Паста, поглощающая электромагнитное излучение СВЧ-диапазона, и способ ее изготовления
PASTE THAT ABSORBS ELECTROMAGNETIC RADIATION IN THE MICROWAVE RANGE, AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

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 модулей СВЧ для их устойчивой работы обычно применяют радиочастотные поглотители, размещаемые в герметичном корпусе модуля. Как в потребительской, так и в специальной микроэлектронике, конструктора стремятся обеспечить как можно большую скорость работы при как можно более широкой функциональности, что требует увеличения количества компонентов, размещенных в как можно более компактных корпусах. Когда большее число компонентов заключено в малые пространства, у разработчиков возникают большие трудности. Такие как несовместимость тех или иных компонентов, необходимость подачи большей мощности, что в частности приводит к возникновению проблем по части ЭМС, вызванных увеличением мощности и высоким уровнем радиопомех. Вследствие всего вышеперечисленного возникают проблемы колебаний ЭМВ в резонаторе. Применение поглотителей СВЧ-энергии помогает решить эти проблемы.
В качестве экранирующих, поглощающих материалов особенно привлекательны композиты с углеродными и наноуглеродными включениями для решения ряда практических задач, таких как параметры конструкционного материала, поглощающие свойства в СВЧ-диапазоне в корпусах микроэлектроники, а также использующиеся в качестве многослойной основы корпуса микросборки.
Известен патент RU 2532256, принятый за прототип, «Поглотитель электромагнитных волн», состоящий из эпоксидно-эластомерного связующего, в котором распределен магнитный наполнитель - нанокристаллический порошок сплава Fe-Cu-Nb-Si-B, опубликован 10.11.2014. Недостатками этого поглотителя являются: невозможность формирования деталей сложной формы без последующей обработки, неспособность работать при температурах свыше +120°С более 1 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 технического результата предлагается способ изготовления поглощающей электромагнитное излучение пасты, используемой для экранирования твердотельных модулей, работающих в СВЧ диапазоне, на основе эпоксидной смолы, состоящий в том, что на водяной бане подогревают эпоксидную смолу ЭД 20 до температуры от 30 до 35°С, затем постепенно всыпают и тщательно перемешивают порошок резины ХВ 2.0, рубленое углеволокно, чешуйчатый графит и карбонильное железо Р10 до однородной массы, после чего добавляют отвердитель ПЭПА и перемешивают полученную массу в течение 2-х минут, после чего тонкой струйкой полученную пасту на основе углеродной матрицы с рубленым углеволокном и чешуйчатым графитом, заливают в форму и оставляют до полного затвердевания в течение 24 ч.
Паста на основе эпоксидной смолы, поглощающая электромагнитное излучение, используемая для экранирования твердотельных модулей, работающих в СВЧ диапазоне, содержит 49% эпоксидной смолы 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 мкр, 6% рубленого углеволокна с размерами частиц от 0,05 до 0,1 мкр, 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. Здесь введены обозначения:
1 Углеткань, пропитанная пастой, поглощающей электромагнитное излучение.
2 Низкомолекулярный полиэтилен.
3 Фольга.
4, 5 Углеткань, пропитанная эпоксидной смолой.
На фиг. 3 показана развязка плеч переключателя с различным конструктивом.
На фиг. 4 показан спектр генератора шума 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.
Для изготовления полимерной пасты необходимо на водяной бане подогреть эпоксидную смолу ЭД 20 до температуры от 30 до 35°С, затем постепенно всыпать:
1) порошок резины ХВ 2.0 с размерами частиц от 0,1 до 0,3 мкр,
2) рубленое углеволокно с размерами частиц от 0,05 до 0,1 мкр,
3) чешуйчатый графит,
4) карбонильное железо Р10.
Все компоненты необходимо тщательно перемешать до однородной массы, после чего добавить отвердитель ПЭПА и перемешивать полученную массу в течение 2 минут. 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) антенн специального назначения. Корпус в таком случае изготавливается слоистым (фиг. 2). Совместное использование нескольких листовых слоев 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 поглощения.
Исследования корпуса бортовой РЛС 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.
Испытания поглощающего материала проводились на обеспечение электрогерметичности и экранирования твердотельных модулей СВЧ.
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 1×2 с усилителем (-20дБ) в общем тракте;
- узкополосный генератор шумового сигнала, обеспечивающий формирование и усиление сигнала до требуемого уровня мощности.
На фиг. 3 показана развязка 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 любую поверхность, возможность холодного литья пасты в форму.