Конструкционный материал для поглощения электромагнитного излучения в широком диапазоне рабочих длин волн

Изобретение относится к области электротехники, в частности к изготовлению материала для уменьшения отражения электромагнитных волн СВЧ диапазона. Конструкционный материал для поглощения электромагнитного излучения в широком диапазоне рабочих длин волн выполнен в виде собранных в плоский пакет внешнего конструкционного слоя, электропроводящего слоя, согласующего диэлектрического слоя и металлического экрана. Электропроводящий слой помещен между конструкционным и согласующим диэлектрическим слоем, а с другой стороны согласующего слоя помещен металлический экран. Приведены формулы расчета относительной поверхностной проводимости электропроводящего слоя, геометрической толщины и относительной диэлектрической проницаемости согласующего диэлектрического слоя, а также расчета максимального перекрытия диапазона рабочих длин волн. Техническим результатом изобретения является создание конструкционного материала, поглощающего электромагнитное излучение в широком диапазоне рабочих длин волн, превышающем октаву. Конструкционный материал может быть применен для маскировки объектов, работающих при большом напоре воздуха и/или высоких температурах. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области техники СВЧ и предназначено для уменьшения отражений электромагнитных волн СВЧ диапазона от объектов, выполненных из конструкционных диэлектрических материалов, предназначенных для работы при большом напоре воздуха и(или) высоких температурах.

Нам неизвестны поглощающие конструкционные материалы или конструкционные поглотители, включающие внешний конструкционный слой, освещаемый электромагнитными волнами и несущий механические и(или) тепловые нагрузки, и внутренние, расположенные с теневой стороны конструкционного слоя, электропроводящий слой, согласующий диэлектрический слой и металлический экран, собранные в плоский пакет.

Известны поглотители электромагнитных волн разных конструкций, которые устанавливаются на внешней, освещенной стороне объекта, от которого необходимо уменьшить отражение электромагнитных волн. Такие поглотители не могут быть применены для маскировки объектов, предназначенных для работы при большом напоре воздуха и(или) высоких температурах, так как при этих условиях работы все известные поглотители разрушаются.

Харвей А.Ф., Техника СВЧ, т.1, М., 1965, стр.744. Поглощающий материал представляет собой пленку с поверхностным сопротивлением, равным волновому сопротивлению свободного пространства (377 Ом), изолированную от металлического экрана слоем диэлектрика толщиной четверть длины волны в диэлектрике. Такой материал работает в узком (до 10%) диапазоне частот, при установке его на внешней поверхности конструкционного слоя и не работает при установке его с внутренней, теневой стороны конструкционного слоя.

Авт.св. №1786567, H01Q 17/00, Бюл. №1, 07.01.93. Поглотитель электромагнитных волн выполнен в виде трех слоев: внешнего и нижнего из диэлектрических материалов и расположенного между ними среднего слоя электропроводящего материала. Этот материал не работает при установке его с внутренней, теневой стороны конструкционного слоя и не является конструкционным.

Патент RU №2231181, H01Q 17/00, Бюл. №17, 20.06.2001. Поглотитель электромагнитных волн состоит из диэлектрических волокон и полимерного связующего и из расположенных в активных слоях проводящих поглощающих элементов. Диэлектрическая проницаемость элементов возрастает от наружного активного слоя к активным внутренним слоям и металлу. Поглощающие элементы выполнены из углеграфитовой ткани и образуют дифракционные решетки. Этот материал не работает при установке его с внутренней, теневой стороны конструкционного слоя и также не является конструкционным.

Техническим результатом изобретения является создание конструкционного материала с поглощающим электромагнитные волны свойством в широком диапазоне рабочих длин электромагнитных волн, т.е. преобразование конструкционного материала в конструкционный поглотитель в диапазоне рабочих длин волн, превышающем октаву.

Изобретение поясняется чертежом, на котором введены обозначения: 1 - плоский конструкционный слой; 2 - плоский электропроводящий слой; 3 - плоский согласующий диэлектрический слой; 4 - плоский металлический экран.

Конструкционный поглотитель состоит из собранных и соединенных в плоский пакет: внешнего конструкционного слоя 1, электропроводящего слоя 2, согласующего диэлектрического слоя 3 и металлического экрана 4.

Плоский электропроводящий слой 2 расположен между плоским конструкционным слоем 1 и плоским согласующим слоем 3. С другой стороны согласующего слоя расположен плоский металлический экран 4.

Конструкционный слой 1 должен быть выполнен из диэлектрика без потерь. Толщина конструкционного слоя и его диэлектрическая проницаемость определяются исходя из требуемых прочностных и теплозащитных характеристик корпуса объекта, отражение от которого необходимо уменьшить.

Электропроводящий слой 2 изготавливается из металла, например платины. Толщина этого слоя должна быть меньше толщины скинслоя. Металл наносится напылением на внутреннюю поверхность конструкционного слоя 1 или на поверхность согласующего слоя 3, прилегающую к конструкционному слою. Металл может быть нанесен и на тонкую майларовую (лавсановую) пленку (толщиной меньше 0,2 мм), которая помещается между конструкционным 1 и согласующим 3 слоем. С другой стороны согласующего слоя 3 устанавливают металлический экран 4. В качестве металлического экрана 4 может быть применена алюминиевая фольга.

По заданным параметрам конструкционного слоя: его геометрической толщине D_t, относительной диэлектрической проницаемости ξ_t, требуемом значении максимума коэффициента отражения R конструкционного поглотителя в рабочем диапазоне длин волн по формулам (1), (2), (3), (4), (5) и (6) рассчитывают относительную поверхностную проводимость Y электропроводящего слоя, геометрическую толщину D и относительную диэлектрическую проницаемость ξ согласующего слоя и максимальное перекрытие диапазона N - отношение максимальной рабочей длины волны λ_max к ее минимальной длине λ_min.

Поверхностную проводимость Y рассчитывают по формуле (1):

,

где Y - относительная поверхностная проводимость проводящего слоя;

ξ_t - относительная диэлектрическая проницаемость конструкционного слоя;

q=(1-R)/(1+R);

R - допустимое максимальное значение коэффициента отражения конструкционного поглотителя в диапазоне рабочих длин волн.

Геометрическую толщину D согласующего слоя рассчитывают по формуле (2):

,

где D - геометрическая толщина согласующего слоя;

D_t - геометрическая толщина конструкционного слоя;

p=1/(q²·ξ_t-1).

Относительную диэлектрическую проницаемость согласующего диэлектрического слоя рассчитывают по формуле (3):

,

где ξ - относительная диэлектрическая проницаемость согласующего диэлектрического слоя.

Максимальное перекрытие диапазона N определяют из равенства (4):

Максимальную рабочую длину волны рабочего диапазона λ_max конструкционного поглотителя рассчитывают по формуле (5):

Минимальную длину волны рабочего диапазона конструкционного поглотителя рассчитывают по формуле (6):

Формулы: (1), (2), (3), (4), (5) и (6) получены на основании теории длинных линий.

Значение квадрата модуля коэффициента отражения r²(λ) конструкционного слоя в функции длины волны, для случая нормального падения плоской электромагнитной волны на плоскую границу раздела воздух - структура, состоящую из конструкционного слоя с относительной диэлектрической проницаемостью ξ_t, толщиной D_t, за которой находится электропроводящий слой с поверхностной проводимостью Y и короткозамкнутый согласующий слой толщиной D с относительной диэлектрической проницаемостью ξ и оптической толщиной, равной оптической толщине конструкционного слоя, когда соблюдается равенство , имеет вид:

r²f(λ)=[A₀+A₁x²+A₂(x²)²]/[B₀+B₁x²+B₂(x²)²],

где f - знак функции означает зависимость одной величины от другой;

;

A₁=1-(A₀+A₂); B₁=1-(B₀+B₂);

A₀=(1-Y/ξ_t)²·ξ_t/ξ; B₀=(1+Y/ξ_t)²·ξ_t/ξ;

.

Потребуем, чтобы внутри рабочего диапазона длин волн λ_max<λ<λ_min при некотором значении λ=λ₀ существовало бы некоторое значение максимума коэффициента отражения r_max=rf(λ₀)=R, которое было бы равно значениям коэффициента отражения на краях диапазона, т.е. чтобы выполнялись равенства

rf(λ_min)=rf(λ_max)=R. При любых возможных значениях Y, ξ_t и ξ эти равенства возможны при условии, когда соблюдается равенство x²f(λ_min)=x²f(λ_max), т.е. когда или когда , т.е. когда .

Для определения неизвестных величин λ_max и λ_min, характеризующих искомый рабочий диапазон длин волн, введем в рассмотрение величины: перекрытие диапазона N=λ_max/λ_min, и диапазонность h=cos[(π/(N+1)]=xf(λ_max). С помощью этих величин для границ рабочего диапазона длин волн получаем равенства: и λ_min=λ_max/N.

Потребуем, чтобы соблюдалось равенство , тогда выражение для максимума коэффициента отражения имеет место при .

На основании принятых обозначений из условия Rf(λ_min)=Rf(λ_max)=Rf(λ₀), после алгебраических преобразований, получим: [A₀+A₁h²+A₂(h²)²]/[B₀+B₁h²+B₂(h²)²]=

(A₀+A₁0²+A₂(0²)²]/[B₀+B₁0²+B₂(0²)²]=A₀/B₀. Произведем алгебраические преобразования последнего равенства:

B₀[A₀+A₁h²+A₂(h²)²]=A₀[B₀+B₁h²+B₂(h²)²];

B₀[A₁h²+A₂(h²)²]=A₀[B₁h²+B₂(h²)²];

B₀A₁-A₀B₁=h²(A₀B₂-B₀A₂);

B₀[1-(A₀+A₂)]-A₀[1-(B₀+B₂)]=h²B₂(A₀-B₀);

B₀-B₀(A₀+A₂)-A₀+A₀(B₀+B₂)]=h²B₂(A₀-B₀);

B₀-B₀A₂-A₀+A₀B₂=h²B₂(A₀-B₀);

B₀-A₀+B₂(A₀-B₀)=h²B₂(A₀-B₀)=(A₀-B₀)(B₂-1);

h²B₂=B₂-1; l=B₂(1-h²).

Окончательно получим: .

В этой функции необходимо вычислить неизвестные параметры ξ и Y так, чтобы значение диапазонности h или перекрытие диапазона N были максимально возможными. Эту задачу решаем при заданном допустимом максимальном значении коэффициента отражения, т.е. когда задана величина R²=A₀/B₀. В этом случае справедливо равенство:

R²=(ξ_t/ξ)·(1-Y/ξ_t)²/[(ξ_t/ξ)(1+Y/ξ_t)²]=(1-Y/ξ_t)²/(1+Y/ξ_t)²

Y/ξ_t=(1-δR)/(1+δR), где δ=±1; Y=sξ_t, где s=(1-δR)/(1+δR);

1/(1-h²)=(1-1/ξ_t)[(1+p)²-s²ξ² _t·p²/ξ_t]=(1-1/ξ_t)[(1+p)²-s²ξ_tp²], .

Из последней формулы видно, что максимизация диапазонности сводится к максимизации величины 1/(1-h²), т.е. максимизации правой части формулы, как функции p. Диапазонность будет тем больше, чем меньше s. Поэтому в формуле s=(1-δR)/(1+δR) из двух возможных значение δ=±1 следует брать δ=±1, т.е. s=q=(1-R)/(1+R). В этом случае 1/(1-h²)=(1-1/ξ_t)f(p), где f(p)=(1+p)²-q²ξ_t·p². Для нахождения экстремума функции f(p) возьмем ее производную по ее аргументу p и приравняем результат нулю: f'(p)=2(1+p)-2q²ξ_tp=2[p(1-q²ξ_t)+1]=0.

Из этого равенства следует, что экстремальное значение p_экст=1/(q²ξ_t-1). При p>О соблюдается неравенство (q²ξ_t-1)>0. Для выяснения характера экстремума (max или min) вычислим вторую производную f”(p)=2-2q²ξ_t=2(1-q²ξ_t)<0. При p=1/(q²ξ-1) имеем экстремум в виде максимума диапазонности, который вычисляется по формуле: h²=(1-q²)/q²(ξ_t-1).

При соблюдении условий: и ξ>1 должно выполняться неравенство . Поэтому при выборе значений q, т.е. R, должно соблюдаться неравенство . При соблюдении этого неравенства получим, что или .

Из последнего неравенства следует, что при заданном значении ξ_t коэффициент отражения R не должен быть слишком большим, что и требуется на практике. Например, при ξ_t=4 получаем q>0,612. При этом (1-R)/(1+R)>0,612. Из этого неравенства следует, что R должно быть меньше 0,24.

Пример реализации изобретения

Для примера рассчитаем параметры конструкционного поглотителя и рабочий диапазон при значении коэффициента отражения R=0,2 и заданных параметрах конструкционного слоя: ξ_t=4 и D_t=0,6 см.

При этом q=(1-R)/(1+R)=(1-0,2)/(1+0,2)=2/3 и p=1/(q²ξ_t-1)=9/7.

Относительную поверхностную проводимость электропроводящего слоя 2 рассчитывают по формуле (1), и получим Y=ξ_t·q=4·2/3=2,67.

Геометрическую толщину D согласующего диэлектрического слоя рассчитывают по формуле (2), и получим: D=D_t·p=9·0,6 см/7=0,77 см.

Относительная диэлектрическая проницаемость согласующего слоя рассчитывается по формуле (3), и получим: ξ=ξ_t/p²=2,42.

Максимальную диапазонность вычислим по формуле (4) и получим: h²=(1-q²)/q²(ξ_t-1)=5/12 и h=0,645, из чего следует, что π/(N+1)=arc cos(h)=0,87 и N=2,6.

Максимальную λ_max и минимальную λ_min рабочие длины волн конструкционного поглотителя рассчитаем по формулам (5) и (6) и получим: и λ_min=λ_max/N=3,32 см.

Конструкционный поглотитель с рассчитанными параметрами был собран и склеен в плоский пакет, который содержал:

- внешний конструкционный слой 1, выполненный из прозрачного диэлектрика (стеклотекстолит) с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 4 и толщиной 0,6 см;

- электропроводящий слой 2, выполненный в виде майларовой пленки толщиной 0,2 мм с напыленной в вакууме слоем платины с относительной поверхностной проводимостью электропроводящего слоя, равной 2,67, т.е. с поверхностным сопротивлением 141 Ом;

- согласующий диэлектрический слой 3, выполненный из прозрачного диэлектрика (оргстекло) с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 2,42 и толщиной 0,77 см;

- металлический экран, выполненный в виде алюминиевой фольги, толщиной 0,2 мм.

Во всем диапазоне рабочих длин волн коэффициент отражения конструкционного поглотителя не превышал значение 0,2.

Технический результат изобретения достигнут. Конструкционный материал стал поглощающим (коэффициент отражения не более 0,2) в диапазоне рабочих длин электромагнитных волн от 3,32 см до 8,62 с перекрытием диапазона 2,6 раза.

1. Конструкционный материал для поглощения электромагнитного излучения в широком диапазоне рабочих длин волн, выполненный в виде собранных и соединенных в плоский пакет внешнего конструкционного слоя, электропроводящего слоя, согласующего диэлектрического слоя и металлического экрана, при этом электропроводящий слой расположен между конструкционным и согласующим диэлектрическим слоем, а с другой стороны согласующего диэлектрического слоя расположен металлический экран, при этом относительную поверхностную проводимость Y электропроводящего слоя рассчитывают по формуле:
Y=ξ_t·q,
где ξ_t - относительная диэлектрическая проницаемость конструкционного слоя;
q=(1-R)/(1+R),
где R - допустимое максимальное значение коэффициента отражения конструкционного поглотителя в диапазоне рабочих длин волн,
геометрическую толщину D согласующего диэлектрического слоя рассчитывают по формуле:
D=D_t·p,
где D_t - геометрическая толщина конструкционного слоя;
p=1/(q²·ξ_t-1),
относительную диэлектрическую проницаемость ξ согласующего диэлектрического слоя рассчитывают по формуле:
относительную диэлектрическую проницаемость ξ согласующего диэлектрического слоя рассчитывают по формуле:
ξ=ξ_t/p².

2. Конструкционный материал для поглощения электромагнитного излучения по п.1, в котором максимальное перекрытие диапазона рабочих длин волн N электромагнитного излучения определяют из равенства:
cos²[π/(N+1)]=(1-q²)/[q²(ξ_t-1)].

3. Конструкционный материал для поглощения электромагнитного излучения по п.1, в котором максимальную рабочую длину волны рабочего диапазона λ_max рассчитывают по формуле:
.

4. Конструкционный материал для поглощения электромагнитного излучения по п.1, в котором минимальную рабочую длину волны рабочего диапазона рассчитывают по формуле:
λ_max=λ_max/N.