Сверхширокодиапазонный поглотитель электромагнитных волн для безэховых камер и экранированных помещений
Владельцы патента RU 2453953:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к радиофизике, антенной технике и может найти применение при создании поглотителей электромагнитных волн, используемых для оснащения сверхширокодиапазонных многофункциональных безэховых камер (БЭК) и экранированных помещений, обеспечивающих проведение радиотехнических измерений и испытаний технических средств на соответствие нормам и требованиям электромагнитной совместимости. Техническим результатом является обеспечение исключения излучения за пределы камеры (помещения) радиосигналов, а также обеспечивающих исключение отражения от стен камеры радиосигналов частот от 30 МГц до 375000 МГц при коэффициенте отражения по мощности в пределах от - 12 до - 40 дБ. Предложенный ПЭВ представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из диэлектрического материала, магнитного материала и металлической подложки. Диэлектрический материал имеет плоскую форму или в виде клиновидных элементов из радиопоглощающего пеностекла с удельным затуханием 0,2-0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м3 и толщиной 200-350 мм. Магнитный материал представляет пластины толщиной 8,5-12 мм из магний-цинкового феррита, содержащего в качестве основы оксиды магния, цинка и железа и в качестве дополнительно введенных - диоксид титана и карбонат бария. 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к радиофизике, антенной технике и может найти применение при создании поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ), используемых для оснащения сверхширокодиапазонных многофункциональных безэховых камер (БЭК) и экранированных помещений, обеспечивающих проведение радиотехнических измерений и испытаний технических средств на соответствие нормам и требованиям электромагнитной совместимости.
Технической задачей изобретения является создание экономичного ПЭВ для многофункциональных БЭК и экранированных помещений, обеспечивающих исключение проникновения излучения за пределы камеры (помещения) радиосигналов, а также обеспечивающих исключение отражения от стен камеры радиосигналов частот от 30 МГц до 375000 МГц при коэффициенте отражения по мощности в пределах от - 12 до - 40 дБ.
Известны диэлектрические пирамидальные ПЭВ (поглотители, в которых поглощение электромагнитных волн реализуется за счет диэлектрических потерь) для оснащения БЭК и экранированных помещений (см. Я.А.Шнейдерман. Новые радиопоглощающие материалы. Зарубежная радиоэлетроника, №7, 1972. - С.102-131;
Ю.А.Михайлин. Специальные полимерные композиционные материалы. - СПб.: Научные основы и технологии, 2008. - 660 с.). Однако для обеспечения требуемых радиопоглощающих характеристик необходимо, чтобы высота их шиповидных элементов достигала нескольких метров. Такие размеры ПЭВ значительно сокращают полезный объем камеры и создают большие трудности по креплению данных поглотителей на боковые поверхности и потолок БЭК.
Существуют ПЭВ для БЭК, представляющие собой комбинации радиопоглощающих материалов с диэлектрическими и магнитными потерями. В частности, известен многослойный ПЭВ, состоящий из слоев диэлектрика, магнитного материала и металлической подложки (см. Патент US №631492, кл. 343-18А, 1971). Настоящий поглотитель имеет согласующую клиновидную часть и последующие 4 слоя, выполненные из диэлектрического материала с потерями, причем распределение постоянных затухания электромагнитной волны по этим слоям подчиняется определенному закону. Диэлектрические слои совместно со слоем из магнитного материала закрепляются на металлической подложке. Общая толщина поглотителя при этом равна 53 см.
Настоящее техническое решение обладает целым рядом недостатков: а) узкий частотный диапазон (0,1-5,0 ГГц); б) большая толщина поглотителя; в) подверженность используемых в конструкции поглотителя материалов горению и деструкции.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является ПЭВ, состоящий из диэлектрического материала из радиопоглощающего пеностекла, магнитного материала из радиопоглощающего феррита и металлической подложки (см. Александров Ю.К., Сидоров О.Н., Хохлов В.М. Патент РФ №2110122, H01Q 17/00 «Сверхширокодиапазонный поглотитель электромагнитных волн»). Диэлектрический материал представляет собой радиопоглощающее пеностекло с удельным затуханием 0,2-0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м3 и толщиной 200-350 мм, магнитный материал выполнен из радиопоглощающего никель-цинкового феррита толщиной 8,5-12 мм, что обеспечивает поглотителю коэффициент отражения по мощности в пределах от - 12 дБ до - 40 дБ в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц. Магнитный материал выполняется в виде ферритовых пластин, изготовленных из феррита никеля 600 НН, химический состав которого Ni0,36Zn0,64Fe2O4.
Недостаток данного технического решения - дороговизна ферритовых пластин, обусловленная высокой стоимостью никельсодержащего сырья.
Целью настоящего изобретения является создание эффективного дешевого сверхширокодиапазонного ПЭВ из высокостабильных, негорючих и экологически чистых материалов.
Указанная цель достигается тем, что магнитные пластины выполняются из магний-цинковых ферритов, электромагнитные свойства которых близки к свойствам никель-цинковых ферритов.
Предложенный в настоящем техническом решении ПЭВ представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из диэлектрического материала, магнитного материала и металлической подложки. Базовая конструкция предложенного ПЭВ изображена схематически на Фиг.1 и состоит из:
- диэлектрического материала, имеющего плоскую форму или в виде клиновидных элементов из радиопоглощающего пеностекла с удельным затуханием 0,2-0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м3 и толщиной 200-350 мм;
- магнитного материала, представляющего собой изготовленные по стандартной керамической технологии размерами 100×100 мм и толщиной 8,5-12 мм пластины магний-цинкового феррита, содержащего в качестве основы оксиды магния, цинка и железа и в качестве дополнительно введенных - оксид титана и карбонат бария при следующем соотношении компонент, масс.%:
| Оксид магния | 7,0-13,0 |
| Оксид цинка | 11,0-17,0 |
| Карбонат бария | 0,3-1,5 |
| Оксид титана | 0,3-1,5 |
| Оксид железа | остальное. |
- металлической подложки из листовой стали размерами 500х500 мм и толщиной 3 мм.
Радиопоглощающее пеностекло получают вспениванием порошкообразного алюмосиликатного стекла с газообразователем - сажей ПМ-30, одновременно выполняющим роль поглощающего компонента. В зависимости от концентрации поглощающего компонента удельное затухание пеностекла может изменяться от 0,1 до 5,0 дБ/см на частоте 4 ГГц, что представляет большие возможности для определения оптимальных параметров диэлектрического материала в конструкции ПЭВ. К достоинствам радиопоглощающего пеностекла следует также отнести высокую стабильность его радиотехнических характеристик в течение неограниченного времени и полное отсутствие выделений вредных веществ в процессе эксплуатации.
В качестве радиопоглощающих ферритов для безэховых камер наиболее широкое применение нашли никель-цинковые ферриты. Недостатками известных никель-цинковых ферритов являются недостаточное поглощение радиоволн в интервале частот от 30 МГц до 1000 МГц и высокая стоимость из-за дороговизны никельсодержащего сырья. Известен также способ получения магний-цинковых ферритов, электромагнитные свойства которых близки к свойствам никель-цинковых ферритов (см. Летюк Л.М., Журавлев Г.И. Химия и технология ферритов. - Л., Химия, 1983, с.93).
Способ включает синтез ферритового порошка из оксидов магния, цинка и железа, измельчение синтезированной шихты до размеров частиц 1-3 мкм, гранулирование шихты с введением связки, прессование заготовок, спекание и последующее охлаждение спеченных заготовок в воздушной среде. Преимуществом магний-цинковых ферритов является низкая стоимость, обусловленная дешевизной магнийсодержащего сырья. Однако известные магний-цинковые ферриты также недостаточно поглощают электромагнитное излучение в интервале частот от 30 МГц до 1000 МГц.
Повышение радиопоглощающих характеристик достигается за счет введения в шихту карбоната бария и диоксида титана.
Технология получения феррита для разработанного сверхширокодиапазонного ПЭВ безэховых камер и экранированных помещений включает смешивание ферритообразующих оксидов магния, цинка и железа, синтез ферритового порошка из полученной смеси в печах в воздушной среде прокалкой смеси исходных оксидов в интервале температур 900-980°С, измельчение синтезированной шихты с введением оксида стронция и оксида титана до размеров частиц 1-3 мкм, введение поливинилового спирта в качестве связки и гранулирование полученной измельченной смеси, формование сырых заготовок в виде пластин из гранулированного ферритового порошка прессованием и высокотемпературное спекание заготовок в воздушной среде при 1290-1350°С.
Эффективность поглощения радиоволн ферритом предложенного состава связана с тем, что добавки карбоната бария и диоксида титана в процессе нагрева заготовок при спекании разлагаются с образованием титаната бария ВаТiO3, который, располагаясь по границам зерен в спеченных ферритах, образует прослойки с высокой диэлектрической проницаемостью. В результате возникает новый механизм поглощения радиоволн, обусловленный диэлектрическими потерями в материале. Кроме этого, немагнитная тонкая прослойка по границам зерен способствует закреплению доменных стенок, что делает возможным возникновение резонанса доменных стенок при их обратимом перемещении внутри зерен и дополнительному поглощению электромагнитной энергии.
На Фиг.1 представлена конструкция предложенного сверхширокополосного ПЭВ для безэховых камер и экранированных помещений, используемого для облицовки потолка и боковых поверхностей.
На Фиг.2 представлена конструкция предложенного сверхширокополосного ПЭВ для безэховых камер и экранированных помещений, используемого для облицовки пола. На обеих фигурах: 1 - диэлектрический материал из радиопоглощающего пеностекла, 2 - магнитный материал из радиопоглощающего феррита, 3 - металлическая подложка.
Пример. Проводили определение сравнительной эффективности предложенного ПЭВ и прототипа. На металлические подложи из листовой стали 100 мм × 100 мм × 3 мм наклеивали с помощью клея типа «Гермосур» по 25 штук ферритовых пластин размером 100 мм × 100 мм и толщиной 8,5-12 мм. Поверх ферритовых пластин с помощью того же клея наклеивали диэлектрический материал из радиопоглощающего пеностекла с удельным затуханием 0,2-0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м3 и толщиной 200-350 мм. При наклеивании на одну металлическую подложку с ферритовыми пластинами 12 штук клиновидных диэлектрических элементов из радиопоглощающего пеностекла (в соответствии с Фиг.1; высота каждого элемента - 250-350 мм) получали ПЭВ для потолка или стен безэховой камеры. При наклеивании на одну металлическую подложку с ферритовыми пластинами плоского диэлектрического элемента из радиопоглощающего пеностекла (в соответствии с Фиг.2; высота элемента - 200 мм, другие размеры - 500 мм × 500 мм) получали ПЭВ для пола безэховой камеры.
При использовании в качестве ферритовых пластин никель-цинкового феррита марки 600 НН (химическая формула Ni0,36Zn0,64Fе2O4), полученного по стандартной керамической технологии, получали образцы прототипа, при использовании полученных по стандартной керамической технологии ферритовых пластин из Mg-Zn-феррита со следующим содержанием компонент, масс.%:
| Оксид магния | 7,0-13,0 |
| Оксид цинка | 11,0-17,0 |
| Оксид стронция | 0,3-1,5 |
| Оксид титана | 0,3-1,5 |
| Оксид железа | остальное, |
получали образцы предложенного ПЭВ.
Испытания изготовленных образцов прототипа и предложенного ПЭВ проводилось по электромагнитному излучению в диапазоне частот 0,03 ГГц - 37,5 ГГц. Результаты исследований представлены в табл.1. Как видно из табл.1, предложенный ПЭВ, несмотря на тот факт, что применены магнитные пластины из дешевого магний-цинкового феррита, в указанном частотном диапазоне обладает такими же и даже лучшими радиопоглощающими характеристиками.
В табл.2 представлены усредненные данные по измерению частотной зависимости коэффициента отражения радиоволн от поверхности образцов испытуемых ПЭВ при использовании магнитных пластин из марганец-цинковых ферритов различных составов (варьировалось содержание как базовых оксидов, так и диоксида титана и карбоната бария).
| Таблица 2 | ||||||
| № п/п | Состав феррита (состав исходных оксидов, масс.%) | Коэффициент ослабления отраженного сигнала по мощности, дБ | Примечание | |||
| при частоте поля | ||||||
| 0,03 ГГц | 0,1 ГГц | 1,0 ГГц | 10,0 ГГц | |||
| 1 | Ni0,36Zn0,64Fе2O4 | -12,7 | -20,7 | -23,5 | -38,0 | Прототип |
| 2 | Оксид магния - 6,5 | -10 | -14 | -18 | -25 | Выход за пределы |
| Оксид цинка - 17,5 | ||||||
| Карбонат бария - 0,2 | ||||||
| Оксид титана - 0,2 | ||||||
| Оксид железа - 75,6 | ||||||
| 3 | Оксид магния - 7,0 | -11,5 | -21,2 | -24,0 | -39,0 | Согласно формуле |
| Оксид цинка - 17,0 | ||||||
| Карбонат бария - 0,3 | ||||||
| Оксид титана - 0,3 | ||||||
| Оксид железа - 75,4 | ||||||
| 4 | Оксид магния - 10,0 | -11,0 | -21,5 | -24,5 | -39,5 | Согласно формуле |
| Оксид цинка - 14,0 | ||||||
| Карбонат бария - 0,9 | ||||||
| Оксид титана - 0,9 | ||||||
| Оксид железа - 74,2 | ||||||
| 5 | Оксид магния - 13,0 | -11,2 | -22 | -25 | -40,5 | Согласно формуле |
| Оксид цинка - 11,0 | ||||||
| Карбонат бария - 1,5 | ||||||
| Оксид титана - 1,5 | ||||||
| Оксид железа - 73,0 | ||||||
| 6 | Оксид магния - 13,5 | -9,5 | -13,5 | -17,5 | -35,5 | Выход за пределы |
| Оксид цинка - 10,5 | ||||||
| Карбонат бария - 1,6 | ||||||
| Оксид титана - 1,6 | ||||||
| Оксид железа - 73,8 |
Как видно из данных табл.2, использование ферритовых пластин предлагаемого состава позволяет повысить эффективность разработанного ПЭВ. Ухудшение параметров при выходе за пределы изобретения можно объяснить либо недостаточной толщиной образующейся диэлектрической прослойки из титаната бария (при содержании диоксида титана и карбоната бария менее 0,3 масс.%), либо уменьшением резонанса магнитных доменных стенок (при содержании диоксида титана и карбоната бария более 1,5 масс.%).
Таким образом, при стоимости, меньшей в 1,5-2,0 раза (за счет существенно меньшей стоимости марганец-цинковых ферритовых пластин по сравнению с никель-цинковыми ферритовыми пластинами), предложенный ПЭВ обладает по сравнению с прототипом лучшими эксплуатационными характеристиками.
Сверхширокодиапазонный поглотитель электромагнитных волн для безэховых камер и экранированных помещений, состоящий из слоев диэлектрического материала в виде радиопоглощающего пеностекла с удельным затуханием 0,2-0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м3 и толщиной 200-350 мм, магнитного материала из радиопоглощающего феррита толщиной 8,5-12,0 мм и металлической подложки, отличающийся тем, что ферритовые пластины выполнены из магний-цинкового феррита со следующим содержанием компонент, мас.%:
| Оксид магния | 7,0-13,0 |
| Оксид цинка | 11,0-17,0 |
| Карбонат бария | 0,3-1,5 |
| Оксид титана | 0,3-1,5 |
| Оксид железа | Остальное |
