Слоистый поглотитель электромагнитных волн

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для создания покрытий, поглощающих электромагнитные волны СВЧ-диапазона. Технический результат заключается в снижении коэффициента отражения радиоволн, толщины и удельного веса поглотителя. Сущность изобретения заключается в выполнении активных слоев в виде дифракционных решеток из углеграфитовой ткани, причем диэлектрическая проницаемость этих слоев возрастает от наружного активного слоя к внутренним и к металлу, и в выполнении радиопрозрачных слоев толщиной от 0,05 до 0,15 см. Кроме того, дифракционные решетки могут быть выполнены в виде прямых или обратных решеток Френеля, в виде решеток Франгофера, а также в виде сочетания различных решеток в единой конструкции. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания покрытий, поглощающих электромагнитные (э/м) волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Широко известны поглотители э/м волн, содержащие поглощающие элементы из ферритовых материалов, а в качестве связующих - различные краски, грунтовки, полимерные смолы, пластмассы и другое [1].

К основным недостаткам таких поглотителей относятся большие вес и толщина, а также высокий коэффициент отражения. Последнее связано с отсутствием плавного затухания э/м волн при их движении в слое поглотителя.

Наиболее близок к предлагаемому поглотитель, содержащий диэлектрические волокна, полимерное связующее и расположенные в отдельных слоях поглощающие элементы, например железный порошок или сажу, концентрация которых возрастает в направлении от наружного слоя к металлу [2].

Однако такой поглотитель трудно получать с нужными свойствами, поскольку распределение поглощающих элементов по толщине не учитывает зависимость величин их проницаемостей от частоты радиосигнала (частотную дисперсию проницаемостей). В связи с этим коэффициент отражения покрытия достигает 10 и более процентов в достаточно узком диапазоне длин волн радиоизлучений. В связи с этим целью изобретения является снижение удельного веса, толщины и коэффициента отражения радиоволн до величин, не превышающих 3% по мощности.

Поставленная цель достигается тем, что поглотитель содержит поглощающие слои с участками из проводящих тканых материалов, например из углеграфитовых тканей, и радиопрозрачных материалов, например из стеклоткани, образующих дифракционные решетки. Такие слои чередуются с изолирующими радиопрозрачными слоями различной толщины (фиг.1).

Удельное сопротивление радиопоглощающих участков из проводящих тканей снижается в направлении от наружного слоя к внутренним слоям, а величины проницаемостей возрастают. Это позволяет создавать условия для вхождения волны в материал с минимальным отражением. При дальнейшем ее движении к металлу возрастают ее поглощение, показатель преломления, рассеяние и сжатие, но продолжает снижаться отражение.

Таким образом, при послойном распределении необходимых величин проницаемостей, с учетом их частотной дисперсии, отражение не происходит.

Сопоставимый анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный поглотитель э/м волн отличается от известного тем, что поглощающие слои состоят из дифракционных решеток, выполненных из тканых проводящих материалов с большой величиной тангенса угла потерь, который может достигать нескольких единиц, что необходимо для эффективного затухания радиоволн в широкой полосе частот.

На фиг.2 приведены дифракционные решетки с различными свойствами, которые могут быть использованы в составе различных конструкций поглотителя повышенной эффективности.

1. Дифракционные решетки типа обратных решеток Френеля содержат квадраты из проводящей ткани, нанесенные на р/прозрачный диэлектрик, например стеклоткань, с различными величинами А и Б, от которых зависят свойства поглотителя. Они зависят также от расстояния между слоями (δ) и от величин проницаемостей (εʹʹ) и (εʹ), связанных с величиной тангенса угла потерь и с величинами удельных сопротивлений (ρ) поглощающих материалов.

Такие решетки обладают небольшим весом и высокой эффективностью снижения коэффициента отражения, но трудоемки в изготовлении.

2. Прямые решетки типа Френеля содержат отверстия, выполненные в проводящем тканом материале. Отверстия могут иметь различные диаметры (Д) и быть расположенными на различных расстояниях (Б) друг от друга. От величин “Д” и “Б” зависят вес поглотителя, дифракционное рассеяние падающего излучения, интерференционное гашение излучения и эффективность переотражения радиоволн между слоями. Прямые решетки технологичны, имеют небольшой вес и позволяют создавать широкополосные поглотители при использовании необходимого количества поглощающих слоев.

3. Решетки типа Фраунгофера содержат полосы из проводящих тканых поглотителей, между которыми образуются р/прозрачные щели различной ширины. Ширина полос ткани может совпадать с шириной щелей, или они могут быть различными. Их величины и их соотношение влияет на характер дифракции р/волн в слоях поглотителя. Удельное сопротивление полос-поглотителей и расстояние между ними уменьшаются в каждом слое в направлении к металлу. Решетки типа Фраунгофера используют в поглотителях парами с взаимно перпендикулярным расположением полос и щелей. Это позволяет уменьшить влияние на эффективность поглощения и отражения вертикально и горизонтально поляризованных э/м излучений радиоволн во взаимно перпендикулярных направлениях.

4. Для улучшения технологии изготовления покрытий и повышения эффективности затухания р/волн различные дифракционные решетки могут использоваться совместно.

Поглотители работают следующим образом.

Прямая э/м волна поступает в наружный слой, граничащий с воздухом (фиг.1), и проходит его без заметного отражения от передней поверхности. Далее волна поступает в активный слой первой дифракционной решетки, имеющей небольшую величину проницаемости. Проходя этот слой волна почти не отражается, а претерпевает небольшое затухание из-за дифракционного рассеяния, интерференции, поглощения и переотражения. Такое комплексное рассеяние энергии происходит на границе каждого поглощающего слоя с р/прозрачным изолирующим слоем, но с разной интенсивностью. Чем ближе поглощающий слой к металлу, тем больше интенсивность рассеяния, поскольку последующие слои выполнены из материалов с уменьшающимися величинами удельных сопротивлений и нарастающими величинами диэлектрических проницаемостей. В связи с этим комплексное рассеяние энергии радиоволн в поглотителе возрастает почти до полного их затухания.

С увеличением диапазона поглощаемых радиоволн необходимо добавлять поглощающие слои. При этом возрастают толщина и вес поглотителя. Таким образом, эффективные конструкции поглотителей должны быть рационально скорректированными по толщине и весу. Этому способствует применение в поглощающих покрытиях слоев из различных решеток.

Изолирующие слои состоят из р/прозрачного материала, например из стеклоткани, лака или полимерного связующего с малой диэлектрической проницаемостью. Их толщина определяет расстояния между дифракционными решетками и оптимальные условия затухания в процессах демпфирования, дифракции и интерференции. Поэтому она зависит от показателя преломления и длины волны в материале.

Высокая эффективность затухания радиоволн в предлагаемом поглотителе позволяет изготавливать его достаточно тонким и легким.

Толщина поглотителя /х/ зависит от коэффициента поглощения р/волн /α/ как х≈1/α, где α=πδ√ε/λ, λ - длина волны радиосигнала, a tgδ=ε’’/εʹ>1.

Видно, что поглощение э/м энергии в углеграфитовых тканях должно быть высоким, поскольку tg δ и ε велики, а λ мало из-за сжатия радиоволн при прохождении ими каждого активного слоя решетки.

Таким образом, сочетание перечисленных отличительных признаков изобретения обеспечивает изготовление легких и тонких поглотителей с малыми коэффициентами отражения в нужном диапазоне.

Примеры реализации предлагаемого устройства.

Пример 1.

Требуется изготовить поглотитель э/м излучений в диапазоне длин волн от 0,8 до 4,0 см с коэффициентом отражения не более 3% по мощности. С этой целью используют поглощающие слои, выполненные в виде дифракционных решеток типа обратных решеток Френеля, и р/прозрачные слои из стеклоткани (фиг.2). Активными элементами таких дифракционных решеток являются квадраты с размерами сторон (А) от 0,4 до 0,8 см. Ширина р/прозрачных промежутков (Б) решетки может находиться в пределах от 0,3 до 0,8 см.

Для эффективного затухания р/волн в указанном диапазоне в составе поглотителя должно быть два р/поглощающих и три р/прозрачных изолирующих слоя. Первый (наружный) слой толщиной от 0,5 до 0,8 мм состоит из стеклоткани и вспененного полимера или лака, нанесенного на его наружную сторону.

На внутренней стороне слоя закрепляют р/поглощающие квадраты с удельным сопротивлением от 150 до 250 Ом·см, образующие первую дифракционную решетку. Граничащий с ней изолирующий слой из стеклоткани имеет толщину от 0,1 до 0,15 см. За ним следует вторая дифракционная решетка, поглощающие квадраты которой нанесены на обратную сторону изоляционного слоя. Квадраты первой и второй решеток различаются либо размерами (у второй решетки А - больше, а Б - меньше), либо величинами проницаемостей (у второй решетки они больше). Изолирующий р/прозрачный слой между второй решеткой и металлом состоит также из стеклоткани и имеет толщину от 0,05 до 0,1 см. Таким образом, толщина поглотителя составляет от 0,18 до 0,3 см.

Пример 2.

Требуется изготовить поглотитель э/м излучений с коэффициентом отражения не более 3% по мощности в диапазоне длин волн от 1,0 до 10 см. Для этого применяют поглощающие слои из трех дифракционных решеток типа прямых решеток Френеля (фиг.2).

Первый р/прозрачный слой не отличается от аналогичного слоя в примере 1. Второй, четвертый и шестой слои изготавливают из р/поглощающих тканей с удельными сопротивлениями: для второго слоя - более 150, для четвертого - от 40 до 70 и для шестого - от 20 до 40 Ом·см. Величины диаметров отверстий в тканях и расстояния между ними выполняют в пределах от 0,3 до 1,0 и от 0,6 до 2,2 см соответственно.

Р/прозрачные изоляционные слои состоят из диэлектрических тканых материалов, например стеклоткани, толщиной от 0,15 до 0,05 см с уменьшением толщины в направлении к металлу.

Пример 3.

Изготавливают поглотитель р/волн с коэффициентом отражения не более 3% по мощности в диапазоне длин волн от 1,0 до 6,0 см. Для этого применяют в качестве поглощающих слоев дифракционные решетки типа решеток Фраун-гофера.

Поставленная задача требует для своего решения 2-х пар дифракционных решеток со взаимно перпендикулярным расположением поглощающих полос из проводящей ткани шириной от 0,4 до 0,8 см в каждой паре. Полосы закрепляют на стеклоткани, после чего их разделяют р/прозрачными щелями шириной от 0,15 до 0,8 см. Между четырьмя активными решетками располагают три изолирующих р/прозрачных слоя из стеклоткани толщиной от 0,15 до 0,05 см.

Первый р/прозрачный слой на границе с воздухом аналогичен первому слою в примерах 1 и 2. Второй и четвертый слои состоят из одинаковых дифракционных решеток с поглощающими полосами шириной 0,4 см и со щелями шириной 0,7 см. Р/поглощающие полосы выполнены из проводящей ткани с удельным сопротивлением от 150 до 250 Ом·см. Между ними располагают третий (изолирующий) слой толщиной до 0,1 см. Пятый (изоляционный) слой толщиной до 0,10 см. Шестой и восьмой активные слои одинаковы. Они содержат поглощающие полосы шириной 0,5 см и щели шириной 0,4 см. Удельное сопротивление проводящих полос - от 50 до 70 Ом·см и от 20 до 40 Ом·см. Между ними располагают седьмой (изоляционный) слой толщиной от 0,10 до 0,05 см и девятый (изоляционный) слой толщиной до 0,1 см.

Полная толщина такого поглотителя достигает 0,5 см. В связи с этим во многих случаях целесообразно изготавливать поглотители, в составе которых используют дифракционные решетки различных типов в различных сочетаниях.

Пример 4.

Изготавливают поглотитель э/м волн с коэффициентом отражения не более 3% по мощности в диапазоне длин волн от 1 до 10 см. Для этого используют одну дифракционную решетку типа обратной решетки Френеля с поглощающими элементами из ткани с удельным сопротивлением от 150 до 250 Ом·см, две решетки типа Фраунгофера с полосами из ткани с уд.сопр. от 40 до 70 Ом·см и одну решетку типа прямой решетки Френеля из проводящей ткани с уд.сопр. от 20 до 40 Ом·см. Наружный слой и изолирующие р/прозрачные слои аналогичны слоям приведенным в примерах 1, 2, 3.

Толщина покрытия составляет около 0,6 см.

На основании исследований с применением различных дифракционных решеток созданы образцы радиопоглощающих покрытий с параметрами:

Диапазон длин волн, см от 0,8 до 3,5 и до 10;

Коэффициент отражения, % от 0,5 до 3,2 и до 4,5;

Удельный вес покрытия, кг/м² от 2,5 до 4,5 и до 5,5;

Толщина покрытия, см от 0,3 до 4,0 и до 6,0;

Диапазон рабочих температур, °С от -60 до +60;

Практически важный диапазон длин волн от 0,8 до 3,5 см;

Экспериментальный диапазон от 1,0 до 10 см.

Источники информации

1. Зарубежная радиоэлектроника, 1972, № 7, с. 114.

2. Патент ЕРВ № 0121655, МКИ H 01 G 17/00, 1984.

Формула изобретения

1. Слоистый поглотитель электромагнитных волн, состоящий из диэлектрических волокон и полимерного связующего и из расположенных в активных слоях проводящих поглощающих элементов, диэлектрическая проницаемость которых возрастает от наружного активного слоя к внутренним активным слоям и металлу, отличающийся тем, что он содержит активные слои с расположенными в них проводящими поглощающими элементами, выполненными из углеграфитовой ткани и образующими дифракционные решетки, и радиопрозрачные слои толщиной от 0,05 до 0,15 см.

2. Слоистый поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дифракционных решеток используют обратные решетки Френеля, содержащие квадраты из углеграфитовой ткани, разделенные радиопрозрачными промежутками.

3. Слоистый поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дифракционных решеток используют прямые решетки Френеля, состоящие из углеграфитовых тканей с равномерно распределенными в них отверстиями.

4. Слоистый поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дифракционных решеток используют решетки типа Фраунгофера, содержащие полосы из углеграфитовой ткани шириной от 0,4 до 0,8 см с радиопрозрачными щелями между ними шириной от 0,15 до 0,8 см.

5. Слоистый поглотитель по п.1 или 4, отличающийся тем, что для эффективного поглощения различно поляризованных радиоволн дифракционные решетки типа Фраунгофера располагают в активном слое попарно с взаимно перпендикулярными направлениями полос и щелей и разделяют радиопрозрачными промежутками, толщиной от 0,05 до 0,15 см.

6. Слоистый поглотитель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для повышения эффективности поглощения радиоволн, а также для снижения толщины и веса поглотителя используют сочетания различных дифракционных решеток в единой конструкции поглотителя.

7. Слоистый поглотитель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что радиопрозрачные слои выполнены из стеклоткани.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2