ПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН, ЕМКОСТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПОГЛОЩАЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ, ИНДУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПОГЛОЩАЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение применяется в областях техники, связанных с использованием электромагнитного излучения, и позволяет уменьшить засорение окружающей среды отраженными радиоволнами.

В военной области позволяет повысить скрытность боевой и транспортной техники в авиации, космонавтике или флоте от обнаружения их радиолокаторами противника.

Емкостные и индуктивные элементы поглощающего покрытия, армированные высокопрочными волокнами, можно использовать как конструкционный материал и для создания радиопрозрачных конструкций.

Имеющиеся в настоящее время поглощающие покрытия основаны на способности поглощения падающего излучения мелкодисперсными составляющими: металлической, графитовой и ферромагнитной пылью, а также чистым графитом. Они являются аналогами данного изобретения.

Недостаток таких покрытий заключен в самом принципе поглощения ими падающего радиоизлучения.

В случае с мелкодисперсными наполнителями падающие радиоволны создают в поверхностном поглощающем слое переменные магнитные поля и электрические токи смещения. Энергия этих полей и токов поглощается мелкодисперсным покрытием. Эти переменные токи сами создают вокруг себя переменное электромагнитное поле - отраженную волну. Таким образом, условием поглощения радиоизлучения является наличие токов в поглощающей среде и, как следствие - наличие отраженной волны.

В случае с графитовым покрытием достигается проникновение электромагнитного излучения, особенно в высокочастотной области, в глубь покрытия за счет конденсаторной связи между слоями графита, что обеспечивает лучшее по сравнению с дисперсными покрытиями поглощение радиоволн. Однако и в этом случае возникающие в графите токи создают отраженную волну.

Емкостный и индуктивный элементы поглощающего покрытия аналогов в технике не имеют.

Поглощающее покрытие для ослабления отраженных радиоволн противофазным отражением падающих волн позволяет не только поглощать падающую волну, но и значительно ослабить волну отраженную.

Покрытие представляет собой неоднородную поверхность. Ее составляют чередующиеся между собой по всем направлениям этой поверхности емкостные и индуктивные элементы. Емкостные элементы формируют отраженную волну, которая опережает по фазовому сдвигу волну падающую на девяносто градусов. Индуктивные элементы поглощающего покрытия формируют отраженную волну, которая отстает по фазовому сдвигу от волны падающей на девяносто градусов. Кроме этого, каждый из элементов покрытия способен самостоятельно поглощать часть падающего на него радиоизлучения. Радиоволны, отраженные от различных элементов покрытия, находятся в противофазе друг к другу и поэтому взаимно ослабляют друг друга.

Емкостный элемент поглощающего покрытия предназначен для формирования отраженной волны, которая опережает по фазовому сдвигу падающую волну на девяносто градусов, и частичного поглощения падающего излучения. Он представляет собой однослойную или многослойную поверхность. Каждый слой состоит из множества тонких плоских электропроводных пластин (в дальнейшем именуются чешуйками). Чешуйки имеют регулярную форму прямоугольника, трапеции, треугольника, шестигранника, круга - одинаковую для всех чешуек емкостного элемента. По всей поверхности слоя чешуйки выстроены в регулярные ряды и столбцы. Плоскости чешуек совпадают с плоскостью слоя, в котором находятся чешуйки. Оси симметрии чешуек одного ряда или столбца находятся на одной линии. Все соседние слои емкостного элемента смещены относительно друг друга так, чтобы линии разделения рядов и столбцов одного слоя находились над осями симметрии чешуек соседнего ряда или слоя. Все соседние слои разделены между собой стандартными конденсаторными диэлектрическими материалами.

Таким образом, каждая чешуйка является обкладкой сразу для нескольких конденсаторов, вторыми обкладками которых являются ближайшие чешуйки из соседних слоев емкостного элемента. Все такие конденсаторы емкостного элемента имеют емкостную связь между собой.

Падающая радиоволна вызывает на первом, поверхностном слое смещение электрических зарядов в чешуйках по направлениям напряженности переменного электрического поля. В свою очередь, смещение зарядов на наружном слое вызывает смещение зарядов в остальных слоях, так как все слои имеют емкостную связь между собой. Таким образом, энергия электромагнитного поля проникает вглубь элемента, что способствует его интенсивному поглощению в диэлектрике наподобие графитового покрытия. Электрические токи смещения на поверхности емкостного элемента опережают по фазовому сдвигу падающую волну на девяносто градусов и формируют отраженную волну с таким же фазовым сдвигом.

Емкостные элементы поглощающего покрытия могут быть однослойными. В этом случае ряды чешуек частично перекрывают друг друга. Каждый ряд закрывает собой соседний на половину его ширины и соответственно сам закрыт другим соседним рядом на такую же величину. Кроме этого, все ряды смещены относительно соседних рядов по длине ряда на половину ширины столбца. Построение чешуек в таком емкостном однослойном элементе сходно со строением рыбьей чешуи. Каждая чешуйка элемента служит конденсаторной обкладкой, образуя конденсаторы с четырьмя чешуйками из соседних рядов.

Однослойные и двуслойные емкостные элементы способны не только поглощать и отражать с фазовым смещением радиоволны, но и могут быть прозрачными для этих волн. Падающее электромагнитное излучение вызывает токи смещения за счет колебания зарядов в чешуйках не только с наружной, но и с обратной стороны элемента. Поэтому как наружная, так и обратная стороны емкостного элемента формируют отраженную волну с фазовым смещением в девяносто градусов относительно падающей.

Многослойный емкостный элемент, армированный высокопрочными минеральными волокнами, можно использовать в качестве конструкционного материала, обладающего радиопоглатительными свойствами. Однослойные и двуслойные емкостные элементы, армированные высокопрочными минеральными волокнами, можно использовать как радиопрозрачный конструкционный материал.

Индуктивный элемент поглощающего покрытия предназначен для частичного поглощения падающей на него радиоволны и для формирования отраженной волны, отстающей по фазовому сдвигу от волны падающей на девяносто градусов. Он представляет собой однослойную поверхность из композитного материала. Основу композитного материала составляют электропроводные волокна или сетки, залитые радиопрозрачными цементирующим составом, с мелкодисперсными ферромагнитными наполнителями (оксиды железа, платиновые соединения). Индуктивный элемент поглощающего покрытия может быть армирован минеральными и графитовыми высокопрочными волокнами и использоваться как конструкционный материал со свойствами поглощения радиоволн и формирования отраженной радиоволны, отстающей на девяносто градусов от падающей волны.

Емкостные и индуктивные элементы могут наклеиваться на защищаемую поверхность практически любой формы, образуя защитное поглощающее покрытие. Армированные же элементы могут служить материалом для изготовления кожухов, обшивок, фюзеляжей или их частей без дополнительных затрат на их радиолокационную защиту.

Емкостный элемент (фиг. 3, 4) представляет собой многослойную поверхность, состоит из металлических пластинок (фиг. 3, 4, поз. 3). Каждый слой составляют металлические пластинки (в дальнейшем "чешуйки"), выстроенные в правильные ряды и столбцы. Ряды и столбцы чешуек в слое смещены относительно рядов и столбцов в соседних (верхних и нижних) слоях так, что каждая чешуйка своими уголками образует конденсаторы с четырьмя чешуйками из нижнего соседнего слоя и четырьмя чешуйками из верхнего соседнего слоя. Все слои чешуек разделены между собой стандартными конденсаторными диэлектрическими материалами.

Емкостные элементы, выполненные по технологии печатных плат, могут быть очень тонкими. Например, металлизация катодная или термическая позволяет получать чешуйки толщиной от трех до пяти микрометров, а химическая и гальваническая - от двух до трех десятых долей микрометров. В любом случае десятислойный емкостный элемент с учетом толщины диэлектрика может иметь толщину до одной десятой доли миллиметра. Для сравнения - лакокрасочные покрытия выполняются в средних пределах от двух до пяти десятых долей миллиметра. При такой толщине емкостной элемент представляет собой тонкую пленку, которую легко можно наклеить на поверхность защищаемого объекта.

Поскольку каждая чешуйка в емкостном элементе является обкладкой для нескольких конденсаторов, то смещение зарядов в чешуйке от падающей волны вызывает смещение зарядов на чешуйках в более глубоких слоях емкостного элемента. По законам электротехники этот ток будет опережать по фазе приложенное напряжение на девяносто градусов. Но так как каждая чешуйка является не только приемным, но и передающим вибратором, то и отраженная волна будет опережать падающую на девяносто градусов. Кроме этого технического результата емкостный элемент способен, как и всякий конденсатор, частично поглощать энергию проходящих по нему токов в слое диэлектрика. За счет многослойности элемента и большого количества чешуек энергия падающей волны проникает внутрь элемента, где и поглощается диэлектриком.

Индуктивный элемент представляет собой однослойную поверхность из композитного материала (фиг. 2). Основу композита составляет электропроводная, металлическая или из графитового волокна сетка (фиг. 2, поз. 6), залитая радиопрозрачным цементирующим составом (фиг. 2, поз. 6), с мелкодисперсными ферромагнитными наполнителями (фиг. 2, поз. 7). Он может иметь толщину обычного лакокрасочного покрытия, будучи выполненным методом пропитки нитевидных графитовых кристаллов радиопрозрачным клеем с ферромагнитной пылью на тонкопленочной подложке. Требуемый технический результат достигается за счет того, что металлическая сетка выступающими наружу участками служит приемопередающей антенной, а сам элемент работает как катушка индуктивности, в которой ток отстает по фазе от напряжения на девяносто градусов. Кроме этого, ферромагнитная пыль частично рассеивает энергию в цементирующем составе. Как и в емкостном элементе, за счет взаимной индуктивной связи между ферромагнитными частицами энергия падающей волны рассеивается по всей толщине индуктивного элемента.

Поглощающее покрытие (фиг. 1) представляет собой неоднородную поверхность. Ее составляют индуктивные и емкостные элементы, чередующиеся между собой в шахматном порядке по всей поверхности (фиг. 1, поз. 1, 2). Емкостные и индуктивные элементы формируют отраженные волны, которые находятся в противофазе друг к другу. Таким образом, достигается ослабление отраженной волны за счет противофазного отражения от различных элементов поглощающего покрытия. Во избежание интерференционного усиления волн, отраженных от различных элементов покрытия по отдельным направлениям, оба элемента - и индуктивный и емкостный должны иметь линейные размеры на порядок меньше длины падающих волн. Для дециметровых волн - сантиметровые.

Так как каждый из элементов, составляющих поглощающее покрытие, способен частично поглощать падающее на него излучение, то этим свойством обладает и само покрытие в целом.

Заявленные изобретения предназначены для использования в радиолокационной технике и в военной области для повышения скрытности военной техники от обнаружения ее радиолокаторами противника. Покрытие может наноситься на объекты практически любой формы и, следовательно, не требует специального изменения форм конструкций для повышения радиолокационной скрытности. Поглощающее покрытие для ослабления отраженных электромагнитных волн представляет собой неоднородное покрытие. Оно состоит из чередующихся по всем направлениям своей поверхности участков. Одни участки способны формировать отраженную волну с фазовым опережением падающей на 90^o, другие - с фазовым отставанием относительно падающей на 90^o. Кроме этого, каждый из участков способен самостоятельно поглощать часть падающих на него радиоволн. Первые участки могут выполняться в виде покрытия на основе мелкодисперсных металлических или графитовых частиц, чистого графита или как специальный емкостный элемент поглощающего покрытия. Вторые участки могут выполняться как покрытие на основе мелкодисперсных ферромагнитных частиц или как специальный индуктивный элемент поглощающего покрытия. Ослабление отраженной волны происходит не только за счет способности каждого участка частично поглощать падающее радиоизлучение, но и за счет взаимного ослабления радиоволн, отраженных от различных участков. Емкостный элемент поглощающего покрытия представляет собой покрытие с выраженными конденсаторными свойствами. Вследствие особенностей его конструкции падающая радиоволна способна вызывать в нем только токи смещения, которые опережают по фазовому смещению падающую волну на 90^o. Кроме этого, емкостный элемент способен интенсивно поглощать падающее излучение, если он выполнен в виде нескольких (больше двух) конденсаторных слоев. Однослойные и двуслойные элементы обладают свойствами радиопрозрачности. Индуктивный элемент поглощающего покрытия выполнен в виде тонкослойного покрытия на основе мелкодисперсных ферромагнитных частиц, армированного металлической сеткой или углеродным волокном. Он обладает способностью формировать отраженную волну с фазовым отставанием от падающей на 90^o. 3 с.п.ф-лы, 4 ил.

1. Поглощающее покрытие представляет собой неоднородную по всем направлениям поверхность и состоит из чередующихся между собой по всем направлениям этой поверхности емкостных и индуктивных элементов. 2. Емкостный элемент представляет собой слоистую поверхность, все слои которой электрически разделены стандартными конденсаторными диэлектрическими материалами и образованы плоскостями пластинок симметричной формы, выстроенных в плоскости слоя в правильные ряды и столбцы так, что точки пересечений линий разграничения одного слоя на ряды и столбцы находятся напротив центров симметрии пластинок соседних слоев. 3. Индуктивный элемент представляет собой однослойную поверхность, основу которой составляет графитовое волокно либо сетка, залитые радиопрозрачным цементирующим составом с внедренными в него мелкодисперсными ферромагнитными частицами.