ШИРОКОПОЛОСНОЕ РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ
WIDEBAND RADAR-ABSORBENT COATING

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к широкополосным радиопоглощающим покрытиям.
Известно радиопоглощающее покрытие, выполненное в виде слоев радиопоглощающего материала, первый из которых нанесен на отражающую электромагнитные волны поверхность, а остальные нанесены последовательно один на другой, при этом величина слоев радиопоглощающего материала определяется требуемой величиной коэффициента поглощения покрытия (патент RU №2155420. H01Q 17/00, C09D 5/32, G01S 13/00. Радиопоглощающее покрытие, способ получения и управления его свойствами и устройство для дистанционного измерения отражательных свойств покрытий на объектах в СВЧ-диапазоне радиоволн. 12.01.2000). В состав слоев, в виде матов, входит диэлектрическое связующее с порошком феррита или карбонильного железа.
Известно, что увеличение электрических и магнитных потерь в материале увеличивает поглощение в слое и, соответственно, уменьшает отражение электромагнитной энергии от поверхности. Расположение поглощающего слоя на отражающей поверхности увеличивает эффективность действия поглощающего слоя за счет того, что при отражении волна дважды проходит через поглощающий слой. Многослойная конструкция расположения слоев с возрастающей диэлектрической проницаемостью от слоя к слою, применяемая в радиопоглощающих покрытиях, позволяет лучше согласовывать на границе электромагнитные характеристики слоя со свободным пространством. На выбранной частоте такие конструкции позволяют получить хорошие поглощающие свойства.
Недостатком радиопоглощающего слоя являются невысокие поглощающие свойства таких конструкций в широкой полосе частот и при значительном диапазоне углов падения электромагнитного излучения на границу поглощающего слоя.
<mrow><mi>ω</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mi>ω</mi><mi>ε</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
Наиболее близким техническим решением является радиопоглощающее покрытие с диэлектрической проницаемостью ε=ε′+i·ε″, магнитной проницаемостью µ=µ′+i·µ″, у которого волновое сопротивление
, а ε и µ имеют большие по величине мнимые части, чтобы обеспечить затухание волны в относительно малой толщине материала (Канецеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика, М., Наука, 1966, стр.26.). Во-первых, при ω=1 коэффициент отражения R=0, а коэффициент прохождения Т=1 - при нормальном падении волна полностью проходит в среду, у которой ε=µ. Это обстоятельство лежит в основе всех работ по созданию так называемых неотражающих покрытий (там же).
Недостатком технического решения по прототипу является то, что для реализации широкополосного радиопоглощающего покрытия рассматриваются противоречивые требования: с одной стороны, волновое сопротивление ω=1, для выполнения условий прохождения на границе слоя, а с другой, ε и µ должны иметь достаточно большие мнимые части. Поэтому определение необходимых свойств широкополосного радиопоглощающего покрытия требует уточнения для того, чтобы обеспечить высокие поглощающие свойства таких конструкций в широкой полосе частот и при значительном диапазоне углов падения электромагнитного излучения на границу поглощающего слоя, нанесенного на металлическую поверхность.
Так как маскировка металлических поверхностей является важным объектом исследования, то задачей изобретения является поиск свойств поглощающего слоя на металле, снижающего отражение электромагнитных волн от таких объектов в широком диапазоне частот и при значительном диапазоне углов падения электромагнитного излучения на границу поглощающего слоя, нанесенного на металлическую поверхность.
<mrow><mi>Re</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo><</mo><mn>0</mn></mrow>
Широкополосное радиопоглощающее покрытие, выполненное в виде поглощающего слоя из материала с диэлектрической проницаемостью ε=ε′+i·ε″, магнитной проницаемостью µ=µ′+i·µ″ и показателем преломления n, нанесенного на отражающую электромагнитные волны поверхность, отличается тем, что поглощающий слой выполнен из материала с реальной частью квадрата показателя преломления меньше нуля
.
<mrow><mi>Re</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo><</mo><mn>0</mn></mrow>
Достигается задача тем, что широкополосное радиопоглощающее покрытие, выполненное в виде поглощающего слоя из материала с диэлектрической проницаемостью ε=ε′+i·ε″, магнитной проницаемостью µ=µ′+i·µ″ и показателем преломления n, нанесенного на отражающую электромагнитные волны поверхность, отличается тем, что поглощающий слой выполняется из материала с реальной частью квадрата показателя преломления меньше нуля
.
Выполнение в широкополосном радиопоглощающем покрытии поглощающего слоя из материала, у которого реальная часть квадрата показателя преломления меньше нуля, уменьшает отражение от покрытия. Применение такого широкополосного радиопоглощающего покрытия позволяет не только снизить коэффициент отражения, но и заметность металлического объекта в широкой полосе частот и при значительном диапазоне углов падения электромагнитного излучения на него.
Авторы установили, что в заявляемой конструкции широкополосного радиопоглощающего покрытия для предложенного условия величины показателя преломления достигается наименьший коэффициент отражения электромагнитного поля от поверхности в широкой полосе частот.
Для доказательства преимущества предлагаемого технического решения проведены расчетные эксперименты, результаты которых представлены ниже.
Сформулируем задачу как определение условий, при которых, для определенной величины угла падения волны с параллельной и перпендикулярной поляризациями, происходит полное поглощение волны в слое на поверхности металла, а отражение минимально.
1
1
4
4
1
<mrow><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><mi>i</mi><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup><mo>;</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><mi>i</mi><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>ε</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>ε</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><mi>i</mi><msubsup><mi>ε</mi><mn>3</mn><mo>"</mo></msubsup><mo>;</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><mi>i</mi><msubsup><mi>μ</mi><mn>3</mn><mo>"</mo></msubsup></mrow>
На фигуре 1 свойства внешнего пространства соответствуют ε=1 µ=1 и ε1 µ=1. Свойства поглощающего плоского слоя
; угол падения α. Свойства металла
.
ε
µ
Поиск свойств материала радиопоглощающего слоя, в широкой частотной полосе, для произвольной поляризации падающей волны и в широком диапазоне углов падения, проводился расчетным способом с использованием матричного метода, описанного в [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. «Наука», М, 1973, 720 с.], при предположении, что материал поглощающего слоя имеет диэлектрическую ε=ε′·(1+i·tg(δ)) и магнитную µ=µ′·(1+i·tg(δ)) проницаемости.
P
S
Расчеты максимального коэффициента отражения R(F,α,p) проводились в частотном диапазоне от 1 до 20 ГГц (F=1÷20) при изменении углов падения от 0 до 40 град (α=0÷40°) для параллельной (ТМ, P) и перпендикулярной (ТЕ, P) поляризаций вектора электрического поля относительно плоскости падения.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
При расчете в широком диапазоне положительных величин изменялись параметры поглощающего слоя:
,
,
,
. При расчете модели по прототипу принималось дополнительное условие
.
max
<mrow><mi>Re</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>"</mo></msubsup></mrow>
На фиг.2 представлены расчетные зависимости максимального коэффициента отражения R(F,α,p) от поглощающего слоя на металлической поверхности для двух вариантов по прототипу и по предлагаемому техническому решению при толщине поглощающего слоя на поверхности металла h=0,5 мм в зависимости от величины реальной части квадрата показателя преломления
.
Из фиг.2 видно, что для поглощающего слоя по прототипу наименьший максимальный коэффициент отражения составил 58%, для конструкции по предлагаемому техническому решению не более 3% при толщине поглощающего слоя h=0,5 мм.
На Фиг.3 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента отражения R (максимальные в диапазоне углов падения α=0÷40°) для конструкции по предлагаемому техническому решению для поглощающего слоя h=0,5 мм на металле для различных поляризаций падающей волны (ТМ и TE).
max
Из фиг.3 видно, что расчетные R(α=0÷40°) для конструкции поглощающего слоя по предлагаемому техническому решению составили не более 3% во всей полосе частот для обеих поляризаций.
При проведении расчетов установлено, что свойства материалов для радиопоглощающего покрытия должны определяться исходя из выполнения условий для показателя преломления, соответствующих предлагаемому решению, которое уточнено относительно прототипа и сужает выбор материалов.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>10,5</mn></mrow>
<mrow><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>11,0</mn></mrow>
ε
2
µ
2
Например, для материалов радиопоглощающего покрытия, использованных для расчетов, приведенных на фиг.2, наилучшие характеристики и минимальная величина коэффициента отражения соответствовали следующим величинам:
;
; tg(δ)=8,5; tg(δ)=10,0.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>μ</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
ε
2
µ
2
На следующих чертежах представлены зависимости изменений величин, соответствующих простому изменению свойств материала радиопоглощающего покрытия для расчетов коэффициента отражения R<10%: на Фиг.4
;
; а на Фиг.5 tg(δ); tg(δ).
Из чертежей видно, что простое увеличение потерь в материале не приводит к снижению коэффициента отражения, а только необходимое соотношение диэлектрических, магнитных проницаемостей и потерь, соответствующих предлагаемому техническому решению.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>ε</mi><mo>'</mo><mo>⋅</mo><mi>μ</mi><mo>'</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>ε</mi><mo>"</mo><mo>⋅</mo><mi>μ</mi><mo>"</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Авторы также установили, что пропорциональное увеличение величин произведения действительных и мнимых частей проницаемостей
и
слоя значительно уменьшает отражение от покрытия.
Широкополосное радиопоглощающее покрытие, выполненное по предлагаемому техническому решению, по сравнению с известными конструкциями, в широкой полосе частот и углов падения обладает минимальным коэффициентом отражения.
Источники информации
1. Патент RU №2155420, H01Q 17/00, C09D 5/32, G01S 13/00. Радиопоглощающее покрытие, способ получения и управления его свойствами и устройство для дистанционного измерения отражательных свойств покрытий на объектах в СВЧ-диапазоне радиоволн. 12.01.2000.
2. Канецеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика. М., Наука, 1966, стр.26.
3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. «Наука», М., 1973, 720 с.