УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ОТРАЖЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области радиотехники и представляет собой многослойное радиопоглощающее покрытие, обеспечивающее снижение уровня отраженного электромагнитного излучения от морских технических объектов в широкой полосе частот.
u
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство немагнитного широкодиапазонного поглотителя радиоволн, ослабляющее отраженное излучение, обеспечивающее поглощение радиоволн по уровню -10 дБ в диапазоне от 8 до 18 ГГц (X и K диапазоны), и предназначенное для использования в качестве радиопоглощающего покрытия в авиа- и морской технике «Radar stealth and mechanical properties of a broadband radar absorbing structure)) C. Wang, M. Chen, H. Lei, K. Yao, H. Li, W. Wen, D. Fang, Composites Part B, Vol.123, pp. 19-27, 2017.
Известное устройство представляет собой пятислойную конструкцию, состоящую из последовательно чередующихся и склеенных между собой слоев диэлектрического материала (три слоя) и частотно-селективных метаповерхностей (два слоя). В качестве диэлектрических слоев используется материал со диэлектрической проницаемостью от 4,6 до 4,8 в диапазоне от 2 до 18 ГГц. Частотно-селективные метаповерхности представляют собой периодический массив резистивных квадратных элементов («патчей»). Каждая частотно-селективная метаповерхность характеризуется различной величиной удельного поверхностного электрического сопротивления и размером «патчей». Отдельные диэлектрические слои в известном устройстве характеризуются различной толщиной.
Существенным недостатком прототипа является высокий входной импеданс структуры, что увеличивает коэффициент отражения и ограничивает ширину полосы рабочих частот устройства.
u
Задачей заявляемого технического решения является снижение коэффициента отражения падающей по нормали к поверхности радиоволны в частотном диапазоне от 8 до 18 ГГц (X и K диапазоны) и расширение полосы рабочих частот устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов состоящем из многослойной конструкции, содержащей склеенные между собой входной наружный слой, две внутренние частотно-селективные метаповерхности - периодических массивов из резистивных квадратных элементов, характеризуемые определенным размером, периодом и удельным поверхностным сопротивлением; два промежуточных слоя из диэлектрического материала, имеется следующее отличие - для обеспечения лучшего согласования поверхностного импеданса структуры со свободным пространством, что приводит к снижению коэффициента отражения радиоволн от входной поверхности конструкции и расширению полосы частот поглощаемого радиоизлучения, входной наружный слой выполнен из магнитного материала. Радиопоглощающие свойства устройства проявляются при креплении устройства на металлическую (высокопроводящую) поверхность защищаемого объекта.
Использование в качестве материала входного слоя магнитного материала со значением магнитной проницаемости более 1 приведет к уменьшению входного импеданса структуры, что обеспечит «мягкий» электродинамический вход радиоволн и, как следствие, снижение коэффициента отражения радиоволн от входной поверхности конструкции и расширение полосы рабочих частот. При этом значение суммарной толщины всей пятислойной конструкции не превышает толщину конструкции, составленной только из диэлектрических слоев.
Устройство для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов представляет собой многослойную конструкцию на основе метаматериалов, состоящую из пяти слоев: входной наружный слой конструкции выполнен из магнитного материала, внутренние поглощающие слои, представляющие собой частотно-селективные метаповерхности, соединены промежуточными слоями, выполненными из диэлектрического материала.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема устройства для снижения отражения радиоволн в широкой частотной полосе где:
1 - входной наружный слой,
2 и 4 - частотно-селективные метаповерхности;
3 и 5 - промежуточные слои;
6 металлическая (высокопроводящая) поверхность.
Первый слой конструкции - входной наружный слой 1 выполнен из магнитного материала, значения магнитной и диэлектрической проницаемости которого меняются в пределах от 1,7 до 1,0 и от 4,6 до 4,8 в диапазоне частот от 3 до 25 ГГц соответственно. Толщина магнитного слоя составляет от 0,3 до 0,6 мм.
Второй слой - частотно-селективная метаповерхность 2, представляющая собой массив резистивных квадратных «патчей» со стороной квадрата а=5 мм и периодом Т=12 мм и удельным поверхностным сопротивлением «патчей» от 500 до 700 Ом.
Третий слой - промежуточный слой 3 толщиной 2 мм -диэлектрический материал с диэлектрической проницаемостью от 4,0 до 5,0 в рассматриваемом частотном диапазоне.
Четвертый слой - частотно-селективная метаповерхность 4, представляющая массив резистивных квадратных «патчей» со стороной квадрата а=10 мм, периодом Т=12 мм и удельным поверхностным сопротивлением от 100 до 150 Ом.
Пятый слой - промежуточный слой 5 толщиной 2 мм -диэлектрический материал с и диэлектрической проницаемостью от 4,0 до 5,0 в рассматриваемом частотном диапазоне.
Вся многослойная конструкция закреплена на металлической (высокопроводящей) поверхности 6.
Дополнительно на вставке фиг. 1 схематично показана топология частотно-селективных метаповерхностей: а - сторона квадрата, Т - период. Стрелкой показано направление падения входной радиоволны.
На фиг. 2 представлена измеренная частотная зависимость коэффициента отражения радиоволны, падающей по нормали к поверхности устройства. Коэффициент отражения представлен в логарифмической шкале - в децибелах (дБ). По оси абсцисс отложена частота падающей радиоволны, выраженная в гигагерцах (ГГц).
u
Устройство для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов работает следующим образом: входная радиоволна падает на входной наружный слой 1, который обеспечивает «мягкий» электродинамический вход, частотно-селективные метаповерхности 2 и 4 обеспечивают резонансное поглощение падающих радиоволн и приводят к снижению коэффициента отражения радиоволн от поверхности устройства в диапазонах сверхвысоких частот X и K, промежуточные слои 3 и 5 обеспечивают интерференционное гашение падающих радиоволн в теле устройства.
u
Таким образом, в устройстве для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов за счет использования магнитного материала со значением магнитной проницаемости более 1 (входной наружный слой) улучшены технические характеристики: уменьшен коэффициент отражения радиоволн в X и K диапазонах, среднее значение коэффициента отражения составляет не более -15 дБ. Расчеты и экспериментальные данные для рабочей полосы частот, полученные для прототипа, дают наилучший результат для образца с толщиной 3,5 мм, при этом полоса частот составляет 8÷20 ГГц; для образца прототипа толщиной 6 мм полоса сужается и составляет 4÷13 ГГц. В устройстве для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов частотный диапазон расширен в низкочастотную и высокочастотную области спектра и составляет полосу от 5 до 22 ГГц при общей толщине конструкции 4,8 мм.