1. 引言
随着5G通讯、新能源、高铁行业的快速发展，小型化、高功率类电子元器件实现了高度集成化应用，从而引起的电、磁辐射干扰及兼容问题愈发凸显，电、磁能量辐射引发的电子仪器设备电磁兼容性差，空间环境电磁污染严重等现象受到了广泛的关注 [1] [2] [3]。在工程应用中，电、磁屏蔽涂层材料相对于金属材料具有易施工、重量小等优势，作为治理电磁污染最为简便和有效的方法得到了广泛的应用和发展 [4] [5]。
传统电磁屏蔽涂层材料是以电场阻抗失配来实现电磁波反射，从而起到阻碍电磁波传输来实现电磁屏蔽的效果，材料设计时以提高导电率为首要目标，而对于磁场阻抗差较小的直流(DC~10 kHz)、低频(100 kHz~50 MHz)电、磁场屏蔽研究较少。因此，具有宽频(DC~18 GHz)、高屏效、轻质化等特征的新型电、磁屏蔽涂层材料的研制对于5G通讯、新一代高铁、新能源等终端设备的电磁防护及兼容设计具有重要的意义。
本文采用CST仿真软件中磁场工作室、微波工作室模块 [6] 分别构建了3种电、磁屏蔽效能仿真分析模型，研究涂层材料在DC~18 GHz频段范围内，其导电率、相对导磁率及厚度对新型宽频电磁屏蔽涂层材料屏蔽性能的影响，得到了设计指导原则，为新型宽频电磁屏蔽涂层材料的设计、应用提供了有效的理论支撑。
2. 分析模型
2.1. 屏蔽效能分析模型建立
1) 直流(DC~10 kHz)磁场屏效分析模型：依据GB/T 30140-2013《磁性材料在直流/低频磁场中屏蔽效能的测量方法》建立模型。依据标准测试方法，采用Helmholtz线圈仿真测量模型，模型结构如图1所示：
Figure 1. Structure of Helmholtz coil model
图1. Helmholtz线圈模型结构图
模型中心为管状涂层材料，其长径比为5:1，材料进行参数化网格剖分并在试样中心部位设置场强测量点；在试样长度方向设置2个平行线圈，可进行DC~10 kHz电流输入设置。在场强测量点分别针对试样放入线圈前后的场强能量值，进行两次测量，再将测量结果按照电磁屏蔽理论公式计算出材料屏蔽效能 [7]。
2) 低频(100 kHz~50 MHz)电、磁场屏效分析模型：依据GJB 6190-2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》建立模型。依据标准测试方法，采用小环天线仿真测量模型，其模型结构图如图2所示：
Figure 2. Structure of small loop antenna method model
图2. 小环天线法模型结构图
屏蔽室窗口覆盖涂层材料，材料进行参数化网格剖分；屏蔽室外部设置发射环天线，内部设置接收环天线，2个环天线采用同轴放置或水平(垂直)共面放置；发射环天线输入电流辐射低频磁场，在接收环天线测量点处分别测量覆盖涂层材料前后的场强能量值，再将测量结果按照电磁屏蔽理论公式计算出材料屏蔽效能。
3) 中、高频(1~18 GHz)电磁场屏效分析模型：依据GJB 6190-2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》建立模型。依据标准测试方法，采用双脊喇叭天线线仿真测量模型，其模型结构图如图3所示：
Figure 3. Structure of horn antenna method model
图3. 喇叭天线法模型结构图
屏蔽室窗口覆盖涂层材料，材料进行参数化网格剖分；屏蔽室内、外部分别设置发射喇叭天线和接收喇叭天线，2个喇叭天线呈水平相对放置；发射喇叭天线辐射中、高频电磁波，在接收喇叭天线处分别测量覆盖涂层材料前后的场强能量值，再将测量结果按照电磁屏蔽理论公式计算出材料屏蔽效能 [8]。
2.2. 屏蔽效能仿真计算
1) 直流(DC~10 kHz)磁场环境下屏效仿真：设定测试标准中典型参考频率点10 kHz进行仿真，参数设置为：相对导磁率：25~500；导电率：2000~10,000 S/m；厚度：1~3 mm，仿真材料的屏效和影响关系。
2) 低频(100 kHz~50 MHz)电、磁场环境下屏效仿真：设定测试标准中典型参考频率点200 KHz、2 MHz、20 MHz进行仿真，参数设置为：相对导磁率：25~500；导电率：2000~10,000 S/m；厚度：1~3 mm，仿真材料的屏效和影响关系。
3) 中、高频(1~18 GHz)电磁场环境下屏效仿真：设定测试标准中典型参考频率点2 GHz、6 GHz、18 GHz进行仿真，参数设置为：相对导磁率：25~500；导电率：2000~10,000 S/m；厚度：1~3 mm，仿真材料的屏效和影响关系。
3. 仿真结果讨论
3.1. DC~10 kHz直流磁场环境下，材料相对导磁率、导电率、厚度与屏效的关系
1) 10 kHz磁场环境下，材料相对导磁率与屏效的影响关系
如图4所示，在10kHz磁场环境下，材料屏效随着相对导磁率的增大而升高，且与相对导磁率成准正比关系。
2) 10 kHz磁场环境下，材料导电率与屏效的影响关系
如图5所示，在10 kHz磁场环境下，材料屏效无变化，与导电率无影响关系。
3) 10 kHz磁场环境下，材料厚度与屏效的影响关系
如图6所示，在10 kHz磁场环境下，材料屏效随着厚度的增大而升高，且与厚度成准正比关系。
Figure 4. The relationship between shielding effectiveness and magnetic permeability of materials in 10 kHz magnetic field
图4. 10 kHz磁场环境下材料屏效与相对导磁率影响关系
Figure 5. The relationship between shielding effectiveness and electrical conductivity of materials in 10 kHz magnetic field
图5. 10 kHz磁场环境下材料屏效与导电率的影响关系
Figure 6. The relationship between shielding effectiveness and thickness of materials in 10 kHz magnetic field
图6. 10 kHz磁场环境下材料屏效与厚度的影响关系
3.2. 100 kHz~50 MHz低频电、磁场环境下，材料相对导磁率、导电率、厚度与屏效的关系
1) 100 kHz~50 MHz电、磁场环境下，材料相对导磁率与屏效的影响关系
如图7所示，在100 kHz~2 MHz电、磁场环境下，材料屏效随着相对导磁率的增大而升高，且相对导磁率对屏效的影响较大；而在2~20 MHz电、磁场环境下，材料屏效依然随着相对导磁率的增大而升高，但相对导磁率对屏效的影响逐渐变小。
Figure 7. The relationship between shielding effectiveness and magnetic permeability of materials in 100 kHz~50 MHz electric and magnetic field
图7. 100 kHz~50 MHz电、磁场环境下材料屏效与相对导磁率的影响关系
2) 100 kHz~50 MHz电、磁场环境下，材料导电率与屏效的影响关系
如图8所示，在100 kHz~2 MHz电、磁场环境下，材料屏效随着导电率的增大而升高，但导电率对屏效的影响不大；而在2~50 MHz电、磁场环境下，材料屏效依然随着导电率的增大而升高，且导电率对屏效的影响逐渐变大。
Figure 8. The relationship between shielding effectiveness and electrical conductivity of materials in 100 kHz~50 MHz electric and magnetic field
图8. 100 kHz~50 MHz电、磁场环境下材料屏效与导电率的影响关系
3) 100 kHz~50 MHz电、磁场环境下，材料厚度与屏效的影响关系
如图9所示，在100 kHz~2 MHz电、磁场环境下，材料屏效随着厚度的增大而升高。
Figure 9. The relationship between shielding effectiveness and thickness of materials in 100 kHz~50 MHz electric and magnetic field
图9. 100 kHz~50 MHz电、磁场环境下材料屏效与厚度的影响关系
3.3. 1~18 GHz中、高频电磁场环境下，材料相对导磁率、导电率、厚度与屏效的关系
1) 1~18 GHz电磁场环境下，材料相对导磁率与屏效的影响关系
如图10所示，在1~18 GHz电磁场环境下，材料相对导磁率与屏效的无影响关系。
Figure 10. The relationship between shielding effectiveness and magnetic permeability of materials in 1~18 GHz electromagnetic field
图10. 1~18 GHz电磁场环境下材料屏效与相对导磁率的影响关系
2) 1~18 GHz电磁场环境下，材料导电率与屏效的影响关系
如图11所示，在1~18 GHz电磁场环境下，材料屏效随着导电率的增大而升高。
Figure 11. The relationship between shielding effectiveness and electrical conductivity of materials in 1~18 GHz electromagnetic field
图11. 1~18 GHz电磁场环境下材料屏效与导电率的影响关系
3) 1~18 GHz电磁场环境下，材料厚度与屏效的影响关系
如图12所示，在1~18 GHz电磁场环境下，材料厚度与屏效的无影响关系。
Figure 12. The relationship between shielding effectiveness and thickness of materials in 1~18 GHz electromagnetic field
图12. 1~18 GHz电磁场环境下材料屏效与厚度的影响关系
4. 分析与讨论
4.1. 直流(DC~10 kHz)磁场屏蔽效能分析
对于DC~10 kHz磁场的屏蔽主要是应用软磁性材料磁阻小的特点而对磁场能量进行导流来实现的，采用等效磁路的方法分析，如图13所示：
DC、低频磁场屏蔽是利用具有高导磁率特性软磁材料的低磁阻特性将磁场能量最大限度引入软磁材料内部传输，进而大大降低内部空间磁场能量，使内部空间磁场能量尽量减小，实现磁场屏蔽的效果。材料磁阻可表示为Rm = l/µs，因此，材料µ越大，厚度s越大，磁场屏蔽效能变好。
Figure 13. Principle of the magnetic shielding and equivalent magnetic circuit analysis method
图13. 磁场屏蔽原理及等效磁路分析法
4.2. 低频(100 kHz~50 MHz)电、磁场屏蔽效能分析
对于100 kHz~50 MHz电、磁场的屏蔽结合了磁场分流原理及导电表面涡流损耗原理来实现。当电、磁场频率≤2 MHz时，材料导磁率依然为主导屏蔽机制，主要以磁场能量导流形式实现较好的屏效。当电、磁场频率≥2 MHz时，材料的导磁率由于频散效应，会随着电、磁场频率升高而下降，如图14所示，因此，材料导磁率对于屏效的贡献会逐渐减弱。
Figure 14. Regular pattern of the permeability changes with frequency
图14. 相对导磁率随磁场频率变化规律
同时，随着电、磁场频率的升高，具有高导电率的屏蔽材料表面会产生感应电流以抵消外部磁场，从而对屏蔽效能有所贡献。其屏蔽原理为利用涡流反向磁场对于原骚扰磁场的排斥作用，抑制或抵消屏蔽体外的磁场。如图15所示：
可见，在低频电、磁场环境下，屏蔽原理是多种损耗机制并存，随着频率的升高，磁场屏蔽机理逐渐丧失了主导优势，屏效对导磁率的要求变小；随着频率的升高，屏效对导电率的要求也越来越高。涡流效应屏蔽机制起到了主导作用，频率越高，导电率越高，屏效越好。
Figure 15. Shielding principle of the eddy current effect
图15. 涡流效应屏蔽原理
4.3. 中、高频(1~18 GHz)电磁场屏蔽效能分析
对于1~18 GHz磁场的屏蔽主要是应用电磁波传输理论中电场阻抗失配原理，利用高导电材料的表面反射损耗机制来实现材料屏蔽效果的。依据传输线理论，中、高频电磁场屏蔽机理如图16所示：
Figure 16. Shielding principle of the medium and high electromagnetism
图16. 中高频电磁场屏蔽原理
当材料的表面导电率达到一定水平，其趋肤深度会很小。因此，在材料厚度大于趋肤深度的情况下，其屏效与厚度无影响关系。
其中反射衰减可表示为：
(1)
式中σ为导电率；µr为相对导磁率；f为频率。通常在中、高频电磁场中，材料相对导磁率会很小，无法起到导磁分流的屏蔽作用。因此，材料在中、高频电磁屏蔽机制以反射损耗为主，且随着导电率的升高而增加。
5. 结语
1) 在直流(DC~10 kHz)磁场环境下，材料的屏效主要以磁场导流屏蔽机制为主，由材料导磁率及厚度参数决定，且随着其导磁率、厚度的增大而升高，与材料导电率无影响关系。
2) 在低频(100 kHz~50 MHz)电、磁场环境下，材料的屏效出现多种屏蔽机制，材料的屏效与其导磁率、导电率均有较大的影响关系。在频率≤2 MHz时，磁场导流屏蔽机制起主导作用，材料导磁率与其屏效有较大的影响关系；在频率≥2 MHz时，涡流效应屏蔽机制起主导作用，材料导电率与其屏效有较大的影响关系；频率越低，导磁率对屏效影响越大；频率越高，导电率对屏效影响越大。
3) 在中、高频(1~18 GHz)电磁场环境下，材料的屏效主要以反射损耗屏蔽机制为主，材料导电率与其屏效有较大的影响关系，其屏效随着导电率的增大而升高。基于屏蔽机制的变化和趋肤深度的影响，材料的屏效与其导磁率、厚度无影响关系。
4) 在设计宽频(DC~18 GHz)电磁屏蔽涂层材料时，要充分考虑材料导磁率和导电率的兼容和匹配问题。理想情况下，同时提高材料的导磁率和导电率是设计宽频段、高屏效电磁屏蔽涂层材料的基本原则，实际设计时，可通过双层或多层材料的设计方法来实现。