Сверхширокодиапазонное радиопоглощающее устройство

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании радиопоглощающих устройств для оснащения многофункциональных безэховых камер и экранированных помещений, а также биологической защиты обслуживающего персонала от излучения СВЧ источников. Техническим результатом является расширение рабочего диапазона длин волн, повышения эффективности поглощения электромагнитной энергии в широком диапазоне длин волн. Сущность изобретения заключается в том, что сверхширокодиапазонное радиопоглощающее устройство представляет собой конструкцию, состоящую из картонных трубчатых элементов разной длины и диаметра и клинообразных вкладышей, помещаемых внутрь трубчатых элементов. Трубчатые элементы собраны в блоки параллельно их осям, имеют внутренний диаметр 66 и 200,4 мм, один скос под углом 17 радусов или два симметричных к оси элемента скоса под углом 35 градусов, имеют внешний или внутренний электропроводящий слой. 7 з.п. ф-лы., 11 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании радиопоглощающих устройств (РПУ) для оснащения многофункциональных безэховых камер (БЭК) и экранированных помещений, а также защиты обслуживающего персонала от излучения СВЧ источников.

В настоящее время при оснащении БЭК и экранированных помещений для сертификации радиоэлектронных средств бытового и промышленного назначения и проведения радиотехнических измерений на соответствие нормам и требованиям электромагнитной совместимости необходимы материалы способные успешно функционировать в сверхшироком диапазоне длин волн (ДДВ) от 0,8 до 150 см. Коэффициент отражения по мощности этих материалов должен находиться в пределах от -20 до -40 дБ. Данная задача может быть решена разными способами.

К одному из способов технического решения можно отнести комбинирование радиопоглощающих материалов с диэлектрическими и магнитными потерями. При этом диэлектрические материалы обеспечивают заданные радиотехнические характеристики в коротковолновом, а магнитные - в длинноволновом ДДВ. Так, например, известно РПУ, состоящее из слоев диэлектрика, магнитного материала и металлической подложки (US, патент, 3631492 кл. 343-18А, 1971 г.). Это РПУ имеет согласующую клиновидную часть и последующие 4 слоя, выполненные из диэлектрического материала с потерями. Диэлектрические слои совместно со слоем из магнитного материала с потерями закрепляются на металлической подложке. Общая толщина РПУ равна 53 см. Известно также РПУ (RU, патент, 2110122 С 1, кл. 6 Н 01 Q 17/00, 1997 г.), состоящее из слоев диэлектрического и магнитного материалов и металлической подложки. Диэлектрический материал выполнен из радиопоглощающего стекла, а магнитный - из никель-цинкового феррита толщиной 8,5...12 мм.

Данные РПУ имеют сложную технологию изготовления и большую массу. Кроме этого, для их изготовления в качестве магнитного материала используют специальные дорогостоящие ферриты, которые в настоящее время в России не производят.

Другим более распространенным и относительно дешевым способом технического решения является изготовление объемных РПУ из трубчатых элементов на основе резистивного поглощающего материала с пространственно изменяющимся импедансом.

Известно РПУ (DE, патент, 1294511, 1969 г.), выполненное из ряда трубчатых элементов, состоящих из полиэфирного, эпоксидного или другого стеклопластика. Элементы ориентированы параллельно направлению падающего излучения и расположены друг от друга на расстоянии, меньшем 1/5 максимальной длины волны поглощающего излучения. Пространство между элементами заполнено пенополиуретаном. Элементы изготовлены методом намотки или прессования в прессформе. На внешнюю поверхность этих элементов наносят электропроводящие покрытие, поверхностное сопротивление которого уменьшается в направлении распространения электромагнитного излучения. Структура обладает хорошей механической прочностью.

Однако это РПУ не позволяет получить низкий уровень коэффициента отражения в длинноволновой части ДДВ, из-за недостаточного согласования со свободным пространством, что ограничивает ослабление сигнала. Кроме этого, в конструкции используется пенополиуретан, подверженный горению и деструкции в процессе эксплуатации.

Известно РПУ (RU, патент 2122264 С1, 1997 г.), содержащие трубчатые элементы одинаковой и/или разной длины, выполненные из тонкослойного резистивного материала и собранные произвольно параллельно их осям. Фронтальные части стенок трубчатых элементов, обращенные к падающей волне, имеют скос под углом 10-30 градусов к оси элементов, а противоположные задние части стенок трубчатых элементов сомкнуты. Элементы расположены в устройстве плотно, без зазоров, так что вершины скосов фронтальных частей элементов и сомкнутые задние части элементов не образуют регулярную структуру. Это РПУ имеет хорошее согласование со свободным пространством и низкий коэффициент отражения, но диапазон эффективной работы недостаточно широк (0,8...40 см). Кроме этого, трубчатые элементы выполненные из тонкослойного материала, имеют низкую механическую прочность и рассчитаны на работу только при малых уровнях потока мощности СВЧ излучения из - за горючести исходных материалов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному РПУ и принятым за прототип является РПУ (ЕР, патент 0530038 А1, 1993 г.), содержащее набор трубчатых элементов, собранных параллельно их оси в наружной раме. Они могут быть одинаковой или различной высоты и/или диаметра и собраны в произвольном порядке в ячейки, образованные продольными пересекающимися элементами. Трубчатые элементы изготавливают из резистивного поглощающего материала включенного в материалы трубок и/или нанесенного на него с изменяющимся электрическим импедансом в направлении, перпендикулярном к покрывающей поверхности. Поглощающий материал, например, проводящую краску, наносят методом печати на непрерывный рулон для получения необходимого образца, затем отрезают лист необходимой длины и из него делают трубчатые элементы. Устройство может иметь сложный закон изменения импеданса благодаря соответствующему расположению поглощающего материала на каждой поверхности. Кроме того, элементы, из которых состоит РПУ, могут быть выполнены из трубок, внутри которых коаксиально расположена другая трубка меньшего диаметра.

К недостаткам данного технического решения следует отнести недостаточно широкий ДДВ, ограничивающий использование его при оборудовании БЭК для испытаний антенной техники и технических средств на ЭМС и низкий уровень модуля коэффициента отражения из-за недостаточного согласования со свободным пространством.

Целью изобретения является расширение рабочего ДДВ (от 0,8 до 150 см), уменьшение уровня коэффициента отражения и использование в конструкции РПУ дешевых высокостабильных, негорючих и экологически чистых материалов.

Цель достигается тем, что РПУ представляет конструкцию из радиопоглощающих картонных трубчатых элементов разной длины и диаметра, имеющих один или два симметричных скоса к оси элементов с внутренним или внешним электропроводящим слоем и клинообразных вкладышей, помещаемых внутрь трубчатых элементов, изготовленных в виде сот из листового картона с внешним электропроводящим слоем. При этом трубчатые элементы имеют эффективное поглощение электромагнитной энергии в длинноволновом рабочем ДДВ (25...300 см), а клинообразные вкладыши - в коротковолновом ДДВ (0,8...25 см).

Принцип работы основан на поглощении и многократного отражения электромагнитной волны от внутренней и внешней поверхности трубчатых элементов.

Кроме того, трубчатые элементы могут изготавливаться с различным скосом (зигзагообразным, пилообразным, иметь экспоненциальный, параболический и другие виды профиля) и количеством зубцов.

Кроме того, в качестве электропроводящего слоя могут применятся сажа, графит, ферриты, краски и другие материалы.

Кроме того, трубчатые элементы разной высоты могут собираться в блоки различных остроконечных конструкций (многогранные пирамиды, конусы, полупараболоиды и т.п.). Причем пирамиды могут быть использованы как виде прямых пирамид, в основании которых правильные треугольники, тетраэдры, квадраты, пятиугольники и т.п., так и с гранями, расположенными под различными углами к основанию.

Проведенный заявителем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволили выявить отличительные признаки в заявленном решении, следовательно, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения “новизна” и “существенные отличия”.

После проведения теоретических и экспериментальных исследований были определены три варианта базовых конструкций РПУ, техническая сущность которых поясняется чертежами, приведенными на фиг.1...11.

За основу трубчатых элементов берется известная шпуля картонная спирально навивная (ТУ 5456-001-53910392-2001) с внутренними диаметрами 66,0×2 и 200,4×2 мм.

В 1 и 2 вариантах РПУ трубчатые элементы 1 (фиг.1, 5) для согласования со свободным пространством изготавливают разной высоты и имеют оптимальный скос 2 (фиг.2) под углом 17 градусов.

В 1 варианте РПУ для придания трубчатым элементам электропроводящего слоя 3 (фиг.1) их помещают в ультрадисперсный коллоидно-углеродный раствор марки ТО-3 (ТУ 16-538.377-77) с последующей сушкой в вертикальном положении для получения изменяющегося поверхностного сопротивления (ρ_s) от вершины к основанию (ρ_s=120...300 Ом).

В 2 и 3 вариантах РПУ внутренний электропроводящий слой 4 (фиг.5) в трубчатых элементах получают за счет применения электропроводящей бумаги ЭТБ-3 (ТУ 81-04-85-71) с ρ_s=300 Ом в процессе намотки и одновременной склейкой слоев картона.

В 1 и 2 вариантах РПУ для соединения трубчатых элементов в единый блок в каждом элементе делаются симметричные прорези 5 (фиг.2), в которые входят стенки четырех втулок 6 (фиг.3) того же диаметра, но меньшей высоты.

Втулки изготавливают одинаковой высоты или с четырьмя зубцами 7 (фиг.4).

В 1 варианте РПУ втулки помещают в тот же ультрадисперсный коллоидно-углеродный раствор для получения ρ_s=30...50 Ом. В случае выполнения втулок с зубцами общий коэффициент отражения снижается на 2-5 дБ за счет интерференции отраженных волн от этих зубцов и стенок элементов в коротковолновом ДДВ.

Для расширения рабочего ДДВ в РПУ (вариант 2) применяют трубчатые элементы пяти размеров и собирают их в единый блок в виде пятиступенчатой пирамиды (фиг.5). Вершины трубчатых элементов каждой ступени ориентированы в пространстве произвольно.

Сверхширокодиапазонное РПУ (вариант 3) представляет собой конструкцию из трубчатых элементов 1, имеющих двойной симметричный скос 8 (фиг.6) относительно оси элементов с углом 35 градусов и клинообразных вкладышей 9 (фиг.6, 9, 10), помещаемых внутрь трубчатых элементов. Вкладыши изготавливаются из листового коробочного картона (ТУ 13-00278882-01-96) и имеют прорези 10 (фиг.11) для сборки в виде сот. Электропроводящий слой на них получают по технологии нанесения на трубчатые элементы варианта 1. При сборке этих элементов в виде блоков их помещают в ячейки 11 (фиг.7, 8), образованные продольными и поперечными пересекающимися клинообразными картонными листами.

Конструктивное исполнение вкладышей можно использовать как самостоятельное техническое решение широкодиапазонного РПУ фиг.9 (вариант 4), которое имеет низкие весовые характеристики (вес одного блока размерами 1000×1000×250 мм составляет не более 2,5 кг), высокотехнологично и экономично, так как сборку в блок можно производить непосредственно на месте монтажа БЭК и экранированных помещений, что не требует дорогостоящих перевозок РПУ, имеющих большой объем.

Радиотехнические характеристики оптимальных вариантов РПУ приведены в таблице.

Для придания трудногорючести и соединения (склеивания) трубчатых элементов и клинообразных пластин в единый блок их покрывают силикатной краской (ГОСТ 18958-73) 12 (фиг.1, 5) методом окунания.

Компоненты силикатной краски - калиевое жидкое стекло и пигментная часть смешивают между собой в отношении 1:1 по массе и разбавляются водой в отношении 1:1 по объему.

В результате процесса твердения (высыхания) образуется прочная долговечная пленка силикатной краски, обеспечивая нетоксичность и трудногорючесть РПУ. На силикатную краску может наносится лакокрасочное покрытие различных цветов.

Предлагаемое изобретение расширяет арсенал РПУ сверхширокодиапазонного типа для безэховых камер и экранированных помещений.

Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения имеют место и основываются на следующем.

Во-первых, за счет расширения рабочего ДДВ и уменьшения коэффициента отражения РПУ повышается качество и снижается себестоимость затрат проведения в одной БЭК или экранированном помещении испытаний технических средств и антенной техники на соответствие нормам и требованиям по ЭМС.

Во-вторых, РПУ имеют высокостабильные радиотехнические характеристики с большим сроком эксплуатации.

В-третьих, РПУ позволяют проводить измерения в БЭК и экранированных помещениях с большими уровнями потока мощности СВЧ излучения.

В-четвертых, при изготовлении РПУ используется относительно дешевое отечественное сырье и комплектующие.

В-пятых, отличительной особенностью РПУ является их трудногорючесть, экологическая безопасность производства и эксплуатации.

В-шестых, “гибкость” технологии производства нескольких вариантов РПУ позволяет применять их для решения различных радиотехнических задач.

1. Сверхширокодиапазонное радиопоглощающее устройство (РПУ) для безэховых камер и экранированных помещений, состоящее из картонных трубчатых элементов разной длины и диаметра и клинообразных вкладышей, помещаемых внутрь трубчатых элементов, собранных в блоки параллельно их осям, отличающееся тем, что трубчатые элементы с внутренними диаметрами 66 и 200,4 мм имеют один скос под углом 17° или два симметричных к оси элемента скоса под углом 35°, трубчатые элементы имеют внешний или внутренний электропроводящий слой.

2. Сверхширокодиапазонное РПУ по п.1, отличающееся тем, что для придания трубчатым элементам внешнего электропроводящего слоя с изменяемым поверхностным сопротивлением 120-300 Ом применяют ультрадисперсный коллоидно-углеродный раствор.

3. Сверхширокодиапазонное РПУ по п.1, отличающееся тем, что для получения внутреннего проводящего слоя в трубчатых элементах в процессе их изготовления используют электропроводящую бумагу с поверхностным сопротивлением 300 Ом.

4. Сверхширокодиапазонное РПУ по п.1, отличающееся тем, что сборка трубчатых элементов в единый блок осуществляется с помощью втулок с поверхностным сопротивлением 30-50 Ом с четырьмя зубцами.

5. Сверхширокодиапазонное РПУ по п.1, отличающееся тем, что для расширения рабочего диапазона длин волн трубчатые элементы разной высоты собирают в единый блок в виде пирамиды.

6. Сверхширокодиапазонное РПУ по п.5, отличающееся тем, что вовнутрь трубчатых элементов помещают клинообразные вкладыши, изготовленные в виде сот из электропроводящего картона.

7. Сверхширокодиапазонное РПУ по п.1, отличающееся тем, что для придания трудногорючести и соединения трубчатых элементов и клинообразных вкладышей в единый блок используют силикатную краску.