ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
ELECTROMAGNETIC WAVE ABSORBER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к поглотителям электромагнитных волн, и может быть использовано в сверхширокополосных антеннах, работающих в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот.
Поглотители электромагнитных волн предназначены для поглощения электромагнитной энергии в конструкциях сверхширокополосных антенн, уменьшения паразитных отражений от проводящих объектов, расположенных вблизи антенн, обеспечения монотонности формы диаграммы направленности антенны, обеспечения стабильности радиотехнических характеристик антенн наряду с технологичностью их изготовления в серийном производстве.
Для СВЧ-техники широко применяются серийно выпускаемые поглотители электромагнитных волн (ПЭВ) марки ПМ-3,2, ПМ-10, ПМ-24, содержащие карбонильное железо Р-10 (ТУ 2531-002-10492330-2000 «Пластины эластичные магнитодиэлектрические марок ПМ»). Недостатками данных поглотителей являются нестабильность коэффициента отражения и разброс по толщине пластин, поставляемых в готовом виде, например, от 1,83 до 2,03 мм для ПМ-3.2 - фактические данные по анализу готовой продукции, потери материала вследствие механической обработки пластин, а также большая трудоемкость изготовления изделий, имеющих различную кривизну поверхности.
-5
3
Известен композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения (патент РФ №2324989, 2006 г.), состоящий из полимерной основы, в которой распределены частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B или Co-Fe-Ni-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой и размером от 1 до 100 мкм. При этом частицы сплава содержат нанокристаллы соединений α-(Fe, Si) или ε-Co объемной плотностью (0,6÷1,4)·10 1/нм. Целью данного технического решения является повышение магнитной проницаемости µ и, как следствие, увеличение коэффициента экранирования. Техническое решение не содержит сведений об использовании указанного композиционного материала как радиопоглощающего. В статье «Наноматериалы конструкционного и функционального класса» (Рыбин В.В. и др., «Вопросы материаловедения», 2006 г., №1 (45), с.169-178) указано, что перспектива использования нанокристаллических магнитных материалов при создании радиопоглощающих материалов (РПМ), работающих в диапазоне частот свыше 1 МГц определяется тем, что при таких частотах вклад в магнитные свойства ферромагнетиков осуществляется не за счет смещения границ доменов, а за счет вращения векторов намагниченности, так как в кристаллических ферромагнетиках размеры доменов велики, то процесс вращения векторов намагниченности затруднен. Этих недостатков лишены нанокристаллические магнитомягкие сплавы, представляющие собой набор нанокристаллов α-Fe или α-(Fe, Si), находящихся в суперпарамагнитном состоянии и расположенных в остаточной аморфной матрице. Высокочастотные магнитные свойства этих сплавов будут определяться вращением векторов намагниченности нанокристаллов,
Известно радиопоглощающее покрытие для антенн (патент РФ №2369947, H01Q 1/38, 2009 г.) на основе эпоксидного эластомера и карбонильного железа, которое имеет высокую адгезию, прочность, технологичность и приемлемые радиотехнические характеристики. Однако данное техническое решение не используется как радиопоглощающее покрытие для сверхширокополосных антенн.
Целью данного изобретения является разработка поглотителя электромагнитных волн для сверхширокополосных антенн, работоспособного в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот наряду с технологичностью его изготовления.
-5
3
Указанная цель достигается тем, что в поглощающем составе, состоящем из эпоксидно-эластомерного связующего, распределен нанокристаллический порошок, представляющий собой частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой и размером частиц от 1 до 50 мкм с содержанием в частицах сплава нанокристаллов соединений α-(Fe, Si) объемной плотностью (2,8÷2,9)·10 1/нм в следующем соотношении в масс.ч.:
эпоксидный эластомер
100
отвердитель
8
нанокристаллический порошок
300-600
На фиг.1 изображена частотная зависимость коэффициента отражения поглотителя толщиной 0,02 λ с различным содержанием массовых частей нанокристаллического порошка и поглотителя из радиопоглощающего материала марки ПМ-24.
На фиг.2 изображена частотная зависимость коэффициента отражения поглотителя толщиной 0,12 λ с различным содержанием массовых частей нанокристаллического порошка и поглотителя из радиопоглощающего материала марки ПМ-3,2.
Выбор полимерной матрицы определяется эксплуатационными и технологическими характеристиками.
Изменение процентного содержания нанокристаллического порошка, в разработанном поглощающем составе толщиной, например, 0,12÷0,02 λ, где λ - длина волны для диапазона, в котором работает конкретный поглотитель, позволило получить требуемое поглощение в расширенных участках рабочего диапазона частот.
Сравнительные характеристики физико-механических свойств исследованных радиопоглощающих материалов приведены в таблице.
Показатели
ПМ-3,2
Радиопоглощающее покрытие для антенн
Поглотитель ЭМВ с нанокристаллическим порошком
Номинальный удельный вес, гр./см<sup>3</sup>
2,84
2,72
2,98-3,49
Номинальная толщина, мм
1,83
1…2
2…6
Прочность при разрыве, кгс/см<sup>2</sup>, не менее
35
200
200
Магнитная проницаемость
1.23
1,15
0,65-4
Диэлектрическая проницаемость
10,21
11,07
12,5…21
Для проверки радиотехнических характеристик были изготовлены поглощающий состав 1 и поглощающий состав 2 со следующим соотношением компонентов, масс.ч.:
Состав 1
Состав 2
эпоксидный эластомер
100
100
отвердитель
8
8
нанокристаллический порошок
300
60
Далее изготовлены образцы поглотителей толщиной соответственно 0,12 λ, и 0,02 λ и проверены их радиотехнические характеристики.
На графиках фиг.1 и фиг.2 представлены зависимости коэффициента отражения R (дБ) от частоты f (ГГц) поглотителей с различным содержанием нанокристаллического порошка и поглотителей из радиопоглощающих материалов ПМ-24 и ПМ-3,2 в нижнем и верхнем участках рабочего диапазона частот сверхширокополосной антенны.
Из графиков на фиг.1 видно, что увеличение масс.ч. нанокристаллического порошка в составе образцов поглотителя толщиной, например 0,02 λ смещает минимум коэффициента отражения в область более низких частот. Использование поглотителя на основе нанокристаллического порошка с содержанием 600 масс.ч. в составе сверхширокополосной антенны позволило расширить ее рабочий диапазон частот в сторону более низких частот на 30% по сравнению с известным поглотителем из радиопоглощающего материала ПМ-24, использовавшимся в антенне ранее.
Из графиков, представленных на фиг.2, видно, что образец поглотителя толщиной, например 0,12 λ с содержанием нанокристаллического порошка 300 масс.ч. имеет минимальный коэффициент отражения на частоте 12,2 ГГц в отличие от образцов из радиопоглощающего материала ПМ-3,2 (А и Б), имеющих минимальный коэффициент отражения в диапазоне частот 8,5-10,7 ГГц. Смещение минимума коэффициента отражения в область более высоких частот позволило обеспечить монотонность формы диаграммы направленности сверхширокополосной антенны на частотах 11÷12 ГГц, имевшей на указанных частотах при использовании радиопоглощающего материала ПМ-3,2 провалы в диаграммах направленности.
Таким образом, при использовании поглотителей, в состав которых введен нанокристаллический порошок, в отличие от известных РПМ выявлена возможность обеспечения монотонности формы диаграммы направленности и расширения рабочего диапазона частот сверхширокополосной антенны в область более высоких и более низких частот за счет применения определенного содержания масс.ч. нанокристаллического порошка при выбранной толщине поглотителей.
Поглощающий состав изготовлен следующим образом: в эпоксидно-эластомерное связующее вводится нанокристаллический порошок, предварительно высушенный при температуре 120±10°С в течение 1-2 часов в сушильном шкафу, после чего смесь тщательно перемешивается. Полученную смесь наносят непосредственно на изделие, затем помещают в специальные формы, обеспечивающие требуемую толщину поглотителя, форма закрывается и выдерживается при нормальной температуре 25±10°С в течение 24 часов.
После извлечения из формы изделия с поглотителем до испытаний выдерживаются в нормальных условиях не менее 24 часов. При необходимости поглотитель может подвергаться механической обработке.
Далее были проведены следующие испытания антенн с поглотителем, содержащим нанокристаллический порошок:
- проверка радиотехнических характеристик антенн в нормальных условиях на соответствие техническим требованиям;
- испытание на воздействие циклического изменения температур при температуре -60°С - 2 ч, +85°С - 2 ч, всего 10 циклов;
- испытание на устойчивость при воздействии случайной вибрации на диапазоне частот 5 - 2000 Гц со средним значением суммарного ускорения 12,5 g;
- испытание на вибропрочность и виброустойчивость в диапазоне частот 5 - 2000 Гц с продолжительностью испытаний по 3 мин (вибропрочность) и по 9 ч (виброустойчивость) по осям x, y, z;
- испытание на воздействие повышенной влажности 96-100% при температуре +35-55°С в течение 10 суток;
- испытание на воздействие повышенной температуры +85°С - 2 ч, +120°С - 3 мин;
- испытание на воздействие пониженной температуры -60°С - 2 ч.
После каждого вида испытаний производилась проверка радиотехнических характеристик антенн. Результаты испытаний положительные.
Таким образом, решена поставленная задача получения поглотителей электромагнитных волн для сверхширокополосных антенн, работающих в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот.
-5
3
Использование поглотителя электромагнитных волн, изготовленного в виде композиционного материала с нанокристаллическим порошком, представляющим собой частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой и размером от 1 до 50 мкм с содержанием в частицах сплава нанокристаллов соединений α-(Fe, Si) объемной плотностью (2,8÷2,9)·101/нм на основе эпоксидно-эластомерного связующего, в антеннах позволило:
- расширить рабочий диапазон частот сверхширокополосных антенн до 30% в области УВЧ;
- обеспечить монотонность формы диаграмм направленности антенн в области СВЧ и КВЧ;
- обеспечить стабильность радиотехнических характеристик антенн;
- улучшить технологичность изготовления поглотителей в антеннах за счет применения прогрессивного метода заливки в форме.