Паста, поглощающая электромагнитное излучение СВЧ диапазона Российский патент 2024 года по МПК C08L63/00 C08K7/00 C08K3/08 

Изобретение относится к поглотителям электромагнитных волн в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для уменьшения радиолокационной видимости объектов различного назначения и конфигурации.

При разработке твердотельных СВЧ модулей для их устойчивой работы обычно применяют радиочастотные поглотители, размещаемые в герметичном корпусе модуля. Большое число компонентов, заключенное в малые пространства, вызывает большие трудности при разработке микроэлектроники: несовместимость тех или иных компонентов, необходимость подачи большей мощности, что в частности приводит к возникновению проблем с электромагнитной совместимостью (ЭМС), вызванных увеличением мощности и высоким уровнем радиопомех. Вследствие всего вышеперечисленного возникают проблемы колебаний электромагнитной волны (ЭМВ) в резонаторе. Применение поглотителей СВЧ-энергии помогает решить эти проблемы.

В качестве экранирующих, поглощающих материалов для решения ряда практических задач особенно привлекательны композиты с углеродными и наноуглеродными включениями.

Известен патент RU 2532256 C1 «Поглотитель электромагнитных волн», принятый за прототип, опубликованный 10.11.2014. Поглотитель состоит из эпоксидно-эластомерного связующего, в котором распределен магнитный наполнитель - нанокристаллический порошок сплава Fe-Cu-Nb-Si-B. Недостатками прототипа являются: невозможность формирования деталей сложной формы без последующей обработки, неспособность работать при температурах свыше +120°С более одного часа из-за высокой термонестабильности меди и железа, а также проблемы с механической обработкой из-за содержания бора.

Техническим результатом заявляемого изобретения является усиление радиопоглощающих свойств, увеличение температурных показателей и прочностных характеристик, возможность нанесения пасты на любую поверхность, возможность холодного литья пасты в форму.

Для достижения указанного технического результата предлагается паста, поглощающая электромагнитное излучение, используемая для экранирования твердотельных модулей, работающих в СВЧ диапазоне, на основе эпоксидной смолы.

Паста, поглощающая электромагнитное излучение, используемая для экранирования твердотельных модулей, работающих в СВЧ диапазоне, на основе эпоксидной смолы, отличающаяся тем, что паста содержит массовые доли: 49% эпоксидной смолы марки ЭД 20; 6% отвердителя марки ПЭПА; 17% карбонильного железа марки Р-10; 6% порошка резины ХВ 2.0 с размерами частиц от 0,1 до 0,3 мкм; 6% рубленого углеволокна с размерами частиц от 0,05 до 0,1 мкм; 16% чешуйчатого графита.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан пример детали корпуса сложной формы.

На фиг. 2 показан разрез детали - слоистый корпус антенны Вивальди. На фиг. 1-2 введены обозначения:

1. Углеткань, пропитанная пастой, поглощающей электромагнитное излучение.

2. Низкомолекулярный полиэтилен.

3. Фольга.

4, 5. Углеткань, пропитанная эпоксидной смолой.

На фиг. 3 показана амплитудно-частотная характеристика, раскрывающая развязку плеч переключателя с различным конструктивом.

На фиг. 4 показан пример спектра генератора шума, функционирующего

а) без прокладки из углеткани, пропитанной поглотителем электромагнитного излучения;

б) с прокладкой из поглотителя.

Для повышения поглощающих характеристик материалы покрытия должны соответствовать следующим параметрам:

- наличие в полимерной матрице развитой электропроводящей наносети;

- присутствие изолированных друг от друга наночастиц магнитного вещества;

- обеспечение дополнительного ослабления электромагнитного излучения за счет диэлектрических потерь;

- наличие структурных элементов, способствующих образованию релеевских рассеивающих структур и зон, где происходит сложение волн в противофазе;

- достижение минимальной разности волновых сопротивлений на границе радиопоглощающий материал/воздух.

Малые концентрации углеродных включений в композитах позволяют изменить значения комплексной диэлектрической проницаемости полимерной матрицы и получить материал с контролируемым поглощением.

Полимерную пасту изготавливают на водяной бане, подогревая эпоксидную смолу ЭД 20 до температуры от 30 до 35°С. Затем в нее постепенно всыпают:

- порошок резины ХВ 2.0 с размерами частиц от 0,1 до 0,3 мкм;

- рубленое углеволокно с размерами частиц от 0,05 до 0,1 мкм;

- чешуйчатый графит;

- карбонильное железо Р-10.

К тщательно перемешанным компонентам добавляют отвердитель ПЭПА. Полученную пасту тонкой струйкой заливают в литьевую форму и оставляют до полного затвердевания в течение 24 ч.

Покрытие из заявляемого поглотителя предлагается использовать для корпусов сложной формы (пример приведен на фиг. 1), например, для антенн специального назначения. Корпус в таком случае изготавливается слоистым (фиг. 2). Совместное использование нескольких листовых слоев (от одного до пяти) с различными характеристиками диэлектрической и магнитной проницаемости, а также разными значениями прохождения и поглощения электромагнитной волны необходимо для создания эффекта межслоевого переотражения.

Экспериментально установлено, что в деталях СВЧ приборов из углеродной ткани, пропитанной пастой, поглощающей электромагнитное излучение (композиты), существенно увеличивается коэффициент поглощения, а их матрица не является основной преградой поглощению.

Исследования корпуса бортовой радиолокационной станции, покрытого пастой, поглощающей электромагнитное излучение, проводились на двух измерительных антеннах. На одну антенну подавался сигнал в миллиметровом диапазоне длин волн мощностью 10 мВт через генератор сигналов, ко второй антенне был подключен анализатор спектра. Из результатов исследований сделан вывод, что нанесенный материал показал поглощающие свойства в интервале от -22,2 дБ до -70 дБ.

Полученный поглотитель способен заменить резину ХВ, ранее используемую в приборах как поглотитель электромагнитных волн в диапазоне сверхвысоких частот, улучшив показатели поглощения ЭМВ на 10 дБ и увеличив прочность и срок службы изделия за счет содержания в составе поглотителя чешуйчатого графита и углеволокна.

Возможно формирование детали из углеродной ткани с пропиткой методом контактного давления. Испытания поглощающего материала проводились на обеспечение электрогерметичности и экранирования твердотельных модулей СВЧ. Углеродная ткань, пропитанная методом контактного давления полимерным связующим, использовалась в качестве прокладки между никелированными корпусом и экранной крышкой модуля, крепеж осуществлялся винтами.

Испытания проводились на двух типах СВЧ модулей:

- широкополосный переключатель мощности 1x2 с усилителем (≈20 дБ) в общем тракте;

- узкополосный генератор шумового сигнала, обеспечивающий формирование и усиление сигнала до требуемого уровня мощности.

На фиг. 3 показана амплитудно-частотная характеристика, раскрывающая развязку плеч переключателя без экранирующих крышек (кривая А), с установленной экранной металлической крышкой (кривая Б), с установленной углеродной прокладкой и экранной крышкой (кривая В). Проведенные на скалярном анализаторе цепей серии Р2М-18А измерения коэффициента передачи показали, что применение углеродной прокладки позволило увеличить развязку плеч переключателя в среднем на 10 дБ, что говорит об эффективности использования углеродной ткани в качестве поглощающего материала для обеспечения электрогерметичности модулей СВЧ.

Из-за высокого усиления модуля генератора шума (порядка 110 дБ) устойчивость работы модуля низка и без должного экранирования ведет к возбуждению на частотах вне рабочего диапазона. Изрезанность спектра без использования прокладки, с установленной экранной крышкой говорит о недостаточном экранировании модуля (фиг. 4, вид а). Форма спектра сигнала генератора шума с установленной углеродной прокладкой и экранной крышкой без изрезанности демонстрирует устойчивость работы модуля (фиг. 4, вид б), то есть применение углеродной ткани, пропитанной полимерным связующим, обосновано в качестве поглощающего материала для экранирования модулей СВЧ.

Результаты исследований показали, что материал на основе углеродной матрицы с различными наполнителями в качестве поглощающего материала позволяет усилить радиопоглощающие свойства, обеспечить внутреннюю и внешнюю электромагнитную совместимость в СВЧ устройствах, а также увеличить температурные показатели и прочностные характеристики. Кроме того, появляется возможность нанесения пасты на поверхность сложной формы, а также возможность холодного литья пасты в форму.

Изобретение относится к поглотителям электромагнитных волн в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для уменьшения радиолокационной видимости объектов различного назначения и конфигурации. Поглотитель представляет собой пасту на основе эпоксидной смолы, содержащую (в масс. долях): 49% эпоксидной смолы марки ЭД 20; 6% отвердителя марки ПЭПА; 17% карбонильного железа марки Р-10; 6% порошка резины ХВ 2.0 с размерами частиц от 0,1 до 0,3 мкм; 6% рубленого углеволокна с размерами частиц от 0,05 до 0,1 мкм; 16% чешуйчатого графита. Предложенное изобретение позволяет усилить радиопоглощающие свойства, увеличить температурные показатели и прочностные характеристики. Кроме того, обеспечивается возможность нанесения пасты на любую поверхность и возможность холодного литья пасты в форму. 4 ил., 1 пр.

Паста, поглощающая электромагнитное излучение, используемая для экранирования твердотельных модулей, работающих в СВЧ диапазоне, на основе эпоксидной смолы, отличающаяся тем, что паста содержит массовые доли: 49% эпоксидной смолы марки ЭД 20; 6% отвердителя марки ПЭПА; 17% карбонильного железа марки Р-10; 6% порошка резины ХВ 2.0 с размерами частиц от 0,1 до 0,3 мкм; 6% рубленого углеволокна с размерами частиц от 0,05 до 0,1 мкм; 16% чешуйчатого графита.