Радиопоглощающее устройство
Заявляемая полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к слоистому радиопоглощающему покрытию (РПП) и может быть применено в объектах для решения задач электромагнитной совместимости, защиты биологических объектов, снижения радиолокационной заметности объектов морской, авиационной, наземной, авиакосмической техники, а также защиты компьютеров и информации от несанкционированного доступа.
Устройство включает в себя пакет слоев, в котором, по крайней мере, один из слоев выполнен в виде нанесенной на тканевую положку пленки гидрогенезированного углерода с атомами металла, на месте, по крайней мере, одного из других слоев установлена сетка из диэлектрического материала, с нанесенной на нее пленкой из гидрогенезированного углерода с атомами металла, причем, в зависимости от места расположения сетки в общем пакете, концентрация металла в пленке гидрогенезированного углерода может меняться от 1% до 100%.
Технический результат заключается в значительном снижении модуля коэффициента отражения электромагнитных волн в широком диапазоне частот, уменьшении веса и снижения себестоимости радиопоглощающего покрытия.
Заявляемая полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к слоистому радиопоглощающему покрытию (РПП) и может быть применена в объектах для решения задач электромагнитной совместимости, защиты биологических объектов, снижения радиолокационной заметности объектов морской, авиационной, наземной, авиакосмической техники, а также защиты компьютеров и информации от несанкционированного доступа.
Основными требованиями, предъявляемыми к радиопоглощающим покрытиям (РПП), являются: малые значения модуля коэффициента отражения (МКО) в широкой полосе частот, технологичность при изготовлении и стойкость к внешним воздействующим факторам. Кроме того, в зависимости от специфики применения, РПП должно быть легко совместимо с формой защищаемого объекта.
Известен патент РФ 2309495, где описывается поглотитель электромагнитной волны, применяемый в авиакосмической технике, конструкция которого позволяет применять его на различного рода поверхностях в качестве опорного элемента. Поглотитель электромагнитного излучения содержит сотовую структуру, выполненную в виде пакета из полых призм с использованием не отражающего радиоизлучение материала, с немагнитным покрытием на стенках, имеющих расположенные в параллельных плоскостях верхние и нижние торцы.
Основными недостатками предлагаемого изобретения является громоздкость конструкции.
Известен патент США 6.441.771 «Магнитодиэлектрический тонкопленочный поглотитель в широкой полосе частот». Поглотитель состоит из слоев тонких магнитных элементов, находящихся в диэлектрической среде. Каждый слой включает множество элементов, расположенных в соответствии с порядком ориентации длинных осей каждого элемента и параллельных один другому. Каждый соседний слой или соседние группы слоев имеют элементы, длинные оси которых ориентированы под углом 90°.
Устройство сложно и нетехнологично в изготовлении, требует для достижения большой величины поглощения, точной ориентации в слоях и выдерживания высокой точности в размерах.
Известен патент на изобретение РФ 2363714 «Электромагнитное поглощающее покрытие». Изобретение относится к слоистому РПП. Каждый слой покрытия содержит основу, состоящую из арамидной ткани с нанесенной на нее поглощающей пленкой. На каждую основу нанесены пленки разных видов. Один вид выполнен из напыленного феррита с вкрапленными в него наноразмерными частицами Ni и Со, а второй выполнен из напыленного гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него наноразмерными кластерами Ni и Со. Пленки напылены с двух сторон. В конструкции слои чередуются таким образом, чтобы концентрация магнитных кластеров в пленках соседних слоев была разной.
Недостатком конструкции электромагнитного поглощающего покрытия по патенту РФ 2363714 является ограниченная возможность получения малых значений МКО в широком частотном диапазоне.
Патент РФ 2363714 наиболее близко подходит к предлагаемой полезной модели поглощающего электромагнитные волны устройства и выбран нами за прототип.
Целью заявляемой полезной модели является уменьшение модуля коэффициента отражения электромагнитных волн, расширение частотного диапазона работы устройства, снижения себестоимости и веса без увеличения его общей толщины.
Поставленная цель достигается тем, что в радиопоглощающем устройстве, состоящем из пакета слоев, в котором, по крайней мере, один из слоев выполнен в виде нанесенной на тканевую положку пленки гидрогенезированного углерода с атомами металла, на месте, по крайней мере, одного из других слоев установлена сетка из диэлектрического материала, с нанесенной на нее пленкой из гидрогенезированного углерода с атомами металла, причем, в зависимости от места расположения сетки в общем пакете, концентрация металла в пленке гидрогенезированного углерода может меняться от 1% до 100%.
Пленки гидрогенезированного углерода с атомами металла могут быть нанесены на тканевую подложку методом ионно-плазменного напыления, а металл выбран из группы магнитных металлов, например, Ni, Co, Fe.
Некоторые слои могут быть выполнены из диэлектрических нерадиопоглощающих материалов и служить для разделения радиопоглощающих слоев.
Большая часть слоев, в том числе и нерадиопоглощающих, может быть выполнена в виде сеток.
Ближний к защищаемой поверхности слой может полностью отражать электромагнитные волны, например, быть выполнен из металлической фольги.
Слои между собой могут быть механически скреплены, например, клеевым составом.
При проведенном заявителем анализе уровня техники, включающем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации с выявлением источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, устройств аналогичного назначения с перечнем существенных признаков, что и у заявляемого устройства, обнаружено не было. Это дает основания утверждать о соответствии предлагаемого устройства критерию патентоспособности «новизна» для полезной модели.
Предлагаемую полезную модель иллюстрирует четыре фигуры. На фиг.1 изображен общий вид многослойного радиопоглощающего покрытия (РПП), где
1 - пленочные слои гидрогенезированного углерода с атомами металлов;
2 - тканевые подложки;
3 - сетка из диэлектрического материала, с напыленной на нее пленкой гидрогенезированного углерода атомами металлов;
4 - экранирующая металлическая фольга.
На фиг.2 представлена блок схема измерительной установки, где:
1 - векторный анализатор цепей;
2 - излучающая антенна;
3 - измеряемый образец или эталонная мера МКО в виде плоской металлической пластины;
4 - приемная антенна;
5 - радиопоглощающий блок.
На фиг.3 представлены частотные зависимости МКО РПП из примера 1.
1 - измерения с помощью антенн П6-23М.
2 - измерения с помощью антенн П6-63.
3 - измерения с помощью антенн П6-64.
На фиг.4 представлены частотные зависимости МКО РПП из примера 2.
1 - измерения с помощью антенн П6-23М.
2 - измерения с помощью антенн П6-63.
3 - измерения с помощью антенн П6-64.
Радиопоглощающее покрытие работает следующим образом. Из экспериментальных исследований нами установлено [МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ измерений комплексных значений диэлектрической и магнитной проницаемости радиопоглощающих материалов в области частот 1,0-40,0 ГГц. КЖГП. 410100.00], что пленки гидрогенизированного углерода с атомами металла (в частности Ni и Со) могут иметь комплексную диэлектрическую проницаемость с величинами действительной части от 100 до 10000. Это приводит к условиям, при которых многослойная структура РПП над поверхностью металла, становиться плоским волноводом для бесконечного спектра Нn и En типов волн с нулевой граничной частотой для Н0 волн [Справочник по расчету и конструированию полосковых устройств. Под ред. Вольмана В.И. Москва, "Радио и связь", 1982, с.32].
Падающая на один из слоев структуры РПП электромагнитная волна (на фиг.1-1) частично поглощается в пленке аморфного гидрогенизированного углерода с атомами металла, частично отражается и частично проходит в следующий слой (на фиг.1-2), выполненный в виде напыленной на диэлектрическую сетку пленки из гидрогенезированного углерода с атомами металла. Этот сетчатый слой, также являясь полупрозрачным, частично отражает, частично поглощает и частично пропускает падающую волну. При этом имеют место дополнительные механизмы поглощения:
- на ячейках сетки происходит частичная дифракция электромагнитной волны с увеличением среднего пути падающей волны в пакете РПП, что приводит к рассеиванию энергии волны в пакете РПП с последующим поглощением;
- СВЧ токи, наведенные падающей волной в перемычках сетки, преобразуют энергию падающей волны в энергию волн слоистого магнитодиэлектрического плоского волновода образованного многослойной структурой РПП над защищаемой поверхностью металла, которые потом затухают в радиопоглощающих слоях;
- при сильной металлизации сетки и удаленном экране (по сравнению с длинной волны) каждый из ее узлов становиться приемно-передающей антенной, связывающей падающую волну с поверхностными волнами, которые распространяются с затуханием по проводящим перемычкам сетки [И.Е.Ефимов, Г.А.Шармина "Волноводные линии передачи", Москва, изд. "Связь ", 1979 г., с.156.].
Значение концентрации металла в пленке гидрогенезированного углерода на сетке может меняться от 1% до 100%. Так, для сетчатого слоя вблизи защищаемой поверхности металлизация может быть 100%, при этом, отраженную от сетки волну необходимо будет в противофазе сложить с отраженными от других слоев конструкции волнами. Такая сетка будет эффективно рассеивать падающую электромагнитную волну внутри конструкции. При удаленном расположении сетки от защищаемой поверхности рекомендуемая концентрация металла в пленке может составлять 1%, при этом, сетка с такой пленкой будет исполнять роль согласующего со свободным пространством и рассеивающего внутрь радиопоглощающего пакета слабо поглощающего слоя.
Таким образом, установка в конструкцию устройства сетки позволяет включить дополнительные механизмы рассеивания и поглощения и тем самым значительно улучшить радиопоглощающие свойства устройства. Использование сеток также позволяет снизить себестоимость устройства, так как за один технологический процесс можно одновременно напылять пакет из нескольких сеток. Получающееся различие при этом в толщине напыляемых пленок в пакете не является препятствием для использования всех сеток в устройстве, так как учитывается соответствующим размещением сеток от защищаемой поверхности. Слои с меньшей толщиной пленок и (или) меньшей концентрацией металла для наилучшего согласования устройства с свободным пространством могут располагаться в дальних, а сетки с более толстыми и (или) более металлизированными пленками в ближних слоях от защищаемой поверхности. Точный расчет оптимального места расположения для каждого из слоев проводится с помощью компьютерного моделирования по известным величинам комплексных диэлектрических и магнитных проницаемостей радиопоглощающих слоев [М.Борн, Э.Вольф «Основы оптики», изд. «Наука», Москва, 1973 г., с.66-81]. Вес РПП может быть снижен за счет выполнения большей части слоев из сеток.
Для измерений МКО образцов РПП использовались схема на фиг.2 с разнесенными излучающим и приемным СВЧ каналами. Метод измерения коэффициента отражения электромагнитной волны от плоского образца РПП основан на сравнении уровней сигналов на выходе приемной антенны, отраженных от исследуемого образца и меры (плоской металлической пластины с МКО0=1), при облучении их квазиплоской электромагнитной волной. Сигнал с первого порта векторного анализатора ZVA40 фирмы Rohde&Schwarz - 1 поступает на вход передающей антенны - 2, которая излучает электромагнитные волны на исследуемый образец (или меру) - 3. Отраженные от исследуемого образца - 3 электромагнитные волны принимаются антенной 4 и поступают на второй порт векторного анализатора 1. Для уменьшения фонового отражения электромагнитных волн от стен помещения, за образцом (или мерой) - 3 установлен радиопоглощающий блок - 5. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения MKO(F) находиться по результатам измеренных частотных зависимостей коэффициентов передачи по напряжению из порта 1 в порт 2 анализатора 
210 (F) - для меры и 
21РПП (F) - исследуемого образца РПП по формуле:
Пленки гидрогенизированного углерода с атомами никеля наносились на подложки магнетронным распылением в промышленной вакуумной установке при одновременном использовании двух магнетронов с графитовой и никелевой мишенями. Напыление производилось в среде аргона с водородом при концентрации 80% к 20% соответственно и давлении 0.5 Па. Слои в образцах РПП скреплялись клеящим составом на основе латекса.
Пример 1. Радиопоглощающее покрытие содержащее 6 радиопоглощающих, 5 разделительных и один экранирующий слои (первый к защищаемой поверхности). Второй по счету от защищаемой поверхности радиопоглощающий слой выполнен на сетчатой подложке из стекловолокна с размером ячейки 5×5 мм, толщиной перемычек - 0.2 мм, а остальные радиопоглощающие слои выполнены на тканом полотне из арамидной ткани толщиной 0.2 мм. Размеры и состав радиопоглощающих пленок перечисленных в порядке размещения от защищаемой поверхности имели средние толщины 1 мкм, 0.5 мкм, 1.5 мкм, 2 мкм, 2 мкм, 2 мкм, и процентное содержание никеля 85%, 80%, 30%, 30%, 10%, 1% соответственно. Результаты измерений МКО радиопоглощающего покрытия приведены на фиг.3.
Пример 2. Радиопоглощающее покрытие содержащее 7 радиопоглощающих, 3 разделительных и один экранирующий слои (первый из всех слоев к защищаемой поверхности). Из которых второй и третий по счету от защищаемой поверхности радиопоглощающие слои выполнен на стекло сетчатой подложке размером ячейки 5×5 мм, толщиной волокна - 0.2 мм, а четвертый на сетчатой подложке из стекловолокна с размером ячейки 10×12 мм, толщиной волокна - 0.4 мм. Остальные радиопоглощающие слои на выполнены на полотне из арамидной ткани толщиной 0.2 мм. Размеры и состав радиопоглощающих пленок перечисленных в порядке размещения от защищаемой поверхности имели средние толщины 1 мкм, 0.5 мкм, 0.5 мкм, 0.5 мкм, 1.5 мкм, 2 мкм, 2 мкм, 2 мкм, и процентное содержание никеля 70%, 80%, 80%, 100%, 5%, 5%, 1% соответственно. Результаты измерений МКО радиопоглощающего покрытия приведены на фиг.4.
Технический результат заключается в значительном снижении МКО в широком диапазоне частот, уменьшении веса и снижения себестоимости радиопоглощающего покрытия. радипоглощающими пленками в примере 2, уменьшило величину МКО по сравнению с первым примером в среднем на 10 дБ. Это объясняется большим включением дополнительных механизмов поглощения падающих электромагнитных волн, как то:
- за счет частичной дифракции электромагнитной волны на ячейках сетки с увеличением среднего пути падающей волны в пакете РПП;
- за счет СВЧ токов, наведенных падающей волной в перемычках сетки, с последующим преобразованием энергии падающей волны в энергию волн слоистого магнитодиэлектрического плоского волновода;
- за счет возбуждения поверхностных волн на узлах металлизированной сетки.
Технический результат заключается в значительном снижении МКО в широком диапазоне частот, уменьшении веса и снижения себестоимости радиопоглощающего покрытия.
1. Радиопоглощающее устройство, состоящее из пакета слоев, в котором, по крайней, мере один из слоев выполнен в виде нанесенной на тканевую положку пленки гидрогенезированного углерода с атомами металла, отличающееся тем, что на месте, по крайней мере, одного из других слоев установлена сетка из диэлектрического материала с нанесенной на нее пленкой из гидрогенезированного углерода с атомами металла, причем в зависимости от места расположения сетки в общем пакете концентрация металла в пленке гидрогенезированного углерода может меняться от 1 до 100%.
2. Радиопоглощающее устройство по п.1, отличающееся тем, что пленки гидрогенезированного углерода с атомами металла нанесены на тканевую подложку методом ионно-плазменного напыления, а металл выбран из группы магнитных металлов, например Ni, Co, Fe.
3. Радиопоглощающее устройство по п.1, отличающееся тем, что некоторые слои могут быть выполнены из диэлектрических нерадиопоглощающих материалов и служить для разделения радиопоглощающих слоев.
4. Радиопоглощающее устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что большая часть слоев, в том числе и нерадиопоглощающих, может быть выполнена в виде сеток.
5. Радиопоглощающее устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что ближний к защищаемой поверхности слой может быть выполнен из металлической фольги, полностью отражающей электромагнитные волны.
6. Радиопоглощающее устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что слои между собой механически скреплены, например клеевым составом.
