Облицовочный материал для антенных измерений в неприспособленном помещении
Владельцы патента RU 2577796:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)
Использование: для антенных измерений в неприспособленном помещении. Сущность изобретения заключается в том, что облицовочный материал, выполненный в виде конструкции на основе картона, покрытой углеродсодержащим составом, отличающийся тем, что он выполнен на основе рифленых картонных ячеек для укладки куриных яиц, а в качестве углеродсодержащего состава использована смесь мелкодисперсного углерода, получаемого СВЧ плазменным пиролизом метана, и цапонлака в пропорции от 1:8 до 1:12, при этом поверхностная плотность нанесенного углерода составляет от 30 до 50 г на квадратный метр. Технический результат: снижение трудоемкости изготовления и уменьшение стоимости материала. 2 ил.
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может использоваться при измерении характеристик направленности и усиления антенн.
Широкое разнообразие существующих и разрабатываемых радиотехнических средств и систем связано с разработкой соответствующих антенн. Характеристики антенн зачастую диктуются не только электродинамическими соображениями, но и габаритами и конфигурацией конкретных радиосредств. Ввиду этого направленность и частотные характеристики антенн трудно поддаются расчету и нуждаются в экспериментальном исследовании. На практике вопрос оперативного измерения указанных характеристик возникает все чаще. Как правило, антенные измерения требуют специально оборудованного помещения, облицованного материалом, слабо отражающим электромагнитные волны, такие помещения не всегда доступны. Таким образом, существует проблема оперативного создания благоприятной обстановки для проведения антенных измерений в неприспособленных помещениях с неконтролируемыми отражениями от стен и предметов обстановки. Ключевым условием решения проблемы является наличие дешевого, мобильного, легкого облицовочного материала, снижающего неконтролируемые отражения до приемлемого уровня.
Известны облицовочные материалы для антенных измерений, содержащие набор наполненных углеродом элементов пирамидальной формы, располагаемых рядами на общей подложке, например, поглотители фирмы Emerson & Cuming [http://www.trimcom.ru/spec_rus.htm]. Технологически выполнение таких поглотителей сложно, поскольку требует формовки элементов и последующего монтажа на основании.
Более технологичны слоистые облицовочные материалы, состоящие из ряда плоских слоев поглощающего материала различной плотности, причем плотность слоев уменьшается по мере удаления от подложки, причем уменьшение плотности слоев сопровождается уменьшением содержания в них углеродного наполнителя, например, [патент РФ 2169952, опубл. 27.06.2001, МПК G12B 17/00].
Известны также сотовые облицовочные материалы фирмы Emerson & Cuming http://www.eccosorb.eu/products/eccosorb/eccosorb-hc, в которых также используется градиентное наполнение углеродом. Преимуществами сотовых поглотителей являются меньший вес и отсутствие выраженных плоских граней, имеющихся у плоских поглотителей. В то же время изготовление сотовых поглотителей представляет собой достаточно сложный процесс.
Преимуществами сотовых поглотителей в значительной степени обладает облицовочный материал для антенных измерений в неприспособленных помещениях по патенту [патент РФ 2253927, опубл. 10.06.2005, МПК H01Q 17/00], выбранный в качестве прототипа. Облицовочный материал представляет собой конструкцию, выполненную на основе картона. Конкретно конструкция состоит из картонных трубчатых элементов разной длины и диаметра. Важным достоинством является использование доступных и дешевых материалов. За основу трубчатых элементов берется известная шпуля картонная спирально навивная (ТУ 5456-001-53910392-2001). Трубчатые элементы собраны в блоки параллельно их осям и имеют внешний или внутренний электропроводящий слой. Концы трубчатых элементов имеют один скос или два симметричных скоса. Для придания поглощающих свойств элементы покрывают углеродсодержащим составом, конкретно ультрадисперсным коллоидно-углеродным раствором, или проклеивают проводящей бумагой. Дополнительно в трубчатые элементы могут быть помещены клинообразные поглощающие вкладыши. Известный облицовочный материал для антенных измерений может быть изготовлен и применен в наиболее неприспособленных условиях.
Вместе с тем, несмотря на дешевизну и простоту изготовления, данный облицовочный материал трудоемок в изготовлении, включающем приготовление коллоидно-углеродного раствора, формование и пропитку трубчатых элементов, обрезку скосов, сборку в пакеты и склеивание. Высокая трудоемкость определяет также высокую стоимость известного облицовочного материала.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в снижении трудоемкости изготовления и уменьшении стоимости материала.
Технический результат достигается тем, что облицовочный материал для антенных измерений в неприспособленном помещении, выполненный в виде конструкции на основе картона, покрытой углеродсодержащим составом, отличается тем, что он выполнен на основе рифленых картонных ячеек для укладки куриных яиц, а в качестве углеродсодержащего состава использована смесь мелкодисперсного углерода, получаемого СВЧ плазменным пиролизом метана, и цапонлака в пропорции от 1:8 до 1:12, при этом поверхностная плотность нанесенного углерода составляет от 30 до 50 г на квадратный метр.
Достижимость заявляемого технического результата обусловлена следующим.
Используемые рифленые картонные ячейки для укладки яиц - непревзойденно дешевый и доступный материал. Применяемый цапонлак обладает наименьшей стоимостью среди органических лаков. Мелкодисперсный углерод получают СВЧ плазменным пиролизом метана.
Преимущество мелкодисперсного углерода, получаемого СВЧ плазменным пиролизом метана - более рыхлая структура, характеризуемая насыпной плотностью на уровне 0,03-0,04 г/см3, то есть практически на порядок меньше, чем плотность технического углерода. Малая насыпная плотность свидетельствует о слабой степени слипания частиц в конгломераты, благодаря чему мелкодисперсный углерод, получаемый СВЧ плазменным пиролизом метана, не нуждается в специальной обработке при изготовлении углеродсодержащего состава. Экспериментально установлено, что проводящие свойства лака обеспечиваются простым перемешиванием его с указанным мелкодисперсным углеродом без какой-либо обработки (например, ультразвукового диспергирования).
Это обстоятельство обеспечивает минимальные трудозатраты на изготовление заявляемого облицовочного материала для антенных измерений в неприспособленных помещениях по сравнению с любыми аналогами.
Дешевизна и малые трудозатраты на изготовление заявленного облицовочного материала сочетаются с достаточно высокими электродинамическими характеристиками. Его поглощающие свойства обусловлены сочетанием двух факторов: наличием поверхностного сопротивления и рифленой поверхности. Поверхностное сопротивление при заявленной насыщенности поверхности мелкодисперсным углеродом составляет от 400 до 1000 ом/квадрат. Для достижения этой величины лак наносят слоями с пропорцией разведения углерод/лак от 1:8 до 1:12, в среднем 1:10 с допуском на неточность взвешивания. При малых пропорциях процесс нанесения слоев неоправданно затягивается, при больших пропорциях нанесение смеси затрудняется из-за чрезмерной густоты. Указанная величина поверхностного сопротивления близка к характеристическому сопротивлению свободного пространства (отношение амплитуд электрического и магнитного полей плоской волны). При этих условиях отражение поглощение плоского проводящего слоя достигает максимума - 50%, пропускание составляет до 25%, поглощение 25%. У рифленого слоя благодаря диффузному характеру отражения возвращаемая в антенну мощность оказывается крайне малой, благодаря чему погрешности измерений, обусловленные местными отражениями, сводятся к минимуму.
Облицовочный материал для антенных измерений в неприспособленных помещениях представляет собой конструкцию на основе картона с покрытием углеродсодержащим составом. Отличие состоит в том, что картонная основа представлена рифлеными картонными ячейками для укладки яиц, а в качестве покрытия использована смесь мелкодисперсного углерода, получаемого СВЧ плазменным пиролизом метана, и цапонлака в пропорции от 1:8 до 1:12. Поверхностная плотность мелкодисперсного углерода, нанесенного в составе покрытия, составляет от 30 до 50 г/м2.
Принцип действия облицовочного материала основан на частичном поглощении и частичном диффузном рассеянии волн рифленой проводящей поверхностью. Поверхностное сопротивление при указанном количестве углерода на единицу поверхности составляет от 400 до 1000 Ом/квадрат, что близко к характеристическому сопротивлению свободного пространства и соответствует максимальному поглощению падающего электромагнитного излучения. Отраженное излучение благодаря рифленому характеру поверхности диффузно рассеивается во все стороны, благодаря чему обратно в антенну попадает пренебрежимо малая его часть. Применяемые материалы обладают минимальной стоимостью, а изготовление покрытия требует минимальных трудозатрат по сравнению с аналогами.
Пример применения.
Предлагаемый облицовочный материал был выполнен на основе широко распространенных рифленых картонных ячеек для укладки яиц (ТУ 5481-002- 131593340-07). Глубина рифления порядка 50 мм, что обеспечивает диффузное рассеяние волн длиной менее 200 мм (частоты выше 1500 МГц). Ячейки покрыты смесью цапонлака (ТУ 6-21-090502-2-90) и мелкодисперсного углерода, полученного путем СВЧ плазменного пиролиза метана. Плотность нанесения углерода составила 40 г/м2.
На фиг. 1 приведен внешний вид исходных и покрытых углеродсодержащим составом картонных ячеек.
Основные измерения проводились в диапазоне длин волн 3 см с использованием слабонаправленных рупорных антенн. Коэффициент пропускания ячейки при нормальном падении составил -9 дБ, коэффициент отражения одной ячейки в сравнении с металлической поверхностью -20 дБ, коэффициент отражения двух наложенных друг на друга ячеек -26 дБ. Аналогичные свойства облицовочный материал демонстрирует в диапазоне от 2,4 до 24 ГГц.
На фиг. 2 приведены результаты измерения диаграммы направленности в диапазоне длин волн 3 см на лабораторном стенде без покрытия (кривая а) и с покрытием (кривая b) предлагаемым облицовочным материалом. Стенд представляет собой стеллаж с размерами области распространения волн 1×1×2 м. Отмечено практически полное исключение искажений диаграммы направленности, связанных с отражениями от местных предметов.
Предлагаемый облицовочный материал не требует применения высоких технологий, дефицитных материалов, трудоемкого выполнения и может быть рекомендован для решения широкого круга задач радиотехнического профиля. Кроме того, предлагаемый материал обладает наименьшим весом, приходящимся на единицу площади.
Облицовочный материал для антенных измерений в неприспособленном помещении, выполненный в виде конструкции на основе картона, покрытой углеродсодержащим составом, отличающийся тем, что он выполнен на основе рифленых картонных ячеек для укладки куриных яиц, а в качестве углеродсодержащего состава использована смесь мелкодисперсного углерода, получаемого СВЧ плазменным пиролизом метана, и цапонлака в пропорции от 1:8 до 1:12, при этом поверхностная плотность нанесенного углерода составляет от 30 до 50 г на квадратный метр.
