ПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2006 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к области радиолокация и технике СВЧ и может быть использовано для уменьшения радиолокационной заметности объектов вооружения и военной техники, например летательных аппаратов, путем конформного размещения на участках поверхностей, образующих так называемые блестящие точки, вносящие наибольший вклад в формирование эффективной поверхности рассеяния.

Известно твердое управляемое покрытие, содержащее отражающий проводящий экран, примыкающую к нему диэлектрическую подложку, на внешней стороне которой расположена двумерно-периодическая решетка приемных и излучающих диполей, в разрывы которых включены элементы с отрицательным активным сопротивлением, подключенные к блоку питающих напряжений, расположенную в сечении этой решетки вторую управляемую решетку полосок или стержней, в разрывы которых включены полупроводниковые элементы с отрицательной действительной составляющей сопротивления, подключенные ко второму выходу блока питающих напряжений, примыкающий к этим решеткам передний диэлектрический слой, на внешней стороне которого расположена двумерно-периодическая решетка проводящих элементов, причем параметры слоев и решеток выбраны из условия обеспечения максимальной глубины амплитудной модуляции отраженного сигнала [Заявка на изобретение №3192578 от 26.02.88. Авт. Св-во №294719 от 01.06.89, Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 128 с.].

Принцип действия покрытия заключается в следующем. В одном состоянии, определяемом уровнем управляющего напряжения на полупроводниковых элементах, данное покрытие усиливает отраженный сигнал, а во втором уменьшает его амплитуду. Таким образом, во втором состоянии данное покрытие может быть использовано для уменьшения радиолокационной заметности объектов, то есть как поглощающее покрытие.

Основным недостатком такого покрытия является большое энергопотребление, необходимое для переключения в состояние поглощения, и большая стоимость покрытия. Например, диоды Ганна типа АА703А имеют: U≈10 B и I≈0,27 А. То есть энергопотребление составляет 2-3 Вт на один диод. Количество диодов может составлять от несколько десятков до сотни. Стоимость одного диода составляет несколько сотен рублей.

Известно поглощающее покрытие в виде слоистой среды, каждый слой которой является периодической структурой, причем каждая элементарная ячейка - период включает в себя перечисляемые в направлении, противоположном направлению распространения падающей электромагнитной волны, последовательно расположенные прилегающие друг к другу отражающий проводящий экран и первый диэлектрический слой, а также последовательно расположенные первую неуправляемую металлическую решетку и второй диэлектрический слой, а также управляемый слой в виде стержня или полоски с включенными в их разрывы пассивным управляемым элементом, подключенным к первому выходу генератора управляющих сигналов, и последовательно расположенные третий диэлектрический слой и вторую неуправляемую металлическую решетку, в каждую элементарную ячейку - период введены четвертый диэлектрический слой и усилительный слой в виде стержня или полоски с включенным элементом с отрицательной действительной составляющей сопротивления, подключенным ко второму выходу генератора управляющих сигналов, управляемый слой расположен прилегающим к первому диэлектрическому слою, четвертый диэлектрический слой расположен между управляемым слоем и первой неуправляемой решеткой, усилительный слой расположен между вторым и третьим диэлектрическими слоями, управляемая решетка расположена между первым и вторым диэлектрическими слоями, при этом толщина всех диэлектрических слоев и параметры решеток (период, ширина полосок) выбраны из определенных соотношений [Заявка на изобретение №3128222 от 25.11.85. Авт. Св-во №260154 от 01.09.87, Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 128 с.].

Принцип действия такого покрытия аналогичен принципу действия первого аналога. Основными недостатками также являются большое энергопотребления и большая стоимость покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является поглощающее покрытие, содержащие отражающий экран, примыкающую к нему диэлектрическую подложку, на внешней стороне которой расположена двумерно-периодическая решетка приемных и излучающих диполей, в разрывы которых включены элементы с отрицательным активным сопротивлением, электрически подключенные к блоку питания, примыкающий к решетке первый диэлектрический слой, второй диэлектрический слой, толщины первого и второго диэлектрических слоев выбраны из определенных соотношений [Заявка на изобретение №3054450 от 01.12.82. Авт. Св-во №195899 от 02.12.83., Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 128 с.].

Принцип действия данного покрытия аналогичен принципу действия первых двух аналогов, параметры покрытия выбраны из условия обеспечения минимальной эффективной поверхности рассеяния в заданной полосе частот в одном из режимов, определяемом уровнем управляющего напряжения.

Недостатками такого покрытия являются большое энергопотребление, необходимое для переключения в состояние поглощения, и большая стоимость покрытия, определяемая в основном стоимостью активных полупроводниковых элементов.

Техническим результатом изобретения является уменьшение энергопотребления и стоимости покрытия за счет выполнения управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита и определения оптимальных значений параметров неуправляемых слоев.

Указанный результат достигается тем, что в поглощающем покрытии, содержащем первый и второй диэлектрические слои, управляемый слой, третий диэлектрический слой, на одной стороне которого расположен проводящий отражающий экран, управляемый слой выполнен в виде тонкой пленки напыленного графита и расположен между первым и вторым диэлектрическими слоями, на внешней стороне первого диэлектрического слоя расположена первая двумерно-периодическая решетка из полосок напыленного металла, между вторым и третьим диэлектрическими слоями расположена вторая двумерно-периодическая решетка из полосок напыленного металла, проводимость В₁ первой двумерно-периодической решетки и толщина d₁ первого диэлектрического слоя выбраны из условия обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот в соответствии со следующими математическими выражениями:

где

T₀, N₀ - заданные действительная и мнимая часть сопротивления источника сигнала соответственно; Т_Н, N_Н - заданные действительная и мнимая часть сопротивления управляемого слоя соответственно; толщины второго d₂, третьего d₃ диэлектрического слоя и показатели преломления первого n₁, второго n₂, третьего n₃ диэлектрических слоев выбраны из следующих соотношений:

На фиг.1 показана структура поглощающего покрытия (прототипа) в виде плоскослоистой среды.

На фиг.2 показана структура предлагаемого поглощающего покрытия в виде плоскослоистой среды.

На фиг.3 представлена эквивалентная схема поглощающего покрытия в виде каскадного соединения двух четырехполюсников.

На фиг.4 представлен волноводный вариант предлагаемого поглощающего покрытия.

На фиг.5 изображены зависимости модуля коэффициента отражения поглощающего покрытия от нормированной частоты при произвольно выбранных параметрах слоев - В₂=-0,089; d₂/λ=0,03; d₃/λ=0.02 (-·-·-) и после проведения оптимизации одного (----), двух (――) и трех (··········) слоев.

Поглощающее покрытие-прототип (фиг.1) выполнено из последовательно расположенных первого диэлектрического слоя - 1 с показателем преломления n₁ и толщиной d₁, второго диэлектрического слоя - 2 с показателем преломления n₂ и толщиной d₂, управляемого слоя - 3 в виде двумерно-периодической решетки - 4 проводящих элементов, в разрывы которых включены элементы с отрицательным активным сопротивлением - 5, электрически подключенные к блоку питания - 6, третьего диэлектрического слоя - 7 с показателем преломления n₃ и толщиной d₃ и проводящего отражающего экрана - 8.

Поглощающее покрытие функционирует следующим образом. При одном уровне тока и напряжения активные элементы переходят в режим, при котором активная составляющая сопротивления становится отрицательной. Благодаря специальному выбору параметров неуправляемых слоев в этом режиме амплитуда отраженного сигнала увеличивается. При другом уровне тока и напряжения благодаря указанному выбору параметров неуправляемых слоев амплитуда отраженного сигнала в некоторой заданной полосе частот становится минимальной. В этом режиме такое покрытие может быть использовано как поглощающее для уменьшения радиолокационной заметности объектов вооружения и военной техники.

Недостатками такого покрытия являются большое энергопотребление, необходимое для переключения в состояние поглощения, и большая стоимость покрытия, определяемая в основном стоимостью активных полупроводниковых элементов.

Предлагаемое поглощающее покрытие (фиг.2) выполнено из последовательно расположенных первой неуправляемой решетки - 1 с проводимостью B₁ из полосок напыленного металла, первого диэлектрического слоя - 2 с показателем преломления n₁ и толщиной d₁, управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита - 3, второго диэлектрического слоя - 4 с показателем преломления n₂ и толщиной d₂, второй неуправляемой решетки - 5 с проводимостью В₂ из полосок напыленного металла, третьего диэлектрического слоя - 6 с показателем преломления n₃ и толщиной d₃ и проводящего отражающего экрана - 7, а параметры слоев выбраны из условий обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот.

Предлагаемое покрытие функционирует следующим образом. При падении электромагнитной волны на покрытие благодаря указанному выбору параметров неуправляемых слоев входное комплексное сопротивление покрытия оказывается согласованным с сопротивлением свободного пространства, в результате чего в требуемой полосе частот модуль коэффициента отражения становится близким к нулю. При размещении такого покрытия на участках поверхности объекта вооружения и военной техники, вносящих наибольший вклад в формирование эффективной поверхности рассеяния, общая эффективная поверхность рассеяния объекта будет снижена в различных случаях на величину от 10 до 15 дБ. При этом энергопотребление отсутствует, поскольку нет необходимости перевода управляемого слоя в режим поглощения. Покрытие постоянно находится в этом режиме. Массогабаритные характеристики, как показывают расчеты, являются приемлемыми. Предлагаемое поглощающее покрытие относится к классу широкополосных согласующих устройств (ШСУ) на элементах с распределенными параметрами.

Покажем возможность достижения указанного результата.

Анализ известной литературы показывает, что в настоящее время алгоритмы синтеза ШСУ в полосе частот либо сводятся к использованию известных численных методов [Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.], либо к использованию аналитических методов интерполяции заданной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на нескольких частотах [Головков А.А. Многофункциональные антенные системы. // Антенны. - 2003. - №.03-04 (70-71). - С.84-93].

В данном изобретении задача синтеза ШСУ решена на основе совместного использования аналитического и численного методов. Аналитический метод предполагает отыскание взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений ШСУ, оптимальных по критерию минимума отраженного сигнала на заданном количестве частот и определении на основе этих взаимосвязей части элементов ШСУ. Численный метод состоит в оптимизации оставшейся части свободных от реализации этих взаимосвязей параметров элементов ШСУ по критерию обеспечения минимума отклонений АЧХ от нуля в заданных окрестностях фиксированных частот (заданной полосе частот).

В соответствии с теоремой Флокэ [Швингер Ю. Неоднородности в волноводах. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1970. - С.67-74] результаты решения задачи синтеза ШСУ в волноводе будут соответствовать результатам синтеза ШСУ в виде слоистых сред.

Пусть на фиксированной частоте требуется обеспечить минимум отраженного сигнала в волноводной линии передачи с известной нагрузкой Z_H=Т_H+jN_H. Сопротивление источника сигнала Z₀=T₀+jN₀ также известно. Вблизи нагрузки включается ШСУ на элементах с распределенными параметрами (диафрагмами, штырями, стержнями и т.д.).

На первом этапе требуется определить минимальное количество элементов ШСУ и значения их параметров, при которых коэффициент отражения на фиксированной частоте равен нулю: где S₁₁ - соответствующий элемент матрицы рассеяния [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и многополюсников СВЧ. - М.: Связь, 1971. - 378 с.].

На втором этапе при тех же условиях и заданном количестве элементов ШСУ с определенными в соответствии с первым этапом значениями параметров части элементов требуется найти значения параметров оставшейся части элементов, при которых обеспечивается минимум отклонения значений АЧХ от нуля в окрестности фиксированной частоты.

Представим эквивалентную схему ШСУ в виде трех каскадно-соединенных четырехполюсников, характеризующих источник сигнала, ШСУ и нагрузку (фиг.3). К нагрузке относится слой с потерями с сопротивлением Z_П=Т_П+jN_П и расположенные справа от него слои без потерь.

Пусть ШСУ описывается следующей матрицей сопротивления:

и соответствующей волновой матрицей передачи:

где x₁₁, x₂₂, x₂₁, x₁₂ - реактивные элементы матрицы сопротивления.

Нормировка волновой матрицы передачи ШСУ сводится к последовательному перемножению матриц Т₁, Т₂, Т₃, причем:

волновые матрицы, учитывающие сопротивления источника сигнала и нагрузки.

В результате получим волновую матрицу передачи всего устройства с учетом источника сигнала и нагрузки, элементы T₁₁,T₂₁ которой равны:

Используя соотношения между элементами (5) волновой матрицы передачи и элементами матрицы рассеяния [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и многополюсников СВЧ. - М.: Связь, 1971. - 378 с.], определим выражение для коэффициента отражения:

Подставив выражение (6) в (1) и разделив действительные и мнимые части, получим систему двух алгебраических уравнений

решение которой имеет вид:

где

Система двух взаимосвязей (8) означает, что ШСУ должно содержать минимум два неуправляемых элемента, параметры которых должны быть определены из решения системы уравнений, формируемых из (8). Для этого необходимо выбрать структуру ШСУ и определить ее матрицу сопротивлений. Найденные элементы x₁₁, x₂₁, x₂₂, выраженные через параметры элементов ШСУ, надо подставить в (8) и решить сформированную таким образом систему двух уравнений относительно выбранных двух параметров.

Если схема ШСУ содержит М>2 элементов, то параметры двух из них определяются указанным образом, а параметры М-2 элементов определяются на основе использования любых методов оптимизации [Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.] по критерию минимума отклонения значений АЧХ от нуля в заданной окрестности фиксированной частоты или по критерию максимума полосы частот при заданном отклонении значений АЧХ от нуля. При этом М-2 элемента относятся к нагрузке. На каждом шаге оптимизации (на каждом шаге варьирования параметров М-2 элементов) значения первых двух параметров определяются аналитически. Поэтому на каждом шаге оптимизации на заданной фиксированной частоте коэффициент отражения всегда равен нулю.

В соответствии с описанным алгоритмом были получены выражения для определения параметров ШСУ в волноводе, изображенного на фиг.4, которому соответствует слоистая структура в свободном пространстве, изображенная на фиг.2. Для разделения падающего и отраженного сигнала в волноводе используется циркулятор.

Элементы матрицы сопротивлений предлагаемого поглощающего покрытия, представленного на фиг.2, имеют вид:

где λ - длина волны.

Значения проводимости B₁ решетки - 1 и толщина d₁ диэлектрического слоя - 2 предлагаемого поглощающего покрытия, представленного на фиг.2, после подстановки (9) в (8) и решения полученной системы уравнений оказались следующими:

где

Для увеличения полосы частот необходимо оптимизировать параметры остальных слоев, отнесенных к нагрузке. Алгоритм оптимизации параметров слоев заключается в следующем:

1. По формулам типа (10), (11) определяются два параметра слоев, расположенных слева от слоя с потерями, при произвольно заданных исходных значениях параметров слоев, расположенных справа от слоя с потерями.

2. Определяется интегральное произведение модуля коэффициента отражения |S₁₁(f)| на заданную полосу частот Δf=f_B-f_H, где f_H, f_B - нижняя и верхняя границы заданной полосы частот соответственно.

3. Изменяются значения параметров слоев без потерь (толщин слоев, проводимостей решеток), расположенных справа от слоя с потерями, и определяется это же произведение.

4. Если полученная величина |S₁₁(f)|Δf не удовлетворяет предъявляемым требованиям, то расчеты продолжаются, начиная с пункта 1, при других исходных значениях параметров слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, полученных на этапе выполнения пункта 3. Цикл п.1-п.3 прекращается при минимизации целевой функции U(X):

где Х - множество параметров слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, синтезируемого поглощающего покрытия.

5. Количество слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, увеличивается на единицу, и весь цикл начинается с пункта 1.

6. Процесс оптимизации заканчивается, если дальнейшее увеличение слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, не приводит к уменьшению значения целевой функции (12) на величину, которая больше некоторой заданной.

В соответствии с описанным алгоритмом были оптимизированы параметры d₂/λ,d₃/λ,В₂ предлагаемого поглощающего покрытия, изображенного на фиг.2.

Нормированные фиксированная частота, нижняя и верхняя границы заданной полосы частот были заданы: f₀=1; f_H=0,8; f_B=1,2.

Показатели преломления диэлектрических слоев 2, 4, 6 были равны: n₁=n₂=n₃=1,5, что соответствует выбору диэлектрика из фторопласта [Матейко В.В. Распространение радиоволн, техника сверхвысоких частот и антенные устройства РЭС. Часть 1. Основы теории электромагнитного поля. - Воронеж: ВИРЭ, 1996. - С.283]. Вообще диэлектрические слои могут быть выбраны из следующих материалов - полимерные пленки, сегнетокерамические конденсаторы, керамики на основе Ba₂Ti₉O₂₀,(Zr,Sn)TiO₄, у которых показатели преломления n находятся в следующих пределах 1≤n≤10, то есть 1≤n₁≤10; 1≤n₂≤10; 1≤n₃≤10 [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.].

Действительная T_Н и мнимая N_H составляющая сопротивления нагрузки Z_H определялись следующим образом.

1. С учетом в нагрузке только слоя с потерями - 3, диэлектрического слоя - 4 и экрана - 7:

где Т_П, N_П - действительная и мнимая составляющая сопротивления слоя с потерями Z_П соответственно.

2. С учетом в нагрузке слоя с потерями - 3, диэлектрического слоя - 4, диэлектрического слоя - 6 и экрана - 7:

где

3. С учетом в нагрузке слоя с потерями - 3, диэлектрического слоя - 4, решетки - 5, диэлектрического слоя - 6 и экрана - 7:

где

На фиг.5 приведены зависимости модуля коэффициента отражения от нормированной частоты при произвольно выбранных параметрах слоев - B₂=-0.089; d₂/λ=0.03; d₃/λ=0.02 (-·-·-) и после проведения оптимизации одного (----), двух (――) и трех (··········) слоев.

Значения параметров предлагаемого поглощающего покрытия, представленного на фиг.2, в результате оптимизации оказались следующими:

B₁=-0.002; B₂=-0.224; d₁/λ=0.28; d₂/λ=0.21; d₃/λ=0.01.

Значения проводимостей первой и второй решеток позволяют определить их конфигурации и геометрические параметры - период, диаметр стержней или ширину полосок [Михайлов Г.Д. Рассеяние электромагнитных волн на двумерно-периодических решетках с включенными импедансными неоднородностями // Рассеяние электромагнитных волн: Межведомственный тематический научный сборник. - Таганрог: ТРТИ, 1985. Вып.5].

Анализ фиг.5 показывает, что с увеличением количества слоев без потерь с оптимальными значениями параметров, расположенных справа от слоя с потерями, в заданной полосе частот, отклонение значения модуля коэффициента отражения от заданного на фиксированной частоте уменьшается.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестно поглощающие покрытие, содержащие последовательно расположенные первую неуправляемую решетку из полосок напыленного металла, первый диэлектрический слой, управляемый слой в виде тонкой пленки напыленного графита, второй диэлектрический слой, вторую неуправляемую решетку из полосок напыленного металла, третий диэлектрический слой и проводящий отражающий экран, а параметры слоев выбраны из условия обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность расположения неуправляемых решеток, диэлектрических слоев и управляемого слоя обеспечивает в требуемой полосе частот близкий к нулю модуль коэффициента отражения, а также уменьшение энергопотребления и стоимости покрытия за счет выполнения управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита и определения оптимальных значений параметров неуправляемых слоев.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы искусственные неоднородности в виде плоскослоистых сред, состоящих из известных материалов и элементов - слоев диэлектриков, тонких пленок напыленного графита, периодических решеток из полосок напыленного металла. Параметры слоев и решеток можно легко рассчитать по приведенным в описании изобретения математическим выражениям.

Технико-экономическая эффективность предложенных технических решений заключается в уменьшение энергопотребления и стоимости покрытия за счет выполнения управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита и определения оптимальных значений параметров неуправляемых слоев.

Изобретение может быть использовано для уменьшения радиолокационной заметности объектов вооружения и военной техники. Технический результат заключается в уменьшении стоимости покрытия. Сущность изобретения заключается в том, что управляемый слой выполнен в виде тонкой пленки напыленного графита и расположен между первым и вторым диэлектрическими слоями, на внешней стороне первого диэлектрического слоя расположена первая двумерно-периодическая решетка из полосок напыленного металла, между вторым и третьим диэлектрическими слоями расположена вторая двумерно-периодическая решетка из полосок напыленного металла, на другой стороне третьего слоя расположен отражающий экран, проводимость B₁ первой двумерно-периодической решетки и толщина d₁ первого диэлектрического слоя выбраны из условия обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот в соответствии с приведенными математическими выражениями. Толщины второго d₂, третьего d₃ диэлектрических слоев и показатели преломления первого n₁, второго n₂, третьего n₃ диэлектрических слоев определены из приведенных соотношений. 5 ил.

Поглощающее покрытие, содержащее первый и второй диэлектрические слои, управляемый слой, третий диэлектрический слой, на одной стороне которого расположен проводящий отражающий экран, отличающееся тем, что управляемый слой выполнен в виде тонкой пленки напиленного графита и расположен между первым и вторым диэлектрическими слоями, на внешней стороне первого диэлектрического слоя расположена первая двумерно-периодическая решетка из полосок напиленного металла, между вторым и третьим диэлектрическими слоями расположена вторая двумерно-периодическая решетка из полосок напиленного металла, проводимость первой двумерно-периодической решетки B₁ и толщина d₁ первого диэлектрического слоя выбраны из условия обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот в соответствии со следующими математическими выражениями

где

T₀, N₀ - заданные действительная и мнимая часть сопротивления источника сигнала соответственно;

T_Н, N_H - заданные действительная и мнимая часть сопротивления управляемого слоя соответственно;

толщины второго d₂, третьего d₃ диэлектрического слоя и показатели преломления первого n₁, второго n₂, третьего n₃ диэлектрических слоев выбраны из следующих соотношений: