Поглотитель электромагнитных волн гигагерцевого диапазона
Владельцы патента RU 2657018:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)
Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов и конструкциям поглотителей, а конкретней к системам защиты от сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, и может быть использовано для решения задач электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем и комплексов, при создании безэховых камер и многофункциональных экранированных помещений, а также для снижения вредного воздействия высокочастотного излучения на организм человека. Техническим результатом является более простая конструкция поглотителя электромагнитных волн гигагерцевого диапазона, обладающего меньшей массой и толщиной, работающего на более высоких частотах, вплоть до 260 ГГц, в более широком диапазоне (20 – 260 ГГц). Поглотитель состоит из диэлектрического и магнитного материалов на металлической подложке. Диэлектрический материал представляет собой плоское радиопоглощающее пеностекло толщиной 7 мм, полученное при содержании в пенообразующей смеси 1 мас.% сажи, магнитный слой представляет собой композит толщиной 1,5 мм, содержащий 60 мас.% высокочастотного радиопоглощающего гексаферрита BaFe12O19, связанного полимерным связующим. 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов и конструкциям поглотителей, а конкретней – к системам защиты от сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (ЭМИ), и может быть использовано для решения задач электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем и комплексов, при создании безэховых камер и многофункциональных экранированных помещений, а также для снижения вредного воздействия высокочастотного излучения на организм человека.
На сегодняшний день разработано множество различных поглотителей электромагнитных волн. Основными предъявляемыми к ним требованиями являются:
- высокие значения коэффициента поглощения;
- низкие значения коэффициента отражения в широком диапазоне частот;
- небольшая толщина и вес поглотителя.
Известны однослойные и многослойные радиопоглощающие материалы (патент РФ № 2382804, МПК C09D5/32, опубл. 27.02.2010; патент РФ № 2423761, МПК H01Q17/00, опубл.10.07.2011). Они представляют собой композиты на основе эпоксидной смол и оксидных гексагональных ферримагнетиков W-типа, подвергнутых механической активации в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице. Изменение времени обработки гексаферрита в механоактиваторе позволяет изменять величину минимального значения коэффициента отражения, частоту с наименьшей величиной коэффициента отражения и широкополосность поглощающих свойств материала.
Однако у радиопоглощающих материалов, изготовленных таким способом, имеется ряд недостатков. Прежде всего, это узкий максимальный диапазон рабочих частот поглотителя (11 ГГц для однослойного и 16 ГГц для многослойного) и ограниченная средняя частота в рабочем диапазоне (от 8 до 11 ГГц). Помимо этого, определенную сложность имеет выбор нужного режима механической активации и изготовление многослойного покрытия.
В патенте РФ № 2362220, МПК G12B17/00, H05K9/00, H01Q17/00, опубл. 20.07.2009, представлено широкополосное устройство для поглощения электромагнитного излучения. Оно состоит из плоского металлического экрана, плоского ферритового слоя, плоского диэлектрического слоя без диэлектрических потерь, размещенного между экраном и теневой стороной ферритового слоя, и плоского согласующего диэлектрического пакета радиопоглощающих материалов из диэлектрических слоев с углеродным наполнителем. Устройство работает в диапазоне от 30 МГц до 30 ГГц и обеспечивает коэффициент отражения на уровне от -15 до -45 дБ.
Недостатком такого устройства являются значительная толщина покрытия (до 50 см), сложность в изготовлении и соединении множества слоев (более 12), значительный вес радиопоглощающего покрытия.
Известно устройство, которое состоит из ферритовой подложки и нанесенного на него согласующего диэлектрического слоя с углеродным наполнителем (патент РФ № 2169952, МПК G12B17/00, H01Q17/00, H05K9/00, опубл. 27.06.2001). Устройство представляет собой слоистую структуру, состоящую из плоских слоев звукопоглощающего материала различной плотности, причем плотность слоев уменьшается по мере удаления от ферритовой подложки. В качестве звукопоглощающего материала может быть использован неорганический, негорючий материал, например вспененный базальт. Согласующие диэлектрические слои могут быть выполнены с различным содержанием углеродного наполнителя.
Однако это устройство работает в диапазоне частот лишь до 30 ГГц, имеет большой вес из-за значительной толщины ферритовой подложки (65 мм) и поглотителя в целом (более 210 мм).
Известен материал, который используется для поглощения электромагнитных волн (патент РФ № 2169952, МПК G12B17/00, H01Q17/00, H05K9/00, опубл. 27.06.2001). Материал для поглощения волн представляет собой пористый стекловидный материал, включающий более 85 мас.% стеклофазы, является сверхширокополосным, негорючим и механически прочным. В диапазоне частот от 0,03 до 100 ГГц характеризуется коэффициентом отражения в пределах от -10 до -27 дБ.
Существенным недостатком данного поглотителя является снижение коэффициента поглощения и увеличение отражения при росте частоты. На 30 МГц коэффициент отражение составляет -22 дБ/см, а на 100 ГГц – 14 дБ/см.
В патенте US № 5617095 A, МПК H01F1/00, H01Q17/00, H05K9/00, опубл. 01.04.1997, представлено устройство гибридного широкополосного поглотителя электромагнитных волн. Поглотитель содержит металлическую пластину, на которой располагается ферритовый слой. На поверхности ферритового слоя установлены несколько разделенных промежутками конических элементов из феррита или композиционного материала на основе феррита.
Недостатком данного устройства является недостаточно широкий частотный диапазон (до 30 ГГц), большой вес и технологическая сложность изготовления.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство, описанное в патенте на изобретение РФ № 2110122, МПК H01Q17/00, опубл. 27.04.1998 (прототип).
Сверхширокодиапазонный поглотитель электромагнитных волн представляет собой конструкцию, состоящую из диэлектрического материала, выполненного на основе радиопоглощающего пеностекла и магнитного материала из радиопоглощающего никель-цинкового феррита, которые закреплены на металлической подложке. Пеностекло имеет плоскую форму или выполнено в виде клиновидных элементов и имеет следующие характеристики: удельное затухание 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 собой пластины толщиной 8,5-12 мм из магний-цинкового феррита, содержащего оксиды магния, цинка и железа в качестве основы, и диоксид титана и карбонат бария в качестве дополнительно введенных компонентов. Это обеспечивает поглотителю коэффициент отражения по мощности в пределах от -12 до -40 дБ в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц.
Основным недостатком поглотителя является сложность изготовления предложенной конструкции, его толщина и вес. Пеностекло для облицовки потолка и боковых поверхностей безэховой камеры (БЭК) должно иметь вид наборов треугольных призм высотой 200-350 мм, что является технологически трудноосуществимым. Для получения заданных значений высоты блоки пеностекла придется склеивать между собой, что дополнительно усложняет технологию получения материала и удорожает технологию его изготовления. Недостатком также является и то, что использованный в поглощающем слое магний-цинковый феррит недостаточно эффективен при поглощении энергии высокочастотного электромагнитного поля и ограничивает рабочий диапазон поглотителя частотами до 37,5 ГГц.
Технической задачей изобретения является создание поглотителя электромагнитных волн (ПЭВ) более простой конструкции, обладающего меньшей массой и толщиной и работающего на более высоких частотах.
Поставленная задача решена следующим образом. В поглотителе электромагнитных волн гигагерцевого диапазона, состоящем из диэлектрического и магнитного материалов и металлической подложки, в отличие от прототипа, диэлектрический материал представляет собой плоское радиопоглощающее пеностекло толщиной 7 мм, полученное при содержании в пенообразующей смеси 1 мас.% сажи, магнитный слой представляет собой композит толщиной 1,5 мм, содержащий 60 мас.% высокочастотного радиопоглощающего гексаферрита BaFe12O19, связанного полимерным связующим, например водно-дисперсионной акриловой эмалью (ГОСТ Р 51691-2008 Материалы лакокрасочные. Эмали).
Предложенный вариант конструкции поглотителя электромагнитных волн гигагерцевого диапазона состоит из трех слоев, включая магнитный композит, расположенный на металлической подложке, и закрепленное на нем радиопоглощающее пеностекло. Для обеспечения эффективности взаимодействия с электромагнитным излучением необходимо согласовать комплексные волновые сопротивления покрытия и воздушной среды. Как правило, для этой цели используют слоистые конструкции с уменьшением концентрации активной фазы. Поскольку ферриты обладают большим удельным весом, общий вес конструкции возрастает. Применяемые конусообразные или клиновидные конструкции резко увеличивают размеры покрытия. Эти недостатки исключены использованием в качестве согласующего слоя легкого и достаточно прочного пенокристаллического материала.
На фиг. 1 изображена схема заявляемого поглотителя электромагнитных волн гигагерцевого диапазона, где 1 - диэлектрический материал из радиопоглощающего пеностекла; 2 - магнитный материал, содержащий высокочастотный радиопоглощающий гексаферрит; 3 - металлическая подложка.
Пример реализации
В качестве металлической подложки выступает слой медной фольги толщиной 0,5 мм, который с помощью клея, например, "Момент 88", может крепиться на любую ровную плоскую поверхность. Может быть использован металлизированный листовой текстолит.
Магнитный материал 2 (фиг.1) представляет собой слой композита, в котором активной фазой является порошок феррита с гексагональной структурой BaFe12O19 (М-тип), который получают по стандартной керамической технологии. Порошки гексаферрита подвергались механическому измельчению до размеров частиц менее 80 мкм. Для получения композита можно использовать любое подходящее термостойкое (до 100°С) связующее. В качестве связующего использована водно-дисперсионная акриловая эмаль (ГОСТ Р 51691-2008). Содержание гексаферрита составляло 60 % от общей массы композита. Для создания слоя композита использовали следующую схему. Наполнитель и связующее были взвешены на весах Shimadzu AUX-320 (погрешность ~ 0,5 мг). Далее компоненты соединялись в требуемых пропорциях (по массе) и перемешивались до однородного состояния с использованием ультразвукового диспергатора и магнитной мешалки. Полученная смесь наносилась тонким слоем на металлическую подложку. После высушивания первого слоя наносился еще один. Процесс повторялся до достижения требуемой толщины в 1,5 мм.
Диэлектрический материал 1 (фиг.1) представляет собой плоское радиопоглощающее пеностекло, получаемое вспениванием тонкомолотого стекольного порошка с размером частиц менее 60 мкм с добавлением углеродсодержащего газообразователя с содержанием 1 мас.% высокоактивной сажи с удельной поверхностью 16 м2/г. Используемое стекло, имеет стабильный состав, приведенный в табл. 1. Более подробно технологические режимы и процесс изготовления пеностекла описаныв патенте РФ на изобретение № 2494507. К достоинствам используемого пеностекла следует отнести высокую стабильность его радиотехнических характеристик, долговечность, негорючесть и экологичность. Диэлектрический материал закрепляется на металлической подложке, покрытой слоем магнитного композита, при помощи клея "Момент Универсальный 1" или клей универсальный "Момент 88", образуя панель поглотителя.
Устройство работает следующим образом.
Использование плоского слоя радиопоглощающего пеностекла с высоким содержанием углеродсодержащего газообразователя в пенообразующей смеси позволяет упростить конструкцию и значительно повысить коэффициент поглощения при допустимом снижении прочности материала. Сажа исполняет роль не только газообразователя, но и токопроводящего наполнителя, который не полностью удаляется из материала при вспенивании. Сочетание пористой структуры пеностекла с наличием углеродистых частиц обеспечивает эффективное поглощение электромагнитной волны, поэтому по изобретению содержание сажи в пеностекле увеличено до 1 мас.%.
Применение более высокочастотного гексаферрита М-типа (естественный ферромагнитный резонанс ЕФМР вплоть до 100 ГГц) вместо магний-цинкового феррита прототипа (ЕФМР до 1 ГГц) позволяет существенно повысить рабочий диапазон частот поглотителя. Использование вместо чистого магнитного материала композита, содержащего 60 мас.% порошка гексаферрита, позволяет дополнительно снизить вес магнитного слоя материала и снизить уровни отраженного излучения за счет снижения комплексного волнового сопротивления слоя.
В результате теоретических и экспериментальных исследований были определены оптимальные толщины каждого из слоев поглотителя электромагнитных волн. Они определялись из задачи максимального уменьшения общей толщины поглотителя при снижении уровня отраженного излучения не менее чем на -12 дБ и составили
– для диэлектрического материала из плоского радиопоглощающего пеностекла 7 мм;
– для слоя магнитного композита 1,5 мм;
– для металлической подложки из медной фольги 0,5 мм.
При увеличении толщины любого из использованных в ПЭВ слоев коэффициент отражения снижается еще значительней.
За счет совместного использования слоев диэлектрического материала и магнитного композита удается многократно снизить толщину и массу ПЭВ гигагерцевого диапазона и обеспечить его эффективную работу на более высоких частотах. Измерения электромагнитных характеристик материалов проводились методом свободного пространства с использованием векторного анализатора цепей (Agilent PNA-X N4257A) с набором пирамидальных рупорных антенн и квазиоптического спектрометра (STD - 21) на лампах обратной волны. В табл. 2 приведены результаты измерений значений коэффициента отражения на различных частотах для слоя плоского радиопоглощающего пеностекла толщиной 7 мм на металле, для слоя магнитного композита толщиной 1,5 мм на металле и для поглотителя электромагнитных волн гигагерцевого диапазона по изобретению. Нанесение на отражающую поверхность пенокристаллического слоя толщиной 7 мм уменьшило коэффициент отражения почти в два раза в диапазоне 20-50 ГГц и более чем в 10 на частотах выше 200 ГГц (до 260 ГГц). Коэффициент отражения ферритового композита представлен осциллирующей функцией, которая отражает интерференционные свойства на толщине конкретного слоя. В среднем коэффициент отражения ферритового композита мало отличается от пенокристаллического образца, что связано с высоким контрастом комплексных волновых сопротивлений магнитного покрытия со свободным пространством, в то время как отражающие свойства пенокристаллического материала определяются только уровнем поглощающих свойств. Заметно уменьшился коэффициент отражения конструкции, когда на слой магнитного композита поместили слой пенокристаллического материала. В низкочастотной области отражение уменьшилось в 10 раз, а на высоких частотах в сто и более раз. При этом достигнута широкополосность созданной конструкции.
Техническим результатом является поглотитель электромагнитных волн гигагерцевого диапазона с более простой конструкцией, обладающего меньшей массой и толщиной, работающего на более высоких частотах, вплоть до 260 ГГц, в более широком диапазоне 20–260 ГГц.
Поглотитель электромагнитных волн гигагерцевого диапазона, состоящий из слоев диэлектрического материала, магнитного материала и металлической подложки, отличающийся тем, что диэлектрический материал представляет собой плоское радиопоглощающее пеностекло толщиной 7 мм, полученное из пенообразующей смеси, содержащей 1 мас.% сажи, магнитный материал представляет собой закрепленный на металлической подложке слой композита толщиной 1,5 мм, содержащего 60 мас.% высокочастотного радиопоглощающего гексаферрита BaFe12O19, связанного полимерным связующим, при этом поглотитель имеет коэффициент отражения по мощности в пределах от -12,7 до -24,5 дБ в диапазоне частот от 20 до 260 ГГц.
