金属网可以阻挡电磁波传播的原理是什么

最后编辑于: 2014-11-05 22:54 | 分类: 电子 | 标签: 电磁屏蔽 | 浏览数: 5413 | 评论数: 0

本文节选自知乎一篇问答

Original address：http://www.zhihu.com/question/20032738

知乎中的原问题

金属网可以阻挡电磁波传播的原理是什么？

衍射？还是因为电场磁场？  
那至少要多大的孔径才可以产生“集肤效应”，与电磁波的波长有关么？  
在网上看到这么一句话”金属网孔径小于电磁波波长的1/4时，则电磁波不能透过金属网“，不知道靠不靠谱

我认为最有价值的2个回答：

答者爬犁腿，擅长EE, 天线

th chen、Ether、沐剑纲 等人赞同

首先，不是衍射。

我们都做过直流电路实验，导线就是金属，也就谈不上屏蔽（静电屏蔽是指接地金属罩，屏蔽静电场）。电磁波辐射，是关于时变电磁场的问题，导体对其影响大不相同。

如果利用趋肤效应，解释的实际上是金属板屏蔽电磁场原理。

对于一个金属板（良导体），电磁波从一面辐射而来，大部分能量被反射，小部分能量进入金属，该电磁波会随进入金属的深度成e指数衰减（能量转化为表面电流），当金属层过薄时，电磁波就会穿透金属层继续传播。对于同一频率电磁波，电导率越高，衰减越快。对于相同金属材料，电磁波频率越高，衰减越快。

定义：趋肤深度，电磁波传输一个趋肤深度的距离后，振幅衰减到原来的36.8%，能量衰减到13.5%。对于相同金属材料，电磁波频率越高，趋肤深度越小。

例：10GHz电磁波。银，电导率6.173e7(S/m)，趋肤深度6.4e-7(m)，即0.64微米；1GHz电磁波，趋肤深度20.24e-7(m)，即2.24微米。【1】

那么，同材料的金属板，频率越高，趋肤深度越小，对辐射防御能力是越强。

回归正题，金属网屏蔽电磁场原理，（趋肤效应解释波导也有用到，不是重点）。

先说矩形波导，四壁是金属，电磁波在波导中的介质中传播。金属网实际上就是下图中许许多多的矩形波导叠放组合在一起，z方向长度再缩短些就是了。

矩形波导示意图

为何电磁波不会从金属网的窟窿中穿透呢？对于金属网，每一个网孔都是一个波导。借用光的粒子说，电磁波像弹球一样，进入网孔波导后，来回在金属壁上反弹，曲折前进。【2】

电磁波波导中传播示意图

为满足金属壁这一边界条件下的Maxwell方程，对于相同规格的矩形波导，频率越低（波长越大），theta越大；当波长大于等于截止波长时，theta=90°，电磁波只上下弹跳，不前进了。

截止波长=2a（a为上上图中的矩形波导长边），若孔径指半径，孔径=a/2，则波长大于4倍孔径的电磁波就会被屏蔽。“金属网孔形式若为矩形整齐排列，金属网孔径小于电磁波波长的1/4时，则电磁波不能透过金属网”有相当大的参考意义。尽管考虑到网孔的密集大量排布，不一定是1/4，但也差不多少。

两种手段——金属板、金属网都可屏蔽电磁波，一个直接利用趋肤效应，一个利用波导的高通滤波作用。

对于实际工程应用，设计网孔大小合适的金属网，就能够在达到屏蔽指标要求的情况下，最大限度地节约材料，降低成本；户外应用中，可以减低重量，便于移动，而且受风荷较小，不易形变。

参考文献：

[1] D.M.Pozar, Microwave Engineering. 4th ed. John Wiley & Sons, Inc. ,New York , 2012.

[2] 梁昌洪. 简明微波. 北京：高等教育出版社, 2006.

答者知乎用户，/commoner 不懂物理，会一点点光学

宋鹏云 赞同

2楼从工程的角度给出了合理解释。实际上从物理上说，周期性结构存在光子波带（想象下光子晶体），波带可能存在禁带stop band。所谓波导的cut off frequency其实就是一种stop band。金属网也有stop band。因此，在这个stop band 之内的电磁波无法被结构中的任何一种模式所支持，只能被反射。但实际上我觉得用静电屏蔽也可以解释。因为尺度小于波长1/4的时候就可以用quasi field approximation来计算，简而言之，和静电场一样，只是换上AC 的介电系数即可。

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