СВЕРХШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Российский патент 1998 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к антенной технике может быть применено для создания поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ), используемых при оснащении многофункциональных безэховых камер (БЭК) и экранированных помещений, обеспечивающих проведение радиотехнических измерений и испытаний технических средств на соответствие нормам и требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС).

В настоящее время в России и за рубежом отсутствует достаточная номенклатура ПЭВ, удовлетворяющая требованиям разработчиков БЭК для ЭМС, что объясняется большими трудностями создания поглотителей, способных успешно функционировать в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц при коэффициенте отражения по мощности в пределах от -12 до -40 дБ.

При использовании диэлектрических ПЭВ (т.е. поглотителей, обладающих диэлектрическими потерями) для обеспечения требуемых радиотехнических характеристик необходимо, чтобы высота их шиповидных элементов достигала нескольких метров. Такие размеры ПЭВ значительно сокращают полезный объем камеры и создают большие трудности по креплению данных поглотителей на боковые поверхности и потолок БЭК.

Ферритовые ПЭВ, у которых поглощение электромагнитной волны осуществляется главным образом за счет магнитных потерь, имеют толщину порядка 6-12 мм и относительно широкий рабочий диапазон частот, однако они обладают значительным коэффициентом отражения, величина которого для отдельных участков частотного диапазона, как правило, на высоких частотах превышает -10 дБ.

Комбинация радиопоглощающих материалов с диэлектрическими и магнитными потерями в конструкции ПЭВ до настоящего времени была малоперспективна. Так, например, известен комбинированный поглотитель электромагнитных волн, выполненный на основе ферритовых пластин, на которые устанавливается диэлектрическая сотовая конструкция шахтного типа. На боковые поверхности конструкции методом трафарета нанесены токопроводящие покрытия в виде равнобедренных трапеций. Данный поглотитель имеет сложную технологию изготовления и неудовлетворительные радиотехнические характеристики в диапазоне метровых волн.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому поглотителю является многослойный поглотитель электромагнитных волн, состоящий из слоев диэлектрика, магнитного материала и металлической подложки [1]. Поглотитель, принятый за прототип, имеет согласующую клиновидную часть и последующие 4 слоя, выполненные из диэлектрического материала с потерями, причем распределение постоянных затухания электромагнитной волны по этим слоям подчиняется определенному закону. Диэлектрические слои совместно со слоем из магнитного материала с потерями закрепляются на металлической подложке, при этом общая толщина блока поглотителя равна 53 см. При заданном распределении постоянных затухания диэлектрических слоев и магнитных параметров последнего слоя КСВН поглотителя в частотном диапазоне от 0,1 до 5,0 ГГц составляет величину менее 1,2.

К недостаткам данного технического решения следует отнести: узкий частотный диапазон поглощаемых электромагнитных волн, ограниченный 0,1 -5,0 ГГц и исключающий использование данного поглотителя при оборудовании БЭК для испытаний антенной техники и технических средств на ЭМС; большая толщина поглотителя; использование в конструкции поглотителя материалов, подверженных горению и деструкции в процессе эксплуатации.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона поглощаемых электромагнитных волн, уменьшение толщины поглотителя и использование в конструкции ПЭВ высокостабильных, негорючих и экологически чистых материалов.

Цель достигается тем, что в известном поглотителе электромагнитных волн для безэховых камер и экранированных помещений, состоящем из слоев диэлектрического и магнитного материалов и металлической подложки, диэлектрический материал представляет собой радиопоглощающее пеностекло с удельным затуханием 0,2 - 0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м³ и толщиной 200 - 350 мм, магнитный материал выполнен из радиопоглощающего никель-цинкового феррита толщиной 8,5-12 мм, что обеспечивает поглотителю коэффициент отражения по мощности в пределах от -12 дБ до -40 дБ в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц.

Проведенный заявителем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволили выявить отличительные признаки в заявленном решении, следовательно, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "новизна". Дополнительный же поиск, проведенный заявителем, не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а следовательно, предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "существенные отличия".

На чертеже изображен общий вид заявляемого поглотителя электромагнитных волн, используемого для облицовки потолка и боковых поверхностей БЭК (фиг. 1) и пола (фиг. 2), где 1 - диэлектрический материал из радиопоглощающего пеностекла; 2 - магнитный материал из радиопоглощающего феррита; 3 - металлическая подложка.

Диэлектрический материал представляет собой радиопоглощающее пеностекло, получаемое вспениванием порошкообразного алюмосиликатного стекла с газообразователем сажей ПМ-30, одновременно выполняющим роль поглощающего компонента. В зависимости от концентрации поглощающего компонента удельное затухание пеностекла может изменяться от 0,1 до 5,0 дБ/см на частоте 4 ГГц, что представляет большие возможности для определения оптимальных параметров диэлектрического материала в конструкции ПЭВ. К достоинствам радиопоглощающего пеностекла следует также отнести высокую стабильность его радиотехнических характеристик в течение неограниченного времени и полное отсутствие выделений вредных веществ в процессе эксплуатации.

Магнитный материал выполняется в виде ферритовых пластин, изготовляемых из твердых растворов феррита никеля и феррита цинка (NiO FeO₄ - ZnO Fe₂O₄), которые получаются в результате спекания ферритового порошка, имеющего состав Ni_0?36Zn_0?64Fe₂O₄, известного под маркой 600 НН. Оптимальный термический режим спекания пластин происходит при температуре 1180-1200^oC и изотермической выдержке 5 ч. Спекание ферритовых пластин сопровождается деформацией и усадкой, величины которых заложены в технологический процесс изготовления. Для уменьшения коэффициента отражения, особенно в низкочастотном диапазоне электромагнитных волн, размеры ферритовых пластин должны быть максимальными, однако они ограничены технологическими возможностями изготовления.

Диэлектрический и магнитный материал закрепляется в блок на металлической подложке при помощи клея типа "Гермосур" или 88, образуя панель поглотителя, которая механическим путем закрепляется на рабочей поверхности БЭК.

Заявляемый поглотитель электромагнитных волн представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из диэлектрического, магнитного материалов и металлической подложки, необходимой для создания на своей поверхности максимальной величины напряженности магнитного поля, в котором и располагаются ферритовые пластины, обладающие большими магнитными потерями. В общем случае ферромагнитные материалы имеют значительные магнитные потери вблизи своей резонансной частоты, зависящей в свою очередь от диэлектрических и магнитных параметров и толщины получаемых ферритовых пластин. Для данного технического решения состав и толщина магнитного материала определены таким образом, чтобы коэффициент отражения имел минимальную величину на низких частотах (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что данный ферритовый поглотитель имеет при толщине пластин от 8,5 до 12 мм коэффициент отражения менее -12 дБ в диапазоне частот от 0,03 до 0,75 ГГц и более -12 дБ на частотах свыше 0,75 ГГц.

Для решения задачи по разработке поглотителя электромагнитных волн, успешно функционирующего во всем диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц, необходимо было разработать такой диэлектрический поглощающий материал, который при определенных электрофизических параметрах и толщине имел бы малый коэффициент отражения на высоких частотах, был бы радиопрозрачным на низких частотах и имел бы при взаимодействии с ферритовым поглотителем удовлетворительные радиотехнические характеристики в средней полосе частот.

За основу диэлектрического материала было выбрано негорючее, экологически чистое пеностекло, обладающее малой объемной плотностью (160-190 кг/м³), имеющее достаточную механическую прочность (порядка 10 кгс/см) для изготовления согласующих элементов различной геометрической формы, и отработанный технологический процесс изготовления, позволяющий плавно изменять радиопоглощающие свойства структуры.

После проведения теоретических и экспериментальных исследований была определена базовая конструкция ПЭВ, основные геометрические размеры которой приведены на фиг. 1 и которая состоит из:
- диэлектрического материала, имеющего плоскую форму или в виде клиновидных элементов из радиопоглощающего пеностекла с удельным затуханием 0,2 - 0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м³ и толщиной 200-350 мм.

- магнитного материала, изготовленного в виде пластин из никель-цинкового феррита размерами 100x100 мм и толщиной 8,5-12 мм;
- металлической подложки из листовой стали размерами 500x500 мм и толщиной 3 мм.

Радиотехнические характеристики оптимальных вариантов ПЭВ приведены в табл. 2.

Приведенные примеры конкретных вариантов конструкций поглотителя, отличающиеся между собой радиотехническими характеристиками, весом (от 65 до 105 кг/м² и назначением (для облицовки пола, потолка и боковых поверхностей БЭК), свидетельствуют о разработке заявителями сверхширокодиапазонного ПЭВ, который по совокупности радиотехнических, конструкционных, пожаробезопасных и экологических характеристик и свойств не имеет в настоящее время отечественных и зарубежных аналогов.

Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения имеют место и основываются на следующем.

Во-первых, за счет улучшения радиотехнических показателей ПЭВ повышается качество и снижается себестоимость затрат проведения в одном помещении (камере) испытаний антенной техники и технических средств на соответствие нормам и требованиям по ЭМС.

Во-вторых, увеличивается рабочий объем и полезная дорогостоящая площадь безэховых камер или экранированных помещений за счет уменьшения толщины ПЭВ.

В-третьих, благодаря высокостабильным радиотехническим характеристикам отсутствует потребность в периодическом переоснащении БЭК, что имеет место для поглотителей, выполненных с использованием полимерных материалов.

В-четвертых, обеспечиваются пожаробезопасность и экологически чистые условия нахождения обслуживающего персонала в замкнутых объемах, оснащенных заявляемым ПЭВ.

Сверхширокодиапазонный поглотитель электромагнитных волн относится к антенной технике и может быть применен для создания поглотителей электромагнитных волн, используемых при оснащении многофункциональных безэховых камер и экранированных помещений. Поглотитель представляет собой конструкцию, состоящую из диэлектрического материала, выполненного на основе радиопоглощающего пеностекла, магнитного материала из радиопоглощающего никель-цинкового феррита, которые закреплены на металлической подложке. По техническим характеристикам изобретение является сверхширокодиапазонным, малогабаритным, негорючим и экологически чистым поглотителем. 2 табл., 2 ил.

Поглотитель электромагнитных волн для безэховых камер и экранированных помещений, состоящий из слоев диэлектрического и магнитного материалов и металлической подложки, отличающийся тем, что диэлектрический материал представляет собой радиопоглощающее пеностекло с удельным затуханием 0,2 - 0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м³ и толщиной 200 - 350 мм, магнитный материал выполнен из радиопоглощающего никель-цинкового феррита толщиной 8,5 - 12,0 мм, при этом поглотитель имеет коэффициент отражения по мощности в пределах от - 12 до -40 дБ в диапазоне частот 0,03 - 37,5 ГГц.