СЛОИСТЫЙ ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Российский патент 2004 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания покрытий, поглощающих электромагнитные (э/м) волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Широко известны поглотители э/м волн, содержащие поглощающие элементы из ферритовых материалов, а в качестве связующих - различные краски, грунтовки, полимерные смолы, пластмассы и другое [1].

К основным недостаткам таких поглотителей относятся большие вес и толщина, а также высокий коэффициент отражения. Последнее связано с отсутствием плавного затухания э/м волн при их движении в слое поглотителя.

Наиболее близок к предлагаемому поглотитель, содержащий диэлектрические волокна, полимерное связующее и расположенные в отдельных слоях поглощающие элементы, например железный порошок или сажу, концентрация которых возрастает в направлении от наружного слоя к металлу [2].

Однако такой поглотитель трудно получать с нужными свойствами, поскольку распределение поглощающих элементов по толщине не учитывает зависимость величин их проницаемостей от частоты радиосигнала (частотную дисперсию проницаемостей). В связи с этим коэффициент отражения покрытия достигает 10 и более процентов в достаточно узком диапазоне длин волн радиоизлучений. В связи с этим целью изобретения является снижение удельного веса, толщины и коэффициента отражения радиоволн до величин, не превышающих 3% по мощности.

Поставленная цель достигается тем, что поглотитель содержит поглощающие слои с участками из проводящих тканых материалов, например из углеграфитовых тканей, и радиопрозрачных материалов, например из стеклоткани, образующих дифракционные решетки. Такие слои чередуются с изолирующими радиопрозрачными слоями различной толщины (фиг.1).

Удельное сопротивление радиопоглощающих участков из проводящих тканей снижается в направлении от наружного слоя к внутренним слоям, а величины проницаемостей возрастают. Это позволяет создавать условия для вхождения волны в материал с минимальным отражением. При дальнейшем ее движении к металлу возрастают ее поглощение, показатель преломления, рассеяние и сжатие, но продолжает снижаться отражение.

Таким образом, при послойном распределении необходимых величин проницаемостей, с учетом их частотной дисперсии, отражение не происходит.

Сопоставимый анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный поглотитель э/м волн отличается от известного тем, что поглощающие слои состоят из дифракционных решеток, выполненных из тканых проводящих материалов с большой величиной тангенса угла потерь, который может достигать нескольких единиц, что необходимо для эффективного затухания радиоволн в широкой полосе частот.

На фиг.2 приведены дифракционные решетки с различными свойствами, которые могут быть использованы в составе различных конструкций поглотителя повышенной эффективности.

1. Дифракционные решетки типа обратных решеток Френеля содержат квадраты из проводящей ткани, нанесенные на р/прозрачный диэлектрик, например стеклоткань, с различными величинами А и Б, от которых зависят свойства поглотителя. Они зависят также от расстояния между слоями (δ) и от величин проницаемостей (ε′′) и (ε′), связанных с величиной тангенса угла потерь и с величинами удельных сопротивлений (ρ) поглощающих материалов.

Такие решетки обладают небольшим весом и высокой эффективностью снижения коэффициента отражения, но трудоемки в изготовлении.

2. Прямые решетки типа Френеля содержат отверстия, выполненные в проводящем тканом материале. Отверстия могут иметь различные диаметры (Д) и быть расположенными на различных расстояниях (Б) друг от друга. От величин “Д” и “Б” зависят вес поглотителя, дифракционное рассеяние падающего излучения, интерференционное гашение излучения и эффективность переотражения радиоволн между слоями. Прямые решетки технологичны, имеют небольшой вес и позволяют создавать широкополосные поглотители при использовании необходимого количества поглощающих слоев.

3. Решетки типа Фраунгофера содержат полосы из проводящих тканых поглотителей, между которыми образуются р/прозрачные щели различной ширины. Ширина полос ткани может совпадать с шириной щелей, или они могут быть различными. Их величины и их соотношение влияет на характер дифракции р/волн в слоях поглотителя. Удельное сопротивление полос-поглотителей и расстояние между ними уменьшаются в каждом слое в направлении к металлу. Решетки типа Фраунгофера используют в поглотителях парами с взаимно перпендикулярным расположением полос и щелей. Это позволяет уменьшить влияние на эффективность поглощения и отражения вертикально и горизонтально поляризованных э/м излучений радиоволн во взаимно перпендикулярных направлениях.

4. Для улучшения технологии изготовления покрытий и повышения эффективности затухания р/волн различные дифракционные решетки могут использоваться совместно.

Поглотители работают следующим образом.

Прямая э/м волна поступает в наружный слой, граничащий с воздухом (фиг.1), и проходит его без заметного отражения от передней поверхности. Далее волна поступает в активный слой первой дифракционной решетки, имеющей небольшую величину проницаемости. Проходя этот слой волна почти не отражается, а претерпевает небольшое затухание из-за дифракционного рассеяния, интерференции, поглощения и переотражения. Такое комплексное рассеяние энергии происходит на границе каждого поглощающего слоя с р/прозрачным изолирующим слоем, но с разной интенсивностью. Чем ближе поглощающий слой к металлу, тем больше интенсивность рассеяния, поскольку последующие слои выполнены из материалов с уменьшающимися величинами удельных сопротивлений и нарастающими величинами диэлектрических проницаемостей. В связи с этим комплексное рассеяние энергии радиоволн в поглотителе возрастает почти до полного их затухания.

С увеличением диапазона поглощаемых радиоволн необходимо добавлять поглощающие слои. При этом возрастают толщина и вес поглотителя. Таким образом, эффективные конструкции поглотителей должны быть рационально скорректированными по толщине и весу. Этому способствует применение в поглощающих покрытиях слоев из различных решеток.

Изолирующие слои состоят из р/прозрачного материала, например из стеклоткани, лака или полимерного связующего с малой диэлектрической проницаемостью. Их толщина определяет расстояния между дифракционными решетками и оптимальные условия затухания в процессах демпфирования, дифракции и интерференции. Поэтому она зависит от показателя преломления и длины волны в материале.

Высокая эффективность затухания радиоволн в предлагаемом поглотителе позволяет изготавливать его достаточно тонким и легким.

Толщина поглотителя /х/ зависит от коэффициента поглощения р/волн /α/ как х≈1/α, где α=πδ√ε/λ, λ - длина волны радиосигнала, a tgδ=ε’’/ε′>1.

Видно, что поглощение э/м энергии в углеграфитовых тканях должно быть высоким, поскольку tg δ и ε велики, а λ мало из-за сжатия радиоволн при прохождении ими каждого активного слоя решетки.

Таким образом, сочетание перечисленных отличительных признаков изобретения обеспечивает изготовление легких и тонких поглотителей с малыми коэффициентами отражения в нужном диапазоне.

Примеры реализации предлагаемого устройства.

Пример 1.

Требуется изготовить поглотитель э/м излучений в диапазоне длин волн от 0,8 до 4,0 см с коэффициентом отражения не более 3% по мощности. С этой целью используют поглощающие слои, выполненные в виде дифракционных решеток типа обратных решеток Френеля, и р/прозрачные слои из стеклоткани (фиг.2). Активными элементами таких дифракционных решеток являются квадраты с размерами сторон (А) от 0,4 до 0,8 см. Ширина р/прозрачных промежутков (Б) решетки может находиться в пределах от 0,3 до 0,8 см.

Для эффективного затухания р/волн в указанном диапазоне в составе поглотителя должно быть два р/поглощающих и три р/прозрачных изолирующих слоя. Первый (наружный) слой толщиной от 0,5 до 0,8 мм состоит из стеклоткани и вспененного полимера или лака, нанесенного на его наружную сторону.

На внутренней стороне слоя закрепляют р/поглощающие квадраты с удельным сопротивлением от 150 до 250 Ом·см, образующие первую дифракционную решетку. Граничащий с ней изолирующий слой из стеклоткани имеет толщину от 0,1 до 0,15 см. За ним следует вторая дифракционная решетка, поглощающие квадраты которой нанесены на обратную сторону изоляционного слоя. Квадраты первой и второй решеток различаются либо размерами (у второй решетки А - больше, а Б - меньше), либо величинами проницаемостей (у второй решетки они больше). Изолирующий р/прозрачный слой между второй решеткой и металлом состоит также из стеклоткани и имеет толщину от 0,05 до 0,1 см. Таким образом, толщина поглотителя составляет от 0,18 до 0,3 см.

Пример 2.

Требуется изготовить поглотитель э/м излучений с коэффициентом отражения не более 3% по мощности в диапазоне длин волн от 1,0 до 10 см. Для этого применяют поглощающие слои из трех дифракционных решеток типа прямых решеток Френеля (фиг.2).

Первый р/прозрачный слой не отличается от аналогичного слоя в примере 1. Второй, четвертый и шестой слои изготавливают из р/поглощающих тканей с удельными сопротивлениями: для второго слоя - более 150, для четвертого - от 40 до 70 и для шестого - от 20 до 40 Ом·см. Величины диаметров отверстий в тканях и расстояния между ними выполняют в пределах от 0,3 до 1,0 и от 0,6 до 2,2 см соответственно.

Р/прозрачные изоляционные слои состоят из диэлектрических тканых материалов, например стеклоткани, толщиной от 0,15 до 0,05 см с уменьшением толщины в направлении к металлу.

Пример 3.

Изготавливают поглотитель р/волн с коэффициентом отражения не более 3% по мощности в диапазоне длин волн от 1,0 до 6,0 см. Для этого применяют в качестве поглощающих слоев дифракционные решетки типа решеток Фраун-гофера.

Поставленная задача требует для своего решения 2-х пар дифракционных решеток со взаимно перпендикулярным расположением поглощающих полос из проводящей ткани шириной от 0,4 до 0,8 см в каждой паре. Полосы закрепляют на стеклоткани, после чего их разделяют р/прозрачными щелями шириной от 0,15 до 0,8 см. Между четырьмя активными решетками располагают три изолирующих р/прозрачных слоя из стеклоткани толщиной от 0,15 до 0,05 см.

Первый р/прозрачный слой на границе с воздухом аналогичен первому слою в примерах 1 и 2. Второй и четвертый слои состоят из одинаковых дифракционных решеток с поглощающими полосами шириной 0,4 см и со щелями шириной 0,7 см. Р/поглощающие полосы выполнены из проводящей ткани с удельным сопротивлением от 150 до 250 Ом·см. Между ними располагают третий (изолирующий) слой толщиной до 0,1 см. Пятый (изоляционный) слой толщиной до 0,10 см. Шестой и восьмой активные слои одинаковы. Они содержат поглощающие полосы шириной 0,5 см и щели шириной 0,4 см. Удельное сопротивление проводящих полос - от 50 до 70 Ом·см и от 20 до 40 Ом·см. Между ними располагают седьмой (изоляционный) слой толщиной от 0,10 до 0,05 см и девятый (изоляционный) слой толщиной до 0,1 см.

Полная толщина такого поглотителя достигает 0,5 см. В связи с этим во многих случаях целесообразно изготавливать поглотители, в составе которых используют дифракционные решетки различных типов в различных сочетаниях.

Пример 4.

Изготавливают поглотитель э/м волн с коэффициентом отражения не более 3% по мощности в диапазоне длин волн от 1 до 10 см. Для этого используют одну дифракционную решетку типа обратной решетки Френеля с поглощающими элементами из ткани с удельным сопротивлением от 150 до 250 Ом·см, две решетки типа Фраунгофера с полосами из ткани с уд.сопр. от 40 до 70 Ом·см и одну решетку типа прямой решетки Френеля из проводящей ткани с уд.сопр. от 20 до 40 Ом·см. Наружный слой и изолирующие р/прозрачные слои аналогичны слоям приведенным в примерах 1, 2, 3.

Толщина покрытия составляет около 0,6 см.

На основании исследований с применением различных дифракционных решеток созданы образцы радиопоглощающих покрытий с параметрами:

Диапазон длин волн, см от 0,8 до 3,5 и до 10;

Коэффициент отражения, % от 0,5 до 3,2 и до 4,5;

Удельный вес покрытия, кг/м² от 2,5 до 4,5 и до 5,5;

Толщина покрытия, см от 0,3 до 4,0 и до 6,0;

Диапазон рабочих температур, °С от -60 до +60;

Практически важный диапазон длин волн от 0,8 до 3,5 см;

Экспериментальный диапазон от 1,0 до 10 см.

Источники информации

1. Зарубежная радиоэлектроника, 1972, № 7, с. 114.

2. Патент ЕРВ № 0121655, МКИ H 01 G 17/00, 1984.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для создания покрытий, поглощающих электромагнитные волны СВЧ-диапазона. Технический результат заключается в снижении коэффициента отражения радиоволн, толщины и удельного веса поглотителя. Сущность изобретения заключается в выполнении активных слоев в виде дифракционных решеток из углеграфитовой ткани, причем диэлектрическая проницаемость этих слоев возрастает от наружного активного слоя к внутренним и к металлу, и в выполнении радиопрозрачных слоев толщиной от 0,05 до 0,15 см. Кроме того, дифракционные решетки могут быть выполнены в виде прямых или обратных решеток Френеля, в виде решеток Франгофера, а также в виде сочетания различных решеток в единой конструкции. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Слоистый поглотитель электромагнитных волн, состоящий из диэлектрических волокон и полимерного связующего и из расположенных в активных слоях проводящих поглощающих элементов, диэлектрическая проницаемость которых возрастает от наружного активного слоя к внутренним активным слоям и металлу, отличающийся тем, что он содержит активные слои с расположенными в них проводящими поглощающими элементами, выполненными из углеграфитовой ткани и образующими дифракционные решетки, и радиопрозрачные слои толщиной от 0,05 до 0,15 см.2. Слоистый поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дифракционных решеток используют обратные решетки Френеля, содержащие квадраты из углеграфитовой ткани, разделенные радиопрозрачными промежутками.3. Слоистый поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дифракционных решеток используют прямые решетки Френеля, состоящие из углеграфитовых тканей с равномерно распределенными в них отверстиями.4. Слоистый поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дифракционных решеток используют решетки типа Фраунгофера, содержащие полосы из углеграфитовой ткани шириной от 0,4 до 0,8 см с радиопрозрачными щелями между ними шириной от 0,15 до 0,8 см.5. Слоистый поглотитель по п.1 или 4, отличающийся тем, что для эффективного поглощения различно поляризованных радиоволн дифракционные решетки типа Фраунгофера располагают в активном слое попарно с взаимно перпендикулярными направлениями полос и щелей и разделяют радиопрозрачными промежутками, толщиной от 0,05 до 0,15 см.6. Слоистый поглотитель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для повышения эффективности поглощения радиоволн, а также для снижения толщины и веса поглотителя используют сочетания различных дифракционных решеток в единой конструкции поглотителя.7. Слоистый поглотитель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что радиопрозрачные слои выполнены из стеклоткани.