КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ РАБОЧИХ ДЛИН ВОЛН
STRUCTURAL MATERIAL TO ABSORB ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WIDE RANGE OF OPERATING WAVELENGTHS

Изобретение относится к области техники СВЧ и предназначено для уменьшения отражений электромагнитных волн СВЧ диапазона от объектов, выполненных из конструкционных диэлектрических материалов, предназначенных для работы при большом напоре воздуха и(или) высоких температурах.
Нам неизвестны поглощающие конструкционные материалы или конструкционные поглотители, включающие внешний конструкционный слой, освещаемый электромагнитными волнами и несущий механические и(или) тепловые нагрузки, и внутренние, расположенные с теневой стороны конструкционного слоя, электропроводящий слой, согласующий диэлектрический слой и металлический экран, собранные в плоский пакет.
Известны поглотители электромагнитных волн разных конструкций, которые устанавливаются на внешней, освещенной стороне объекта, от которого необходимо уменьшить отражение электромагнитных волн. Такие поглотители не могут быть применены для маскировки объектов, предназначенных для работы при большом напоре воздуха и(или) высоких температурах, так как при этих условиях работы все известные поглотители разрушаются.
Харвей А.Ф., Техника СВЧ, т.1, М., 1965, стр.744. Поглощающий материал представляет собой пленку с поверхностным сопротивлением, равным волновому сопротивлению свободного пространства (377 Ом), изолированную от металлического экрана слоем диэлектрика толщиной четверть длины волны в диэлектрике. Такой материал работает в узком (до 10%) диапазоне частот, при установке его на внешней поверхности конструкционного слоя и не работает при установке его с внутренней, теневой стороны конструкционного слоя.
Авт.св. №1786567, H01Q 17/00, Бюл. №1, 07.01.93. Поглотитель электромагнитных волн выполнен в виде трех слоев: внешнего и нижнего из диэлектрических материалов и расположенного между ними среднего слоя электропроводящего материала. Этот материал не работает при установке его с внутренней, теневой стороны конструкционного слоя и не является конструкционным.
Патент RU №2231181, H01Q 17/00, Бюл. №17, 20.06.2001. Поглотитель электромагнитных волн состоит из диэлектрических волокон и полимерного связующего и из расположенных в активных слоях проводящих поглощающих элементов. Диэлектрическая проницаемость элементов возрастает от наружного активного слоя к активным внутренним слоям и металлу. Поглощающие элементы выполнены из углеграфитовой ткани и образуют дифракционные решетки. Этот материал не работает при установке его с внутренней, теневой стороны конструкционного слоя и также не является конструкционным.
Техническим результатом изобретения является создание конструкционного материала с поглощающим электромагнитные волны свойством в широком диапазоне рабочих длин электромагнитных волн, т.е. преобразование конструкционного материала в конструкционный поглотитель в диапазоне рабочих длин волн, превышающем октаву.
Изобретение поясняется чертежом, на котором введены обозначения: 1 - плоский конструкционный слой; 2 - плоский электропроводящий слой; 3 - плоский согласующий диэлектрический слой; 4 - плоский металлический экран.
Конструкционный поглотитель состоит из собранных и соединенных в плоский пакет: внешнего конструкционного слоя 1, электропроводящего слоя 2, согласующего диэлектрического слоя 3 и металлического экрана 4.
Плоский электропроводящий слой 2 расположен между плоским конструкционным слоем 1 и плоским согласующим слоем 3. С другой стороны согласующего слоя расположен плоский металлический экран 4.
Конструкционный слой 1 должен быть выполнен из диэлектрика без потерь. Толщина конструкционного слоя и его диэлектрическая проницаемость определяются исходя из требуемых прочностных и теплозащитных характеристик корпуса объекта, отражение от которого необходимо уменьшить.
Электропроводящий слой 2 изготавливается из металла, например платины. Толщина этого слоя должна быть меньше толщины скинслоя. Металл наносится напылением на внутреннюю поверхность конструкционного слоя 1 или на поверхность согласующего слоя 3, прилегающую к конструкционному слою. Металл может быть нанесен и на тонкую майларовую (лавсановую) пленку (толщиной меньше 0,2 мм), которая помещается между конструкционным 1 и согласующим 3 слоем. С другой стороны согласующего слоя 3 устанавливают металлический экран 4. В качестве металлического экрана 4 может быть применена алюминиевая фольга.
t
t
max
min
По заданным параметрам конструкционного слоя: его геометрической толщине D, относительной диэлектрической проницаемости ξ, требуемом значении максимума коэффициента отражения R конструкционного поглотителя в рабочем диапазоне длин волн по формулам (1), (2), (3), (4), (5) и (6) рассчитывают относительную поверхностную проводимость Y электропроводящего слоя, геометрическую толщину D и относительную диэлектрическую проницаемость ξ согласующего слоя и максимальное перекрытие диапазона N - отношение максимальной рабочей длины волны λ к ее минимальной длине λ.
Поверхностную проводимость Y рассчитывают по формуле (1):
,
где Y - относительная поверхностная проводимость проводящего слоя;
t
ξ - относительная диэлектрическая проницаемость конструкционного слоя;
q=(1-R)/(1+R);
R - допустимое максимальное значение коэффициента отражения конструкционного поглотителя в диапазоне рабочих длин волн.
Геометрическую толщину D согласующего слоя рассчитывают по формуле (2):
,
где D - геометрическая толщина согласующего слоя;
t
D - геометрическая толщина конструкционного слоя;
2
t
p=1/(q·ξ-1).
Относительную диэлектрическую проницаемость согласующего диэлектрического слоя рассчитывают по формуле (3):
,
где ξ - относительная диэлектрическая проницаемость согласующего диэлектрического слоя.
Максимальное перекрытие диапазона N определяют из равенства (4):
max
Максимальную рабочую длину волны рабочего диапазона λ конструкционного поглотителя рассчитывают по формуле (5):
Минимальную длину волны рабочего диапазона конструкционного поглотителя рассчитывают по формуле (6):
Формулы: (1), (2), (3), (4), (5) и (6) получены на основании теории длинных линий.
2
t
t
Значение квадрата модуля коэффициента отражения r(λ) конструкционного слоя в функции длины волны, для случая нормального падения плоской электромагнитной волны на плоскую границу раздела воздух - структура, состоящую из конструкционного слоя с относительной диэлектрической проницаемостью ξ, толщиной D, за которой находится электропроводящий слой с поверхностной проводимостью Y и короткозамкнутый согласующий слой толщиной D с относительной диэлектрической проницаемостью ξ и оптической толщиной, равной оптической толщине конструкционного слоя, когда соблюдается равенство , имеет вид:
2
2
2
2
2
2
2
0
1
2
0
1
2
rf(λ)=[A+Ax+A(x)]/[B+Bx+B(x)],
где f - знак функции означает зависимость одной величины от другой;
;
1
0
2
1
0
2
A=1-(A+A); B=1-(B+B);
0
t
t
0
t
t
2
2
A=(1-Y/ξ)·ξ/ξ; B=(1+Y/ξ)·ξ/ξ;
.
max
min
0
max
0
Потребуем, чтобы внутри рабочего диапазона длин волн λ<λ<λ при некотором значении λ=λ существовало бы некоторое значение максимума коэффициента отражения r=rf(λ)=R, которое было бы равно значениям коэффициента отражения на краях диапазона, т.е. чтобы выполнялись равенства
min
max
t
min
max
2
2
rf(λ)=rf(λ)=R. При любых возможных значениях Y, ξ и ξ эти равенства возможны при условии, когда соблюдается равенство xf(λ)=xf(λ), т.е. когда  или когда , т.е. когда .
max
min
max
min
max
min
max
Для определения неизвестных величин λ и λ, характеризующих искомый рабочий диапазон длин волн, введем в рассмотрение величины: перекрытие диапазона N=λ/λ, и диапазонность h=cos[(π/(N+1)]=xf(λ). С помощью этих величин для границ рабочего диапазона длин волн получаем равенства:  и λ=λ/N.
Потребуем, чтобы соблюдалось равенство , тогда выражение для максимума коэффициента отражения имеет место при .
min
max
0
0
1
2
0
1
2
2
2
2
2
2
2
На основании принятых обозначений из условия Rf(λ)=Rf(λ)=Rf(λ), после алгебраических преобразований, получим: [A+Ah+A(h)]/[B+Bh+B(h)]=
0
1
2
0
1
2
0
0
2
2
2
2
2
2
(A+A0+A(0)]/[B+B0+B(0)]=A/B. Произведем алгебраические преобразования последнего равенства:
0
0
1
2
0
0
1
2
2
2
2
2
2
2
B[A+Ah+A(h)]=A[B+Bh+B(h)];
0
1
2
0
1
2
2
2
2
2
2
2
B[Ah+A(h)]=A[Bh+B(h)];
0
1
0
1
0
2
0
2
2
BA-AB=h(AB-BA);
0
0
2
0
0
2
2
0
0
2
B[1-(A+A)]-A[1-(B+B)]=hB(A-B);
0
0
0
2
0
0
0
2
2
0
0
2
B-B(A+A)-A+A(B+B)]=hB(A-B);
0
0
2
0
0
2
2
0
0
2
B-BA-A+AB=hB(A-B);
0
0
2
0
0
2
0
0
0
0
2
2
B-A+B(A-B)=hB(A-B)=(A-B)(B-1);
2
2
2
2
2
hB=B-1; l=B(1-h).
Окончательно получим: .
2
0
0
В этой функции необходимо вычислить неизвестные параметры ξ и Y так, чтобы значение диапазонности h или перекрытие диапазона N были максимально возможными. Эту задачу решаем при заданном допустимом максимальном значении коэффициента отражения, т.е. когда задана величина R=A/B. В этом случае справедливо равенство:
2
2
2
2
2
t
t
t
t
t
t
R=(ξ/ξ)·(1-Y/ξ)/[(ξ/ξ)(1+Y/ξ)]=(1-Y/ξ)/(1+Y/ξ)
t
t
Y/ξ=(1-δR)/(1+δR), где δ=±1; Y=sξ, где s=(1-δR)/(1+δR);
2
2
2
2
2
2
2
2
t
t
t
t
t
1/(1-h)=(1-1/ξ)[(1+p)-sξ ·p/ξ]=(1-1/ξ)[(1+p)-sξp], .
2
2
2
2
2
2
2
t
t
t
t
Из последней формулы видно, что максимизация диапазонности сводится к максимизации величины 1/(1-h), т.е. максимизации правой части формулы, как функции p. Диапазонность будет тем больше, чем меньше s. Поэтому в формуле s=(1-δR)/(1+δR) из двух возможных значение δ=±1 следует брать δ=±1, т.е. s=q=(1-R)/(1+R). В этом случае 1/(1-h)=(1-1/ξ)f(p), где f(p)=(1+p)-qξ·p. Для нахождения экстремума функции f(p) возьмем ее производную по ее аргументу p и приравняем результат нулю: f'(p)=2(1+p)-2qξp=2[p(1-qξ)+1]=0.
экст
t
t
t
t
t
2
2
2
2
2
2
2
2
Из этого равенства следует, что экстремальное значение p=1/(qξ-1). При p>О соблюдается неравенство (qξ-1)>0. Для выяснения характера экстремума (max или min) вычислим вторую производную f”(p)=2-2qξ=2(1-qξ)<0. При p=1/(qξ-1) имеем экстремум в виде максимума диапазонности, который вычисляется по формуле: h=(1-q)/q(ξ-1).
При соблюдении условий:  и ξ>1 должно выполняться неравенство . Поэтому при выборе значений q, т.е. R, должно соблюдаться неравенство . При соблюдении этого неравенства получим, что  или .
t
t
Из последнего неравенства следует, что при заданном значении ξ коэффициент отражения R не должен быть слишком большим, что и требуется на практике. Например, при ξ=4 получаем q>0,612. При этом (1-R)/(1+R)>0,612. Из этого неравенства следует, что R должно быть меньше 0,24.
Пример реализации изобретения
t
t
Для примера рассчитаем параметры конструкционного поглотителя и рабочий диапазон при значении коэффициента отражения R=0,2 и заданных параметрах конструкционного слоя: ξ=4 и D=0,6 см.
2
t
При этом q=(1-R)/(1+R)=(1-0,2)/(1+0,2)=2/3 и p=1/(qξ-1)=9/7.
t
Относительную поверхностную проводимость электропроводящего слоя 2 рассчитывают по формуле (1), и получим Y=ξ·q=4·2/3=2,67.
t
Геометрическую толщину D согласующего диэлектрического слоя рассчитывают по формуле (2), и получим: D=D·p=9·0,6 см/7=0,77 см.
t
2
Относительная диэлектрическая проницаемость согласующего слоя рассчитывается по формуле (3), и получим: ξ=ξ/p=2,42.
2
2
2
t
Максимальную диапазонность вычислим по формуле (4) и получим: h=(1-q)/q(ξ-1)=5/12 и h=0,645, из чего следует, что π/(N+1)=arc cos(h)=0,87 и N=2,6.
max
min
min
max
Максимальную λ и минимальную λ рабочие длины волн конструкционного поглотителя рассчитаем по формулам (5) и (6) и получим:  и λ=λ/N=3,32 см.
Конструкционный поглотитель с рассчитанными параметрами был собран и склеен в плоский пакет, который содержал:
- внешний конструкционный слой 1, выполненный из прозрачного диэлектрика (стеклотекстолит) с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 4 и толщиной 0,6 см;
- электропроводящий слой 2, выполненный в виде майларовой пленки толщиной 0,2 мм с напыленной в вакууме слоем платины с относительной поверхностной проводимостью электропроводящего слоя, равной 2,67, т.е. с поверхностным сопротивлением 141 Ом;
- согласующий диэлектрический слой 3, выполненный из прозрачного диэлектрика (оргстекло) с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 2,42 и толщиной 0,77 см;
- металлический экран, выполненный в виде алюминиевой фольги, толщиной 0,2 мм.
Во всем диапазоне рабочих длин волн коэффициент отражения конструкционного поглотителя не превышал значение 0,2.
Технический результат изобретения достигнут. Конструкционный материал стал поглощающим (коэффициент отражения не более 0,2) в диапазоне рабочих длин электромагнитных волн от 3,32 см до 8,62 с перекрытием диапазона 2,6 раза.