РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ

Заявляемая полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к устройствам для поглощения электромагнитных (э.м.) волн сверхвысокочастотного диапазона и может быть применено для поглощения электромагнитных волн отраженных от металлических элементов конструкций кораблей, авиакосмической техники и других объектов.
Общими требованиями к таким поглотителям, в дальнейшем радиопоглощающим покрытиям (РПП), являются обеспечение высокого уровня ослабления отраженного сигнала, широкий частотный диапазон его работы и простота конструкции.
На практике, как правило, защищаемый объект, имеет системы, которые должны работать на определенных частотах, и одновременно должны быть защищены во всем остальном диапазоне частот. К таким системам относятся, в частности радиолокационные системы объекта. При этом возникает задача выделения в широком спектре поглощения отдельных участков (окон прозрачности), где бы такое поглощение было минимальным и обеспечивало работу радиолокационных систем.
Известен поглотитель электромагнитных волн, патент (2309495, 2005 Россия), содержащий сотовую структуру, выполненную в виде пакета из малых призм из материала не отражающего радиоизлучение с электропроводным немагнитным покрытием на стенках, при этом верхние и нижние торцы призм расположены в параллельных плоскостях. Поглотитель может применяться на плоских и криволинейных плоскостях.
Недостатком данного поглотителя, использующегося в основном для коррекции искажений диаграмм направленности антенн является сложность объемной конструкции и обусловленная этим подгонка характеристик элементов поглотителя под каждое изделие (антенны) как по частоте, так и по уровню поглощения.
Известна тонкопленочная магнитодиэлектрическая структура (патент 6.441.771, 2002 США) для широкополосного поглощения электромагнитных волн. Структура представляет собою тонкие магнитные слои расположенные в диэлектрической матрице. Слои имеют высокие значения диэлектрических и магнитных проницаемостей, а сами элементы имеют строго определенные геометрические размеры и расположение относительно друг друга. Поглощающая структура является тонкопленочной и устраняет недостатки объемного поглотителя рассмотренного выше. Недостатком первых двух рассмотренных РПП для решения поставленной задачи является невозможность выделения частотно-селективного участка по ослаблению отраженной электромагнитной
волны, вследствие фиксированного состава и структуры элементов, образующих радиопоглощающий материал.
Наиболее близким аналогом, который выбран в качестве прототипа, является конструкция РПП, представленная в описании изобретения по заявке №2007.134877/04 от 19.09.2007 г. Эта конструкция является многослойной структурой, содержащей в матрице гидрогенизированного углерода магнитные наночастицы 3d металлов (Со и Ni). В данной конструкции эффект максимального поглощения достигается путем создания многослойной конструкции из однотипных по составу слоев и не имеет частотно-селективной избирательности.
Целью заявляемой полезной модели является создание РПП с регулируемой величиной уровня радиопоглощаемой мощности в зависимости от частотного диапазона его работы. Регулирование осуществляется на стадии выбора материала, структуры многослойного радиопоглощающего покрытия и технологического процесса при его изготовлении. Эта цель достигается созданием слоистой тонкопленочной структуры, каждый слой которой является гидрогенезированной пленкой углерода с магнитными кластерами из наночастиц 3d металлов.
Материал каждого слоя выбирают из условия величины входного импеданса слоя, нагруженного на импеданс нагрузки (либо последующего слоя, либо металлической поверхности), импеданс в свою очередь определяется материалом пленки, толщиной пленки и количеством слоев в РПП. При этом совокупный эффект ослабления отраженной мощности определяется характеристиками материала и фазовыми компенсациями при взаимодействии прямых и отраженных от поверхности слоев в РПП э.м. волн. Фазовая компенсация волн, зависящая от выбранных параметров материала дает эффект ослабления э.м. волн на заранее заданной частоте.
in
Основные соотношения, иллюстрирующие условия управления ослаблением отраженных волн в РПП даются следующими выражениями. Входной импеданс L
Где d - толщина пленки,
μ*,ε* - соответственно комплексные магнитные и диэлектрические проницаемости,
с - скорость света в вакууме,
f - частота э.м. волны.
Коэффициент отражения от РПП, при наличии на обратной стороне металлической проводящей поверхности и прямом облучении РПП плоской волной Г равен
*
*
*
*
Таким образом, выбирая материал с определенными μ и ε мы можем определить частотные области, в которых ослабление отраженной э.м. волны имеет определенные значения. Выбранный материал - гидрогенезированный углерод (в качестве матрицы) с магнитными наночастицами 3d металлов - позволяет изменять, вследствие физических свойств магнитных кластеров с наночастицами, параметры μ и ε, варьируя процентный состав 3d металлов. В нашем случае это Со и Ni. Дальнейшее конструирование РПП включает стадию определения числа слоев, необходимое для получения заданного отражения и расположения этих слоев таким образом, чтобы получить «окно прозрачности» в заданном частотном диапазоне.
Предполагаемую полезную модель иллюстрируют
*
Фиг.1 - зависимость ε от процентного содержания магнитных наночастиц
Фиг.2 - конструкция РПП
Фиг.3 - экспериментальные амплитудно-частотные характеристики ослабления отраженной э.м. волны с «окнами прозрачности»
*
*
4
*
Фиг.1 иллюстрирует электрическую ε проницаемость выбранного нами материала в зависимости от процентного содержания Со. Электрическая проницаемость достигает значений ε=10, а магнитная проницаемость μ=10-15 при концентрации Со 60 ат.%.
Фиг.2 иллюстрирует вид одного слоя радиопоглощающего покрытия в поперечном сечении. 1 - поперечное сечение, 2 - арамидная ткань, 3 - гидрогенизированный углерод, 4 - магнитные наночастицы.
Фиг.3 иллюстрирует АЧХ конструкции из слоев, пример которого изображен на фиг.2. Конструкция имеет параметры: количество слоев - 12, концентрация 3d металла Ni в слоях 1, 3, 5, 7, 9, 11-62 ат.%, концентрация 3d металла Ni в слоях 2, 4, 6, 8, 10, 12-35 ат.%.
РПП э.м. волн работает следующим образом (фиг.2). Плоская э.м. волна падает на поверхность РПП. Первый слой частично отражает э.м. волну и частично поглощает в соответствии с параметром материала. Э.м. волна, прошедшая первый слой, падает на второй слой, который имеет характеристики материала, отличающиеся от первого слоя и
также частично отражает и частично поглощает э.м. волну. Аналогичная картина происходит и со всеми последующими слоями.
Все падающие и отраженные волны складываются между собой за счет фазового набега.
Каждый слой в слоистой структуре РПП имеет свой весовой коэффициент по отражению, создавая частотную зависимость ослабления отраженного сигнала, аналогичную трансверсальному фильтру (фиг.3)
Пример определения частоты «окна прозрачности» для конструкции, состоящей из 12 слоев тонких пленок по 2 мкм толщиной
- состав пленок гидрогенизированный углерод с наночастицами кобальта
*
*
*
*
4
- параметры μ и ε в соответствии с составом μ=10, ε=10
Максимальное ослабление отраженной э.м волны будет выполняться при условии, если на электрической длине РПП будет укладываться нечетное число четвертей волн, а минимальное - при четном числе четвертей волн.
д/4
На частоте f=15 ГГц λ=15 мкм
д/4
На частоте f=10 ГГц λ=22 мкм
При толщине РПП d=24 мкм на частоте f=15 ГГц будет укладываться около двух четвертей волны - малое ослабление, на f=10 ГГц приблизительно одна четверть волны
- большое ослабление, фиг.3 иллюстрирует это качественно.
Технический результат при осуществлении предлагаемой полезной модели заключается в создании слоистой тонкопленочной конструкции так что каждый из слоев имеет такой коэффициент отражения и прохождения э.м. волны что в совокупности за счет фазовой компенсации ее возникает эффект частотно-избирательного ослабления отраженной мощности. Регулировка частотно-избирательного ослабления волны достигается путем выбора пленочных слоев по магнитным и электрическим параметрам, которые зависят от концентрации магнитных наночастиц в материале.
Полезная модель создана в рамках Государственного контракта от 19 августа 2008 г. №02.513.11.3390, шифр "2008-3-1.3-07-14-024".