ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H05K9/00 

Изобретение касается создания систем, не отражающих электромагнитное излучение, и может быть использовано в радиотехнике для снижения фонового излучения в зоне действия радиопередающих устройств, при создании безэховых камер, а также в других отраслях техники, где возникает необходимость в поглощении электромагнитного излучения заданной частоты.

Известен способ получения системы, не отражающей электромагнитное излучение, например, применением в реализующем его устройстве отражающего сферического зеркала, по фокальной оси которого расположены стержень и воронка в форме конуса, выполненные из радиопоглощающего материала, причем воронка своим раскрывом обращена к сферическому зеркалу, а ее вершина совпадает с вершиной каустической поверхности сферического зеркала.

Недостатком известного способа является сложность конструктивного выполнения системы, не отражающей электромагнитное излучение.

Известен способ получения не отражающих поглотителей электромагнитного излучения заданной частоты, заключающийся в нанесении на отражающую металлическую поверхность поглощающего слоя вещества с выбранной толщиной слоя покрытия и его диэлектрическими свойствами.

Недостатком известного решения является отсутствие точной аналитической взаимосвязи между диэлектрическими свойствами материала покрытия и его толщины, приводящее к необходимости принятия допущения о том, что толщина слоя покрытия равна четверти длины волны в материале покрытия. При указанном допущении сохраняется комплексность величины входного сопротивления системы диэлектрик- металл, а следовательно, сохраняется частичное отражение волны при заданной частоте электромагнитного излучения.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка путем установления точных аналитических соотношений между толщиной слоя покрытия металлической поверхности и его диэлектрическими свойствами, при которой имеет место полное отсутствие отражения электромагнитного излучения заданной частоты.

Известно, что при отражении электромагнитной волны от слоя диэлектрика, равномерно нанесенного на отражающую металлическую поверхность, модуль коэффициента отражения волны
=, (1) где l - толщина слоя покрытия с комплексным значением диэлектрической проницаемости =ε′-iε″; ε′, ε″ - соответственно диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери вещества покрытия; Z_o, Z - волновые сопротивления воздушной среды и среды, заполненной материалом покрытия; =i , λ_д - соответственно постоянная распространения волны и значение длины волны в материале покрытия.

При существовании диэлектрических потерь в веществе зависимость от l представляет собой осциллирующую кривую, которая с увеличением l асимптотически приближается к некоторому предельному значению . При этом минимальный уровень отражения электромагнитных волн от системы диэлектрик-металл отмечается при толщинах слоя покрытия, равныx при определенном допущении (2K-1) λ_д/4, где К - номер минимума зависимости от l. Более строгий анализ показывает, что в общем случае экстремальные точки зависимости от l реализуются при значениях l_m, определяемых из условия
(1+y²)²=R₁R₂, (2) где R₁ = th(2π xy)-y˙ tg(2π x);
R₂ = cth(2π xy) + y ˙ ctg(2π x);
x = l_m/ λ_д ; y = tg Δ /2; Δ = arctg ε^II / ε^I ; λ - длина волны в вакууме.

С учетом указанного условия выражение для в точках минимума зависимости от l принимает вид
=. (3)
Из уравнения (3) следует, что при выборе толщины отражающего слоя диэлектрического покрытия, соответствующей положению одного из минимумов зависимости от l, отражения электромагнитной волны от системы диэлектрик - металл не произойдет при выполнении условия R₁ = =R₂; последнее с учетом выражения для R₁ и R₂ приводит к уравнению
y ˙ sh(4π xy) + sin(4 π x) = 0, (4) устанавливающему однозначную связь между толщиной и диэлектрическими свойствами материала покрытия, соответствующей случаю отсутствия отражения электромагнитной волны.

Так как
ε′= (1-y²); ε″= 2y, (5) то при выполнении условия R₁ = R₂, соответствующего случаю. =0 , уравнения (2) и (5) представляют в виде
= ; (6)
ε′ = R₁; ε″ = R₁, (7)
В полученных уравнениях (6), (7) l_m, ε^I , ε^II, являются функциями одних и тех же параметров х и у, входящих в уравнение (4). Поэтому совместное решение уравнений (4) и (7) позволяет путем исключения из них промежуточных параметров х, у установить функциональную зависимость между ε^I и ε^II материала отражающего покрытия, соответствующую случаю =0. Получаемые при этом из уравнения (6) соответствующие им значения l_m позволяют осуществить одновременный выбор необходимой толщины слоя данного покрытия.

Результаты совместного решения уравнений (4), (6) и (7) представлены на фиг. 1 в виде зависимостей ε^II от ε^I соответственно для первых двух минимумов зависимости от l при условии, что в выбираемых точках минимума этой зависимости =0. Каждой точке зависимостей (фиг.1) соответствует определенное значение приведенной толщины покрытия l_m/λ . Для удобства представления результатов расчета на кривых ε^II от ε^I (фиг.1) нанесены масштабные риски со значениями l_m/λ . Таким образом, выбор материала покрытия неотражающей системы диэлектрик - металл сводится к нахождению такого диэлектрического материала, значения ε^I и ε^II которого при заданной длине волны λ укладываются на соответствующей кривой фиг.1. При этом местонахождение рабочей точки / ε^I ,ε^II / на кривой определяет значение толщины слоя покрытия, при которой отсутствует отражение электромагнитной волны.

Фиг. 2 иллюстрирует пример реализации предлагаемого способа получения неотражающего поглотителя электромагнитного излучения для случая, когда диэлектрические свойства материала покрытия описываются уравнениями Дебая
ε′= ε_∞ + ; ε″=2, (8) где ε_o , ε_∞ - статическое и высокочастотное значения диэлектрической проницаемости вещества; τ - время релаксации; с - скорость света.

Если исключить параметр λ из уравнения (8), то в координатах ε^I, ε^II зависимость от ε^II от ε^I представляет собой полуокружность радиуса ( ε_o - ε_∞)/2 с центром в точке ( ε_o + ε_∞)/2 , расположенной на оси абсцисс (см. фиг. 2). При определенном выборе величины ε_oдиэлектрического покрытия возможны случаи пересечения Дебаевского полукруга с соответствующей зависимостью ε^II от ε^I, описываемой уравнениями (4) и (7). В этих случаях точки пересечения обеих зависимостей соответствуют таким значениям λ₁ и λ₂ электромагнитного излучения (точки А и Б фиг.2), при которых не происходит его отражение от системы диэлектрик-металл. Решение обратной задачи: выбор материала покрытия, обеспечивающего выполнение при заданной длине волны излучения условия =0, достигается соответствующим выбором величин статической диэлектрической проницаемости ε_o и времени релаксации τ .

Предлагаемый способ получения неотражающих поглотителей электромагнитного излучения иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Для получения системы диэлектрик-металл, реализующей указанное свойство при λ= 1 см, выбирают в качестве материала покрытия жидкий 4-этилпиридин, чьи диэлектрические свойства достаточно хорошо описываются уравнениями Дебая (8). При λ = 1 см и температуре 20^оС диэлектрическая проницаемость ε^I и диэлектрические потери ε^II4-этилпиридина соответственно равны 2,99 и 1,93. В координатной плоскости /ε^I ,ε^II / точка с указанными значениями ε^I ,ε^II укладывается при l_m/ λ = 0,155 на зависимость, описываемую уравнениями (4) и (7) для случая первого минимума зависимости от l (K = 1). Таким образом, при выборе толщины слоя покрытия l_m = 0,155 см электромагнитное излучение с длиной волны λ = 1 см не отражается от предложенной системы диэлектрик-металл.

П р и м е р 2. При λ = 3,22 см в качестве материала покрытия выбирают жидкие 2-винилпиридин и анизол, имеющие при 20^оС значения ε^I,ε^II соответственно равные 5,46; 2,83 и 3,75; 0,80. В координатной плоскости / ε^I,ε^II / точки с указанными значениями укладываются на кривые, соответствующие первому (K = 1) и второму (K = 2) минимумам зависимости от l. Получаемые при этом значения l_m/λ равны 0,111 для 2-винилпиридина и 0,400 для анизола. Отсюда следует, что отражения электромагнитной волны от системы диэлектрик-металл не происходит, если при λ = 3,22 см толщина покрытия из 2-винилпиридина или анизола будет выбрана соответственно l_m = 0,357 см и l_m = 1,288 см.

Аналогичным образом может быть подобран материал твердого диэлектрического покрытия, выполненного, например, на основе полимерных композиций и имеющего при наличии в нем функциональных полярных групп диэлектрические потери в заданном диапазоне электромагнитных волн.

Использование: для снижения уровня отражения электромагнитного излучения. Сущность изобретения: поглотитель электромагнитного излучения выполнен в виде металлической поверхности, на которую нанесен поглощаюший слой диэлектрика, толщина и диэлектрические свойства которого выбираются из совместного решения уравнений, выводимых для случая отсутствия отражения электромагнитного излучения заданной частоты от системы диэлектрик-металл. 2 ил.

ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий металлическое основание с нанесенной на него пленкой диэлектрика, отличающийся тем, что, с целью повышения степени поглощения электромагнитных волн заданного диапазона, диэлектрик выбран полярным с максимальной дисперсией вблизи заданного диапазона длин волн, при этом толщина пленки диэлектрика определяется из условия минимума модуля коэффициента отражения волны для пленки полярного диэлектрика на металле.