤纶布，用聚乙烯(PE)泡沫板支撑纱线，防止纱线倒伏。

2.2.1.3 不同绒毛倾斜角度的模型样品 图3示出绒毛倾斜示意图及伍意角度绒毛倾斜样品实物图。为探究绒毛倾斜角度对谐振的影响，将16股的U型三维FSF的Ag-S3-#，取下1～2层1mm厚的PE泡沫板，沿单元长度L延伸方向从外向内依次拉扯未取下的PE泡沫板，使固定在PE泡沫板里的绒毛倾斜至设定角度θ，形成不同绒毛倾斜角度的U型三维FSF；之后，剪下U型绒毛倾斜FSF中的偶极子，探究不同绒毛倾斜角度下U型及单独双立柱单元结构FSF的频响特性。

图3 绒毛倾斜示意图及任意角度绒毛倾斜样品实物图Fig.3 Schematic diagram of incline of velvet and physical map of arbitrary angle of velvet. (a) Inclination of velvet; (b) Inclination of double-column velvet; (c) Photograph of sample with random angle of velvet

任意角绒毛的样品，是指绒毛倾斜角度不同、倾斜方向不一，取下支撑绒毛的所有PE泡沫板，对样品进行手工随意角度压绒处理，使得绒毛倾斜角度各不相同，如图3(c)所示。

2.2.2 立绒周期结构织物样品制备

以上实验样品中的单元结构均为独立U型，现探究U型结构单元多样的连通方式，如图4所示。以小样机制备的簇绒地毯作基底介质，镀银纱线构成U型结构单元，制备不同连通方式的U型立绒FSF，立绒FSF如图5所示，参数见表3所示。

2.3 测试方法

本文实验采用屏蔽室法测试透射系数。测试系统包括安捷伦E8257D信号发生器、E7405AEMC频谱分析仪、喇叭天线和吸波屏等，测试系统图如图6

图4 U型连通方式示意图Fig.4 Sketch of different U connecting. (a) Sample with bottom unconnectivity; (b) Number of different U type; (c) Different U type number with same unit bottom length

图5 U型立绒织物正面和反面Fig.5 Positive and negative of U velvet FSF. (a) Front; (b) Back

样品编号单元长度L/mm间距(Dx=Dy)/mm单元高度h/mm连通方式所用结构材料D-u1-6#669U镀银长丝D-u2-6#1269双U镀银长丝D-u3-6#1869三U镀银长丝D-u1-9#969U镀银长丝D-u2-9#1869双U镀银长丝D-u1-12#1269U镀银长丝

所示。根据 GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》，设置测试环境条件，有效测试试样大小为18 cm×18 cm。

图6 屏蔽室法测试系统实测图Fig.6 Schematic diagram and measured diagram of testing system for transmission coefficient

透射系数计算公式为

式中：P1为放置样品测试的接收功率，dBm；P2为置空处的接收功率，dBm；S21为透射系数，dB。

3 实验结果及分析

3.1 结构尺寸

3.1.1 单元行距

保持单元间距Dx=6 mm和单元高度h=6 mm不变，制作单元行距Dy分别为3、6、9 mm的样品(依次对应B-y1-#，B-y2-#，B-y3-#)，测试其透射系数，结果如图7所示。

图7 不同单元行距样品的透射系数Fig.7 Transmission coefficient results for samples with different line spacing

随着绒毛行距Dy的增加，谐振频率向低频移动，带宽会明显变窄。当间距过大时，电磁波与绒毛之间发生谐振的几率减小，使得结构对电磁波的选择性下降。

3.1.2 单元尺寸

探究不同单元尺寸对其结构频响特性的影响，绒高保持3 mm，分别制备单元尺寸Dx=Dy=L=2 mm(C-s1-#)，Dx=Dy=L=6 mm(C-s2-#)，Dx=Dy=L=8 mm(C-s3-#)的金属纱线样品(试样编号分别为A-h0-#、A-h1-#、A-h2-#、A-h3-#)，测得其透射系数如图8所示。

图8 不同结构单元尺寸样品透射系数Fig.8 Transmission coefficient results for samples with different unit structure sizes

随着循环单元尺寸的增加，谐振频率会大大向低频率移动，带宽也将逐渐变窄。带宽的变化与FSS的等效电容和电感有关，谐振频率的变化主要与等效电流密切相关，而单元间距的变化使其等效电容发生变化，单位长度的变化引起等效电流的变化。3.1.3 立绒高度

在其他条件相同情况下，制作U型底部单元长度为6 mm，绒毛高度分别为0、3、6、9 mm的立绒样品，测得其透射系数如图9所示。

图9 不同立绒高度样品的透射系数Fig.9 Transmission coefficient results for samples with different velvet height

在Dx=Dy=6 mm时，单位长度L=6 mm情况下，当h=0 mm时，样品A-h0-#为二维FSS，样品透射系数在2～18 GHz范围内接近于0，对该段电磁波呈现透通性。随着绒毛高度的增加，等效电容和电流均增加，如3.1.2所述，将分别导致谐振频率和带宽的变化。图9结果表明，绒毛高度增加使得谐振频率迅速向低频率移动且带宽变窄。

3.2 结构材料

当单元结构尺寸相同(Dx=Dy=h=6 mm)时，分别采用不同结构材料如镀银长丝样品D-m1-#、裸铜丝样品D-m2-#、普通锦纶样品D-m3-#制备样品，其透射系数的测试结果如图10(a)所示。当单元结构尺寸为Dx=Dy=6 mm、h=3 mm时，分别采用镀银长丝D-m4-#、不锈钢包芯纱D-m5-#、不锈钢混纺纱D-m6-#制备样品，其透射系数测试结果如图10(b)所示。采用不具有导电性能的普通锦纶长丝制作的样品，其透射系数几乎为0。表明非导电材料具有透波特性。而导电性能最为优良、结构更为规整的裸铜丝样品的透射曲线，更加陡峭尖锐、且谐振点峰值绝对值较大，说明材料导电性能、结构规整性对频响特性的影响很大。镀银长丝样品的带宽和谐振频率峰值均大于棉/不锈钢样品。原因是前者的导电性优于后者，而不锈钢样品具有一定的磁导率，影响电磁波的选择透通性。

图10 不同材料的透射系数Fig.10 Transmission coefficient results for samples with different velvet materials. (a)Samples with h=6 mm； (b)Samples with h=3 mm

3.3 绒毛密度

用不同股数的镀银长丝调节样品的绒毛密度。采用单纱线密度为10.2 tex的镀银长丝，制备具有相同单元尺寸，不同导电纱线股数的U型周期结构模型样品。

样品的谐振频率在5.0～6.0 GHz间变化测试结果如图11所示。随着绒毛密度的增加，单元之间的距离减小，镀银纱线的整体半径增大，单元耦合电容减小，谐振频率变大。谐振峰的峰值变化没有明显的规律，其理论仍在探究中。

图11 不同线密度导电纱的透射系数Fig.11 Transmission coefficient results for samples with different density of conductive yarns

3.4 绒毛倾斜角度

绒毛倾斜现象在簇绒地毯的实际使用中很常见，如绒毛单一方向倾斜或支撑纱线稀疏而导致绒毛向各个方向倾斜等。实验中使用16股镀银纱线样品Ag-S3-#，U型单元与双立柱单元FSF绒毛倾斜结构如图3所示，测试结果见图12。从图12(a)可看出，样品为U型单元，随着绒毛倾斜角度的增大，谐振频率先缓慢变小后趋于不变，变化范围较小；透射系数先增大后减小，变化范围较大。即绒毛倾斜主要影响透射系数，对谐振频率影响不大。Cheng等[19]分析出随着绒毛高度的减小，谐振点向高频移动。从图12(b)可看出，双立柱型结构单元样品倾斜不同角度的透射系数基本保持0不变，说明影响谐振频率的主要是U型结构连通的底部，而不是单独的双立柱结构。任意角度的绒毛倾斜，使绒毛间相互连通，相当于金属板，对电磁波形成反射。U型结构单元任意角的透射系数值比双立柱型结构单元任意角的透射系数值稍小，主要原因是U型结构由偶极子连接双立柱，连通性相对更好些。

本文将U型三维FSS应用于立绒产品，非导电纤维间隔导电纤维，起到支撑和固定作用，并且紧凑的绒毛排列可有效解决导电绒毛连通倒伏的问题。

图12 不同绒毛倾斜角下样品Ag-S3-#的透射系数Fig.12 Transmission coefficient results for sample Ag-S3-# with different incidence angles. (a) Unit cell with U type; (b) Unit cell with double-column type

3.5 U型底部连通方式

3.5.1 底部是否连通对FSF频响特性的影响

单元的完整性对FSF频响特性十分重要，测试表2中的D-m6-#样品底部剪断前和剪断后(见图4(a))的透射系数，所得结果如图13所示。

图13 U型立绒D-m6-#样品底部剪断前后的透射系数对比Fig.13 Transmission coefficient of sample D-m6-# with U velvet before and after bottom cut

对比U型底部被剪断前后，剪断后的FSF在2～18 GHz范围内没有出现谐振现象，对电磁波基本呈现透通性。U型立绒织物单元结构的底部连通直接影响织物的频响特性。结合小节3.4中双立柱织物的频向特性，可得U型结构中的偶极子使得FSF产生谐振，绒毛高度影响谐振参数的大小。

3.5.2 底部总长度相同U型连通个数不同的影响

一般情况下，U型簇绒地毯织机上织造的一个小U型远远小于9 mm，因而需探究单元底部总长度相同的情况下不同U型的个数对频响特性的影响结果如图14所示。单元底部总长度为固定值12 mm时，制作单U型结构单元织物样品D-u1-12#和双U型样品D-u2-6#，测试结果如图14(a)所示；单元底部总长度为18 mm时，制作双U单元的样品D-u2-9#和三U单元样品D-u3-6#，测试结果如图14(b)所示。

图14 单元底部总长度一定U型连通个数es with different U number with same bottom length

单元底部长度为12 mm的单U和双U型样品的谐振频率分别为11.8、12 GHz。单元底部长度为18 mm的双U型和三U型样品，谐振点均为10.44 GHz。即当立绒FSF的U型单元底部总长度为固定值时，连通U型的个数几乎不影响织物的谐振频率。根据此特性，可使用U型簇绒地毯织机织造不同单元形状的FSS。图中曲线的轻微移动，与制样误差、排列缝隙等因素相关。

3.5.3 U型连通个数对FSF频响特性的影响

单个U型长度均为6 mm，随着U型连通个数的增加(如图4(b)所示)，研究其透射系数曲线变化规律，测试结果如图15所示。分析10～14 GHz内的谐振点，U型连通个数越多，谐振频率会向低频移动。由于U型连通个数增多，单元底部总长度增大，易在低频发生谐振。

图15 U型连通个数与结构频响特性关系Fig.15 Transmission coefficient of samples with different U number

3.6 测试条件中的入射角与极化方式

将表2中D-m5-#样品水平放置在拱形样品架上，测试其反射系数，通过改变入射天线和接受天线与吸波屏法线之间的夹角，得到不同角度入射时样品的反射系数如图16所示。在样品水平放置时，随着入射角的变化，谐振频率和反射性能没有波动，说明该结构具有一定的角度稳定性。

图16 不同入射角度下样品的反射系数Fig.16 Reflection coefficient results for samples under different incidence angles

用屏蔽室法测透射系数，验证不同入射波极化方式对样品频响特性的影响，测试结果如图17所示。而由于单元结构形状为立体U型，受入射波极化方式影响较大。当将样品垂直放置时，样品对电磁波基本呈现全部透通性。

图17 不同极化波入射时透射系数Fig.17 Reflection coefficient results for samples under different polarization methods

4 结 论

本文介绍了一种基于立绒织物的三维FSS，实验探究了平面立体周期结构、单元结构尺寸、材料、绒毛密度、绒毛倾斜角度以及连通方式等参数对频响特性的影响，得出以下结论。

1)绒毛行距的增加，产生的谐振频率向低频缓慢移动，带宽会明显变细；循环单元周期尺寸或绒毛高度的增加，谐振频率会向低频率移动，带宽逐渐变窄。

2)由导电纱线构成的尺寸和形状相同的结构单元FSF，纱线导电性越好，织物的谐振现象越明显。随着绒毛倾斜角度的增大，谐振频率向低频移动；织物的绒毛密度越大，谐振频率越高。

3)破坏U型底部结构， FSF不产生谐振；单元底部总长度相同时，U型个数基本不影响织物的谐振效应；但相同U型个数越多，单元底部总长度越大，谐振频率向低频移动。

4)在样品水平放置时，随着入射角的变化，该结构具有一定的角度稳定性。但该结构受入射波极化方式影响较大。

基于立绒织物的FSS具有常规FSS所不具有的轻质柔性特点，并且从原料、单元形状、尺寸等方面具有多种可设计性。以上实验探究所得出的结论，将有利于开发特定谐振点的产品，有利于进一步指导立绒FSF的研究。

FZXB

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Influence factors of frequency response characteristics for new velvet fabric with frequency selective surface

WANG Yajing1，2, XIAO Hong2, CHENG Huanhuan1, SHI Meiwu2, WANG Qun3, TANG Zhanghong3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticsSupportDepartment,Beijing100082,China; 3.CollegeofMaterial,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

With the metallic yarns as the conductive structure unit material, the new frequency selective fabrics based on U velvet were papered by velvet weaving method to explore the frequency response characteristics of flexible frequency selective surface. By testing and analyzing transmission coefficient of samples, influence factors of frequency response characteristics were studied. With the increase of unit structure size, line spacing, velvet height or inclination angle of testing, the resonant frequency shifts to low frequency, the density of the conductive yarns is increased, and the resonant frequency is moved to the high frequency, with the same unit bottom length, the resonant frequency of different U connections has little change. The increasing of the number of the same U connecting leads to the lower frequency. When silver fiber is used as the unit conductive material, the resonance peak and bandwidth of the sample are larger. And the resonant peak of bare copper wire samples is sharper and steeper. U type velvet fabric has the stability performance of the angle of incidence, but has a great influence on the way of polarization.

U-type velvet fabric; frequency selective surface; influence factor; frequency response characteristic

10.13475/j.fzxb.20161100310

2016-10-31

2016-11-17

国家自然科学基金项目(51673211)

王亚静(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为电磁功能周期结构纺织材料。肖红，通信作者， E-mail：76echo@vip.sina.com。

TS 106

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