ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
ABSORBER OF ELECTROMAGNET WAVES

Изобретение относится к области антенной техники и может быть применено для создания поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ), используемых при оснащении безэховых камер (БЭК) и экранированных помещений.
При создании многофункциональных универсальных БЭК высокого качества используются, как правило, широкодиапазонные ПЭВ шиповидной конструкции, имеющие, в основном, пирамидальную форму.
Известны пирамидальные поглотители электромагнитных волн, выполненные с использованием эластичного пенополиуретана с углеродным наполнителем (Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. - М.: Радио и связь, 1982 г., стр.90). Несмотря на малые весовые характеристики и малый коэффициент отражения в широком диапазоне электромагнитных волн, данные поглотители имеют ряд существенных недостатков. Пористая поверхность пирамидальных элементов из пенополиуретана с течением времени покрывается пылью, сам полимер имеет тенденцию к деструкции в процессе эксплуатации, что в конечном счете сказывается на стабильности радиотехнических характеристик. К тому же пенополиуретан является горючим материалом с выделением при горении ядовитых веществ, что требует дополнительных материальных затрат на установку автоматической системы пожаротушения.
Для устранения некоторых отмеченных недостатков используются ПЭВ, имеющие полые диэлектрические корпуса, которые заполняются поглощающими компонентами. В патенте ФРГ №1253780 от 08.05.1969 г. приведен вариант изготовления пирамидального ПЭВ, корпус которого выполнен из склеенных между собой плит пенопласта, а внутренняя полость заполнена брусочками кубической формы с линейными размерами в пределах 5-10 мм, вырезанными из поглощающего пенополимера. Однако сложность крепления данных пирамид к рабочим поверхностям БЭК, недостаточная механическая прочность и горючесть исходных пенополимеров являются серьезными недостатками данного технического решения.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому техническому решению является поглотитель электромагнитных волн для безэховых камер, содержащий полый диэлектрический корпус в виде четырехгранной пирамиды с цокольным основанием в форме прямоугольной призмы, во внутренней полости которой находится трудногорючий радиопоглощающий заполнитель. Данный поглотитель, принятый за прототип, выполнен из пеноасбеста, содержащего 6-10% углеродного волокна (Патент СССР №1755720 от 30.03.89 г.).
К недостаткам прототипа следует отнести очень низкие прочностные характеристики, технологическую сложность и большую трудоемкость изготовления как исходного материала-пеноасбеста, так и самого поглотителя, а также использование при изготовлении и эксплуатации готовой продукции - асбеста, являющегося канцерогенным веществом. К тому же малая механическая прочность корпусов прототипа, выполненных из пеноасбеста, который может деформироваться даже от незначительных механических воздействий, не позволяет удалять пыль, осаждающуюся в процессе эксплуатации на корпуса ПЭВ, что значительно ухудшает экологическую ситуацию в безэховой камере.
Поставленная задача состояла в разработке ПЭВ с высокими радиотехническими параметрами, малыми весовыми и значительно увеличенными прочностными характеристиками при сохранении пожаробезопасных показателей, упрощении технологии изготовления, уменьшении номенклатуры исходных компонентов и отсутствии вредных и канцерогенных материалов при производстве и эксплуатации поглотителя в безэховых камерах.
Технический результат достигается тем, что в известном поглотителе электромагнитных волн для безэховых камер и экранированных помещений, содержащем полый диэлектрический корпус, выполненный в виде четырехгранной пирамиды с цокольным основанием в форме прямоугольной призмы, во внутренней полости которой находится радиопоглощающий заполнитель, корпус выполнен из трудногорючего полимера и имеет закругленные ребра пирамидальной части с радиусом скругления равным 1/20-1/40 части высоты поглотителя.
Технический результат достигается также тем, что заполнитель представляет собой трудногорючие однородные сухие смеси высокостабильных компонентов на основе целлюлозных материалов с использованием углеродного волокна длиной не менее 1/100 и не более 1/10 части высоты поглотителя, взятого в количестве 2-10% от общей массы заполнителя. Технический результат достигается также тем, что заполнитель конструктивно может быть выполнен двухслойным и многослойным.
На чертеже изображен общий вид заявляемого ПЭВ, где 1 - корпус; 2 - герметизирующая крышка; 3 - радиопоглощающий заполнитель (смесь А); 4 - радиопоглощающий заполнитель (смесь Б); 5 - узел крепления ПЭВ к рабочим поверхностям БЭК.
При изготовлении корпуса и крышки ПЭВ могут использоваться различные полимерные трудногорючие материалы, в том числе полиэтилен, полистирол, полипропилен и др. Термин «трудногорючий» является общепринятым. Согласно ГОСТ 12.1.044-89 материалы, имеющие определенные характеристики по огнестойкости, классифицируются, как трудногорючие.
Корпус заявляемого поглотителя изготавливается методом литья из трудногорючего полистирола, например, марки BASF ES 8550 и имеет угол при вершине в пределах 21±2°, а толщина стенок корпуса - в пределах от 1 до 1,5 мм, что обеспечивает, наряду с достаточной жесткостью и прочностью изделия, его малые весовые характеристики. Герметизирующая корпус крышка изготавливается из того же материала, что и корпус, имеет высоту внутреннего бортика 10-15 мм и входит в корпус достаточно плотно, обеспечивая герметизацию, с зазором менее 0,1 мм, что позволяет предохранять поглощающий заполнитель от проникновения влаги. Дополнительно для герметизации и исключения возможного несанкционированного разъединения крышки от корпуса на внешний бортик крышки по периметру наносится полимерный клей.
Отличительной особенностью предлагаемого корпуса ПЭВ является техническое решение о придании прямоугольным ребрам пирамидальной части корпуса закруглений, позволяющих электромагнитной волне плавно обтекать поглотитель без дифракционных явлений, возникающих на острых ребрах пирамид. Эти закругления на ребрах выполняются радиусом 1/20-1/40 части от высоты ПЭВ. При увеличении радиуса закругления более 1/20 части уменьшается высота ребер цокольного основания, что приводит к увеличению коэффициента отражения в коротковолновом участке рабочего диапазона. Уменьшение же величины радиуса закругления менее 1/40 части высоты ПЭВ снижает эффект скругления ребер пирамидальной части корпуса и не является целесообразным.
Скругление ребер пирамидальной части корпуса заявляемого поглотителя позволяет при использовании любых заполнителей уменьшить коэффициент отражения по сравнению с прототипом или при одинаковых значениях коэффициента отражения расширить частотный диапазон поглощаемых электромагнитных волн. В таблице приведены сравнительные характеристики коэффициента отражения для прототипа и заявляемого поглотителя.
Таблица
Вариант ПЭВ
Коэффициент отражения по мощности, минус дБ
Отношение высоты ПЭВ к длине волны, h/λ
0,45
0,5
1,0
2,0
4,0
Прототип
-
20
30
40
50
Заявляемый ПЭВ
20
23
34
43
<50
Из таблицы видно, что заявляемый поглотитель имеет более широкий диапазон поглощаемых электромагнитных волн и меньший коэффициент отражения на любой частоте исследуемого диапазона.
3
Одновременно в заявленном изобретении решена задача по стабилизации во времени радиотехнических и эксплуатационных характеристик поглотителя. Это достигается благодаря использованию специально разработанного заполнителя, состоящего из высокостабильных целлюлозных материалов и углеродного волокна. В качестве целлюлозных материалов применяется измельченная и обработанная макулатура под названием «Эковата», имеющая гигиеническое и пожарное заключения о возможности применения в жилых помещениях, гарантийный срок эксплуатации которой не менее 70 лет. В качестве поглощающего компонента используются различные углеродные волокна типа УВЖ-10, УВС-15 или «Углен» марок ЦШЭ или У-9 с длиной нарезки от 1/100 до 1/10 части высоты ПЭВ. Оба компонента в заданных пропорциях в специально разработанном смесителе перемешиваются, образуя сухую распушенную однородную смесь с плотностью порядка 20 кг/м, которой определенным образом заполняются пирамидальные корпуса. Применение смеси с малой плотностью, оптимальными длиной нарезки и количеством углеродного волокна, уникальной технологией перемешивания компонентов и послойным заполнением корпусов - все это обеспечивает получение заполнителя, на основе которого возможно изготовление ПЭВ самого высокого качества.
Дополнительно для получения более надежной герметизации внутреннего объема корпуса вся масса поглощающего заполнителя разбита на две неравные части. Первая, основная масса (смесь А), засыпается в пирамидальную часть корпуса, другая (смесь Б) герметизируется в полиэтиленовом пакете и располагается в прямоугольной призме основания корпуса, плотно заполняя весь его объем. Корпус поглотителя, как уже отмечалось ранее, закрывается крышкой и дополнительно герметизируется полимерным клеем.
Применение высокостабильных материалов и герметизация заполнителя обеспечивают гарантийный срок эксплуатации заявляемого поглотителя не менее 20 лет.
Использование разбивки объемной массы заполнителя на две или более части, в частности на смеси А и Б, позволяет дополнительно модернизировать пирамидальный ПЭВ, добиваясь дальнейшего снижения коэффициента отражения и расширения и тем самым частотного диапазона. Это достигается возможностью располагать в верхней части пирамидального элемента (в вершине) заполнитель, в котором используется углеродное волокно малой длины, например 1/100, 1/50, 1/30 и др. часть от высоты ПЭВ, и меньшей концентрацией, например 2÷5%, а в основании размещать заполнитель, наоборот, с более длинными углеродными волокнами, например 1/20, 1/10 часть от высоты ПЭВ, и в большем количестве, например 5÷10% от общей массы заполнителя. Число слоев, длина углеродного волокна и его концентрация в слоях можно определять аналитическим расчетом, добиваясь еще более плавного проникновения электромагнитной волны в поглотитель с целью получения оптимальных радиотехнических характеристик.
Предлагаемое техническое решение относится к пирамидальным ПЭВ, которые даже при однородном заполнителе, хорошо согласовываются со свободным пространством и имеют высокие радиотехнические характеристики за счет сочетания плавно изменяющегося градиента потерь по высоте с диффузионными свойствами поверхностей граней пирамид, обеспечивающих многократное переотражение электромагнитных волн по мере проникновения в поглощающую структуру. Для данных поглотителей радиотехнические характеристики зависят от размеров и высоты пирамидальных элементов и выбираются в зависимости от заданной минимальной и максимальной длин волны и требуемого коэффициента отражения в этом диапазоне. Однако наличие возможности разбивки объемной массы заполнителя по слоям имеет перспективу достижения самого высокого качества данной конструкции ПЭВ.
Заявляемое техническое решение относится к высококачественным, высокостабильным поглотителям электромагнитных волн, является пожаробезопасным, экологически чистым материалом, который в процессе эксплуатации не выделяет вредных и токсичных веществ. К достоинствам данного поглотителя следует также отнести малый вес и возможность удаления пыли с поверхности пирамидальных корпусов, что улучшает условия работы обслуживающего персонала безэховых камер и экранированных помещений.
Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения имеют место и основываются на следующем.
Во-первых, за счет высоких радиотехнических показателей заявляемого ПЭВ повышается качество и снижается себестоимость затрат при проведении испытаний антенной техники.
Во-вторых, благодаря высокостабильным радиотехническим и высоким прочностным характеристикам отсутствует необходимость в замене и переоборудовании новыми ПЭВ безэховых камер и экранированных помещений.
В-третьих, за счет малых весовых характеристик уменьшаются расходы на возведение опорных и несущих строительных конструкций, а также упрощаются техпроцессы облицовки безэховых камер и экранированных помещений.
В-четвертых, обеспечиваются пожаробезопасные и экологические условия нахождения персонала в замкнутых объемах, оборудованных заявляемым ПЭВ.