ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
ELECTROMAGNETIC WAVE ABSORBER

Изобретение относится к электронной технике, а именно поглотителям электромагнитных волн.
Основной задачей на сегодня является разработка как материалов, поглощающих электромагнитные волны, так и поглотителей электромагнитных волн на их основе, далее поглотитель ЭМВ, способных выдерживать экстремальные воздействия, в частности, контакт с агрессивными средами, длительную и кратковременную эксплуатацию при повышенных температурах, облучение мощными потоками радиации и другое.
Одними из основных характеристик поглотителей ЭМВ является сочетание:
во-первых, низкого коэффициента отражения и,
во-вторых, высокого коэффициента поглощения в рабочем диапазоне длин волн.
Одним из основных электрических параметров поглотителей ЭМВ является рабочий диапазон длин волн, который должен быть как можно шире.
Это особенно важно с точки зрения противодействия современным радиолокационным станциям, работающим в режимах с быстрой перестройкой частоты и сменой поляризации в широком диапазоне длин волн вплоть до миллиметрового и субмиллиметрового.
Данная задача может решаться различными как используемыми материалами, поглощающими электромагнитные волны, так и конструкционными техническими решениями либо комплексно.
Оптимальным для поглотителя ЭМВ является материал с большими магнитными потерями и близкими значениями диэлектрической и магнитной проницаемости.
Физические принципы действия в поглотителях электромагнитных волн основаны на релаксационных, резонансных, интерференционных и градиентных процессах либо их комбинаций.
6
10
Известен поглотитель электромагнитных волн, включающий связующее, выполненное из диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью, равной 2-4 в диапазоне частот 10-10, стеклянные и электропроводящие волокна, например, углеродное волокно, а также стеклянные металлизированные микросферы с полимерным покрытием [1].
Недостатками данного поглотителя ЭМВ являются:
во-первых, ограниченный рабочий диапазон длин волн из-за наличия в поглотителе ЭМВ микросфер с полимерным покрытием конечных размеров,
во-вторых, низкий коэффициент поглощения и высокий коэффициент отражения в силу того, что в основе его работы лежат только релаксационные - ослабляющие процессы.
Известен поглотитель электромагнитных волн, содержащий гибкую опору, например, в виде сетки и прикрепленные к ней гибкие поглотители электромагнитных волн. При этом каждый из гибких поглотителей электромагнитных волн выполнен из пучка гибких волокон цилиндрообразных либо конусообразных, на котором укреплены поглощающие элементы иглообразной формы и которые ориентированы радиально по отношению к пучку гибких волокон. При этом длина свисающих частей гибких поглотителей электромагнитных волн ограничена наибольшей длиной волны рабочего диапазона [2].
Преимущество данного поглотителя ЭМВ состоит в повышении коэффициента поглощения, среднее затухание на частотах 2-6 ГГц составляет 17 дБ, за счет введения дополнительных поглощающих элементов.
Однако данный поглотитель ЭМВ, как и первый аналог, имеет недостаточно высокий рабочий диапазон длин волн, как указано выше 2-6 ГТц.
Кроме того, отличается сложной конструкцией.
Известен поглотитель электромагнитных волн, включающий расположенные на металлической подложке N число слоев диэлектрика, каждый из которых в свою очередь состоит из двух слоев. На внешней поверхности каждого из двух слоев каждого из N числа слоев диэлектрика расположены решетки резонансных элементов, соответствующие длине волны согласования, поглощаемого поддиапазона частот. При этом слои диэлектрика имеют переменную толщину, а их суммарная толщина меньше четверти максимальной длины волны согласования поглощаемых поддиапазонов частот - прототип [3].
При этом резонансные элементы выполнены в виде крестообразных диполей либо замкнутых проводников, например, в виде колец или эллипсов.
Преимущество данного поглотителя ЭМВ состоит в дальнейшем увеличении коэффициента поглощения, обусловленное наличием в поглотителе множества дискретных электропроводящих резонансных элементов в виде крестообразных диполей, колец или эллипсов.
Недостатками данного поглотителя ЭМВ являются:
во-первых, ограниченный диапазон длин волн не более учетверенной суммарной толщины N слоев диэлектрика,
во-вторых, достаточно высокий коэффициент отражения, обусловленный тем, что указанные резонансные элементы расположены упорядоченно на поверхности N слоев диэлектрика и в силу этого возбуждаемые в них электромагнитные волны излучаются перпендикулярно плоскости их расположения.
Кроме того, данный поглотитель ЭМВ имеет достаточно сложную конструкцию и большие массогабаритные характеристики.
Техническим результатом предложенного поглотителя электромагнитных волн является расширение рабочего диапазона длин волн, снижение коэффициента отражения и соответственно повышение коэффициента поглощения, упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается предложенным поглотителем электромагнитных волн, выполненным в виде диэлектрического слоя заданного размера - связующего и наполнителя, распределенного в объеме связующего, при этом наполнитель содержит множество дискретных электропроводящих резонансных элементов.
В котором диэлектрический слой - связующее выполнен из полимерного материала, наполнитель дополнительно содержит ферритовый материал, оксиды редкоземельных элементов и сегнетоэлектрики, при этом дополнительные элементы наполнителя выполнены в виде дисперсной фазы, электропроводящие резонансные элементы выполнены в виде спиралей и/или меандров, распределены все элементы наполнителя в объеме связующего равномерно, а электропроводящие резонансные элементы дополнительно равномерно распределены и по их длине в интервале L1/2<l<L2/2, где:
l - длина металлического резонансного элемента,
L1 - минимальная длина рабочего диапазона длин волн,
L2 - максимальная длина рабочего диапазона длин волн.
Поглотитель ЭМВ, в котором полимерный материал представляет собой, например, лак ПБИ-1.
2
4
Поглотитель ЭМВ, в котором наполнитель содержит ферритовый материал, например, структурой типа шпинели общей формулой MeFeO.
Поглотитель ЭМВ, в котором наполнитель содержит оксиды редкоземельных элементов из семейства лантаноидов, как легкие, например, самарий и европий, так и тяжелые, например, тербий и диспрозий.
5
11
Поглотитель ЭМВ, в котором сегнетоэлектрики, например, пироэлектрик представляет собой германат-силикат свинца общей формулой Pb(Ge,Si)O.
Раскрытие сущности изобретения
Выполнение диэлектрического слоя - связующего из полимерного материала в силу свойств этих материалов, а именно существование в высокоэластичном состоянии и могущее при определенных условиях, и прежде всего температурных, переходить в два другие состояния, одно из которых - вязкотекучее, обеспечивает:
во-первых, в силу их физического состояния равномерное распределение элементов наполнителя по объему связующего,
во-вторых, возможность введения в данное связующее максимального количества наполнителя, до 20-30% общего объема, что приводит к увеличению коэффициента поглощения,
в-третьих, в силу их инертности возможность введения в данное связующее ионов других элементов Периодической системы, в том числе редкоземельных элементов.
в-четвертых, высокую термостойкость поглотителя ЭМВ при импульсном электромагнитном излучении до 1200°С, при непрерывном - до 450°С.
Ферритовый материал, как известно, имеет высокий уровень магнитных потерь на частотах, близких к частоте ферромагнитного резонанса.
Оксиды редкоземельных элементов обладают свойствами магнитокристаллической анизотропии и большой величиной намагниченности насыщения. Кроме того, как известно, редкоземельные элементы семейства лантаноидов подразделяются на легкие и тяжелые. К легким относятся, например, самарий и европий, к тяжелым, например, тербий и диспрозий. И в силу этого, при взаимодействии магнитные моменты их атомов и молекул имеют различный знак, что в свою очередь приводит к образованию магнитных структур с магнитными подрешетками, в которых указанные магнитные моменты ориентируется друг к другу параллельно.
При этом магнитные моменты у легких редкоземельных элементов ориентируется параллельно и в одну сторону, у тяжелых - параллельно и в противоположную сторону относительно легких, а у их смешанных структур - параллельно и противоположно.
Итак, наличие оксидов редкоземельных элементов в наполнителе приводит к образованию сложных магнитных структур с двумя и более магнитными подрешетками. Сложная магнитная структура предполагает наличие нескольких частот магнитного резонанса, одна из которых может быть значительно, на 1-2 порядка выше первой, что делает принципиально возможным получение высоких значений комплексной магнитной проницаемости, особенно в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.
Кроме того, один из оксидов редкоземельных элементов, оксид европия на сегодня - лучший поглотитель электромагнитных волн инфракрасного диапазона.
Сегнетоэлектрики, как известно, обладают упорядоченной электрической структурой, так же как и ферритовые материалы, имеют высокий уровень магнитных потерь, поглощение в них достигается за счет большой величины электромагнитных потерь на изменение ориентации или величины вектора спонтанной поляризации.
В силу указанных выше электромагнитных свойств сегнетоэлектрики обеспечивают высокий коэффициент поглощения и, соответственно, низкий коэффициент отражения.
При этом следует отметить, что среди сегнетоэлектриков особый интерес с точки зрения поглощающих свойств представляют пироэлектрики - материалы, у которых изменяется поляризация при изменении температуры. Наличие пироэлектрического эффекта создает дополнительную возможность для увеличения магнитных потерь за счет возрастания или снижения поляризации.
Итак, наличие в наполнителе ферритового материала в совокупности с оксидами редкоземельных элементов и сегнетоэлектриками обеспечивает:
во-первых, возможность изменения вышеуказанных свойств этих материалов в сторону увеличения магнитных потерь и, следовательно, обеспечивает повышение коэффициента поглощения и соответственно снижение коэффициента отражения,
во-вторых, расширение рабочего диапазона длин волн, включая субмиллиметровый и инфракрасный.
Металлические резонансные элементы, выполненные в виде спиралей или меандров, то есть открытые резонансные элементы в силу их открытости обладают более высокой способностью рассеивать электромагнитные волны по сравнению с закрытыми резонансными элементами и тем самым обеспечивают повышение коэффициента поглощения.
Выполнение дополнительных материалов наполнителя, а именно ферритового материала, оксидов редкоземельных элементов, и сегнетоэлектриков в виде дисперсной фазы обеспечивает максимально возможное их равномерное распределение в объеме полимерного материала - связующего.
Равномерное распределение в объеме связующего всех элементов наполнителя, а именно металлических резонансных элементов, выполненных в виде спиралей и/или меандров, а также материалов дисперсной фазы - ферритового материала, оксидов редкоземельных элементов, сегнетоэлектриков обеспечивает соответственно и равномерность поглощения падающих на поглотитель электромагнитных волн, исключая возможность проникновения этих волн сквозь поглотитель ЭМВ без поглощения и рассеяния и тем самым снижает коэффициент отражения.
Более того, равномерное распределение в объеме связующего металлических резонансных элементов, что подразумевает также и хаотичную ориентацию плоскости их расположения, обеспечивает хаотичное отражение электромагнитных волн и тем самым их рассеивание в объеме поглотителя и, следовательно, увеличение коэффициента поглощения и соответственно снижение коэффициента отражения.
Более того, равномерное распределение резонансных элементов по их длине в указанном интервале обеспечивает перекрытие широкого диапазона длин волн, включая миллиметровый и субмиллиметровый.
Итак, предложенный поглотитель электромагнитных волн в полной мере обеспечивает поставленный технический результат - существенное расширение рабочего диапазона длин волн, снижение коэффициента отражения и соответственно повышение коэффициента поглощения, упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных характеристик.
Кроме того, имеется возможность изменять коэффициент отражения и соответственно коэффициент поглощения посредством варьирования количества элементов дисперсной фазы и металлических резонансных элементов в единице объема связующего поглотителя ЭМВ.
Работа поглотителя электромагнитных волн
Как видно из выше сказанного, в основе работы предложенного поглотителя ЭМВ лежит:
во-первых, комбинация релаксационных и резонансных процессов, тесно связанных между собой,
во-вторых, широкий спектр различных по форме и протяженности резонансных элементов, позволяющих перекрыть диапазон длин волн вплоть до субмиллиметрового,
в-третьих, равномерное распределение в объеме связующего металлических резонансных элементов подразумевает также и хаотичную ориентацию плоскости их расположения и, следовательно, хаотичное отражение электромагнитных волн и тем самым рассеивание их в объеме поглотителя,
в-четвертых, включение в поглотитель ЭМВ оксида европия позволит осуществить поглощение даже в инфракрасном диапазоне длин волн.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дан общий вид и разрез предложенного поглотителя ЭМВ, где:
- диэлектрический слой - связующее - 1,
- наполнитель - 2, содержащий следующие элементы:
- металлические резонансные элементы в виде спиралей и/или меандров - 3,.
- ферритовый материал - 4,
- оксиды редкоземельных элементов - 5,
- сегнетоэлектрики - 6.
На фиг.2 приведены зависимости коэффициентов поглощения и отражения в полосе частот от 5 до 110 ГГц, кривые 1 и 2 соответственно.
Пример
В качестве примера рассмотрен поглотитель электромагнитных волн, в котором
- диэлектрический слой - связующее 1 выполнен из полимерного материала, например, лака ПБИ-1, основу которого составляет полимер бензимидазола,
- наполнитель 2 содержит:
а) резонансные элементы в виде спиралей и/или меандров 3, выполненные из стальной проволоки диаметром 25 мкм и длиной от 1,5 до 30 мм,
2
4
б) ферритовый материал 4 представляет собой структуру типа шпинели общей формулы MeFeO,
в) оксиды редкоземельных элементов 5, например, легких - самарий и европий, тяжелых - тербий и диспрозий,
5
11
в) сегнетоэлектрики, например, пироэлектрик представляет собой германат - силикат свинца общей формулы Pb(Ge,Si)O.
При этом материалы дисперсной фазы выполнены диаметром не более 0,1 мм.
Изготовление поглотителя ЭМВ включает в себя следующее.
Приготовление композиции материалов поглотителя ЭМВ, содержащей связующее и наполнитель, элементы которого равномерно распределены в объеме связующего, для чего в диэлектрический слой - связующее 1 - полимерный материал, например, лак ПБИ-1 вводят указанные выше элементы наполнителя в следующей последовательности: ферритовый материал, оксиды редкоземельных элементов, сегнетоэлектрики, металлические резонансные элементы.
При этом указанные элементы наполнителя берут в количестве десяти процентов каждый от общего объема связующего.
Далее осуществляют тщательное перемешивание.
Формирование поглотителя ЭМВ, для чего:
- пресс-форму с размерами 100×100×1 мм обрабатывают лаком КО-945 для обеспечения последующего отделения поглотителя от пресс-формы,
- размещение изготовленной выше композиции материалов поглотителя ЭМВ равномерно по пресс-форме,
- проведение последовательно термообработки при температуре 100°С и при температуре 150°С в течение 2 часов соответственно с последующим охлаждением,
- извлечение изготовленного образца поглотителя ЭМВ из пресс-формы.
На изготовленном образце поглотителя ЭМВ были определены коэффициенты отражения и поглощения, для чего образец поглотителя ЭМВ помещали между двумя фланцами волновода перпендикулярно падающей волне, при следующих сечениях волновода:
20×46 мм (диапазон частот 5-12,15 ГГц),
10×23 мм (диапазон частот 12-18 ГГц),
8×16 мм (диапазон частот 26-37,5 ГГц),
3,4×7,2 мм (диапазон частот 50-75 ГГц),
1,7×3,6 мм (диапазон частот 90-110 ГГц).
На панорамных измерителях типа Р2-60, Р2-67, Р2-65, Р2-73, Р2-89 соответственно указанному диапазону частот измеряют коэффициент стоячей волны (КСВН) - W и коэффициент передачи по мощности - Т.
Коэффициенты отражения Г и поглощения К по мощности рассчитывают по формулам соответственно:
2
2
Г=(W-1)/(W+1),
К=1-Т-Г,
где Т - коэффициент передачи по мощности,
W - коэффициент стоячей волны.
Результаты измерений, как указано выше, приведены на фиг.2.
Как видно из фиг.2, коэффициенты поглощения и отражения поглотителя ЭМВ мало изменяются во всем диапазоне частот 5-110 ГТц и составляют в среднем 0,9 и 0,1 соответственно, что говорит о том, что у предложенного поглотителя ЭМВ рабочий диапазон длин волн в 1,5 раза шире, снижен коэффициент отражения и соответственно повышен коэффициента поглощения.
Были проведены также исследования механических и термических свойств изготовленного образца поглотителя ЭМВ, достаточно высокие результаты которых показали возможность использования их в виде внешних покрытий.
Таким образом, предложенный поглотитель электромагнитных волн позволит по сравнению с прототипом,
во-первых, расширить рабочий диапазон длин волн вплоть до субмиллиметрового,
во-вторых, снизить коэффициент отражения вдвое и соответственно повысить коэффициент поглощения,
в-третьих, упростить конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики.
Более того, предложенный поглотитель ЭМВ отличается высокими механическими и термическими свойствами, что, как было указано выше, позволит использовать данный поглотитель ЭМВ и в виде внешних покрытий металлических поверхностей сложной формы.
Следует отметить, что предложенный поглотитель электромагнитных волн может быть успешно использован, в том числе, против современных радиолокационных станций, которые, как было указано выше, отличаются широкополосностью, работают в режимах с быстрой перестройкой частоты и сменой поляризации.
Источники информации
1. Патент РФ №2234775, МПК H01Q 17/00, дата подачи заявки 2003.01.09, опубл. 2004.08.20.
2. Патент РФ №2037931, МПК H01Q 17/00, дата подачи заявки 1992.07.06, опубл. 1995.06.19.
3. Патент РФ №2119216, МПК H01Q 17/00, дата подачи заявки 2003.01.09, опубл. 2004.08.20.