Радиопоглощающее покрытие

Радиопоглощающее покрытие (РПП) относится к области радиотехники, в частности, к устройствам для уменьшения отраженных электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона от объектов наземного, воздушного, космического и морского базирования, имеющих металлические отражательные поверхности. Предлагаемое РПП обеспечивает быстрое управление уровнем поглощения защитных устройств. Такая ситуация возникает при обзоре радиообстановки в сфере действия объекта, когда требуется в определенные промежутки времени обеспечить функционирование собственных радиотехнических средств в диапазоне частот работы РПП. При этом РПП должно иметь низкий уровень поглощения. С этой целью в РПП, содержащем слои из поглощающего материала, размещают, по крайней мере, один слой из сегнетоэлектрика с целью обеспечения регулирования уровня величины поглощения электромагнитных волн. К противоположным сторонам сегнетоэлектрического слоя через металлические контакты подсоединяют внешний источник напряжения. Изменяя напряжение источника регулируют уровень поглощения радиопоглощающего покрытия. Для увеличения диапазона регулирования уровня поглощения и расширения частотного диапазона электромагнитных волн в радиопоглощающем покрытии размещают дополнительные слои из сегнетоэлектрика, которые чередуются со слоями радиопоглощающего материала, а сами слои сегнетоэлектрика подсоединяют параллельно к источнику напряжения.

Заявляемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к устройствам для ослабления отраженных электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона от объектов наземного, воздушного и морского базирования, имеющих металлические отражательные поверхности.

Общими требованиями к радиопоглощающим покрытиям (РПП) являются: высокий уровень ослабления отраженного сигнала, широкий частотный диапазон работы и экономичность конструкции при ее изготовлении и эксплуатации.

При выполнении определенных тактических задач часто возникает необходимость быстрого управления уровнем поглощения защитных устройств. Такая ситуация возникает, например, при обзоре радиообстановки в сфере действия объекта, когда должно быть обеспечено функционирование этих средств в частотном диапазоне работы РПП. При этом РПП должно на короткое время иметь низкий уровень поглощения.

Известно радиопоглощающее покрытие с управляемыми свойствами (патент РФ на изобретение 2155420). Радиопоглощающее покрытие выполнено в виде слоев радиопоглощающего материала, первый из которых нанесен на отражающую электромагнитную поверхность, а остальные нанесены последовательно один на другой, при этом количество слоев радиопоглощающего материала определяется требуемой величиной коэффициента поглощения покрытия. Способ получения радиопоглощающего покрытия и управление его свойствами включает нанесение на металлическую подложку первых трех-четырех слоев с определенным соотношением ингредиентов, измерение величины поглощения полученного покрытия, сравнение его с расчетной величиной для данного количества слоев. Если величина измеренного коэффициента поглощения превышает расчетную, то удаляют часть верхнего слоя, а если меньше расчетной, то добавляют слой.

Недостатком этого РПП является то, что регулировка величины поглощения происходит на стадии создания радиопоглощающего покрытия, и поэтому оно не может быть использовано для оперативного управления величиной коэффициента поглощения.

Известно также изобретение по патенту РФ 1510647 «Безэховая камера». С целью расширения полосы рабочих частот стенки безэховой камеры выполнены из прилегающих друг к другу граней трехгранных призм радиопоглощающего материала, каждая из которых установлена с возможностью перпендикулярного относительно стенки перемещения и последующего вращения относительно своей продольной оси. Радиопоглощающим материалом облицованы грани трехгранных призм. Механическое вращение призм позволяет изменять радиопоглощающие свойства безэховой камеры в каждом из трех частотных диапазонов. Конструкция аналога приведена на фиг.1 и фиг.2. Недостатком данного аналога является громоздкость конструкции, сложность в управлении и, как следствие, невозможность оперативного управления величиной поглощения электромагнитной волны.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является радиопоглощающее покрытие (полезная модель 84161) с регулируемой величиной уровня радиопоглощающей мощности в зависимости от частотного диапазона его работы - создание так называемых «окон прозрачности». Радиопоглощающее покрытие обеспечивает регулирование величины отраженного сигнала на заданной частоте путем частотно-селективного изменения уровня поглощения отраженного сигнала. Создание управляемой области частотной характеристики определяется выбором поглощающего материала и конструкцией слоистой структуры так, что каждый из слоев имеет свой коэффициент отражения и в совокупности с фазовой компенсацией на определенной фиксированной частоте дает такой коэффициент поглощения, который обеспечивает работу собственных радиолокационных систем на этой частоте.

В то же время на других частотах радиопоглощающее покрытие обеспечивает высокий уровень поглощения. Так как регулировка поглощения осуществляется на стадии выбора материала и подбора структуры радиопоглощающего покрытия, то радиопоглощающее покрытие не может быть использовано для оперативного управления уровнем радиопоглощения.

Целью заявляемой полезной модели является создание радиопоглощающего покрытия с управляемой величиной поглощения электромагнитных волн. Управление осуществляется с помощью внешнего источника напряжения, а управляющим элементом является дополнительно вводимый в поглощающую структуру хотя бы один слой из сегнетоэлектрической пленки, например, состава Ba_xSr_1-xTiO ₃ (БСТ). На БСТ располагаются контакты для подключения управляющего напряжения, а сами контакты являются радиопрозрачными.

Предложенную модель иллюстрируют:

Фиг.3, на которой изображена конструкция полезной модели предлагаемого поглощающего покрытия с электрически управляемой величиной уровня поглощения и фиг.4, которая показывает а) зависимость диэлектрической проницаемости БСТ от напряжения и б) зависимость коэффициента управления n от напряжения U.

В предлагаемом устройстве (фиг.3) изображены:

1 - металлическая поверхность, выполняющая роль одного из электродов сегнетоэлектрической пленки БСТ;

2 - сегнетоэлектрическая пленка;

3 - радиопрозрачные электроды для подачи напряжения на БСТ;

4 - слои радиопоглощающего материала;

5 - источник регулируемого напряжения.

Радиопоглощающее покрытие с электрически управляемой величиной поглощения (РПУ) работает следующим образом.

Электромагнитная волна падает на радиопоглощающее покрытие, где происходит ее частичное отражение. После прохождения первого слоя радиопоглощающего покрытия, имеющем импеданс близкий к импедансу свободного пространства (см. прототип) электромагнитная волна попадает на слой сегнетоэлектрика, который является управляющим слоем. Управление происходит за счет изменения постоянной распространения. Далее электромагнитная волна попадает на следующий слой радиопоглощающего покрытия, где волна частично поглощается и частично проходит далее и попадает на следующий слой 2.

Картина поглощения и отражения повторяется и общий уровень поглощения зависит от числа слоев поглощения и управляющих слоев сегнетоэлектрической пленки.

В основу работы электрически управляемого РПУ положен эффект изменения нелинейной диэлектрической проницаемости от приложенного электрического напряжения U в некоторых материалах, к которым относятся все сегнетоэлектрики, в частности, сегнетоэлектрики состава титанат бария-стронция (БСТ). В БСТ под действием приложенного напряжения U изменяется диэлектрическая проницаемость (фиг.4а), что приводит к изменению постоянной распространения в структуре, содержащей БСТ. Применимость сегнетоэлектрика в качестве компонента линии передачи на СВЧ определяется величиной изменения диэлектрической проницаемости (фиг.4а) и значением коэффициента управления n (фиг.4б), при этом и составляет обычно величину порядка двух единиц.

Изменение постоянной распространения электромагнитных волн в слоистой структуре РПП приводит к тому, что для отраженной волны слои сегнетоэлектрика будут представлять собой либо четвертьволновой, либо полуволновой отрезок СВЧ линии.

Для иллюстрации такого поведения может служить матрица распространения (оператор Джонса) (см. книгу Звездин А.К., Котов В.А. «Магнитооптика тонких пленок»). Вид матриц для четвертьволнового отрезка имеет вид , а для полуволнового . Известно, что в первом случае величина отражения нормально падающей электромагнитной волны от РПП будет наименьшей, а во втором случае - наибольшей.

Напряжение U в предлагаемой полезной модели при определенном составе БСТ и толщине пленки сегнетоэлектрика будет изменяться от U=0 до U=140 B.

Электроды, на которые подается напряжение U (фиг.3), являются радиопрозрачными и выполняются из проводящего материала так, чтобы величина скин-слоя была меньше длины электромагнитной волны в среде распространения. Управление уровнем поглощения осуществляется путем подачи напряжения U на проводящие электроды к двум сторонам сегнетоэлектрических слоев, которые чередуются со слоями РПП. Отводы от каждого из сегнетоэлектрических слоев соединены параллельно и подсоединены к источнику напряжения U через регулируемое устройство подачи напряжения от внешнего источника.

Рассмотрим пример исполнения конструкции РПП с электрически управляемой величиной поглощения и характеристики поглощения в ней.

Для конструкции из 5 слоев БСТ с толщиной каждого слоя 10 мкм рассчитаем длину электромагнитной волны g в слое БСТ (частота электромагнитной волны 30 ГГц) для 2-х значений напряжения Е=0 и Е=140 В.

Для максимального изменения уровня поглощения необходимо, как было указано выше, чтобы слои представляли либо полуволновой (отражение максимальное), либо четвертьволновой (отражения нет) отрезки.

Это будет в нашем случае, если , .

Пользуясь зависимостью =f(E) можно рассчитать все промежуточные значения уровня поглощения и отражения (L_дБ). Рассчитаем уровень поглощения для 4-х значений Е=0, 50, 100, 140 В.

В относительных единицах (за единицы принимаем уровень поглощения при Е=0) эти значения равны L₀=0 дБ

L₅₀ =4 дБ

L₁₀₀=7 дБ

L ₁₄₀=10 дБ

Т.о. в данной конструкции на f=30 ГГц возможно уменьшение уровня мощности на 8 дб.

Конструкция, рассмотренная в примере 1 основывалась на слоях из БСТ материала Ba_x Sr_1-xTiO₃ и обеспечивала необходимый уровень поглощения до 10 дБ.

Рассмотрим пример 2 со слоями материала состава Ba_0,3Sr_0,7 TiO₃. Используя соотношения примера 1, получим следующие значения величины затухания:

L₀=0 дБ; L₅₀=5 дБ; L₁₀₀=6 дБ; L₁₄₀=12 дБ

Технический результат при осуществлении предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении регулирования величины уровня поглощения с помощью электрического управления.

1. Радиопоглощающее покрытие, содержащее слои радиопоглощающего материала, отличающееся тем, что в слоистой структуре радиопоглощающего покрытия размещен, по крайней мере, один слой из сегнетоэлектрика, к противоположным сторонам которого через металлические контакты прикладывают электрическое напряжение от внешнего источника, в соответствии с формулой

L=kU,

где L - величина поглощения, дБ;

U - электрическое напряжение, В;

k - коэффициент, зависящий от параметров слоя БСТ и напряжения U.

2. Радиопоглощающее покрытие по п.1, отличающееся тем, что в слоистом радиопоглощающем покрытии размещены дополнительные слои из сегнетоэлектрика, которые чередуются со слоями радиопоглощающего материала, а сами слои сегнетоэлектрика подсоединены параллельно источнику напряжения.