Малоотражающее покрытие на основе омега-частиц и способ его изготовления

Малоотражающее покрытие на основе омега-частиц и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к малоотражающим покрытиям и может быть использовано в наземной, наводной, авиационной и космической технике, а также в объектах и устройствах бытового назначения для уменьшения радиолокационной заметности объектов.

Известен поглотитель электромагнитных волн RU 2119216 С1 [Борзенко Г.П., Ткачев Н.А. Поглотитель электромагнитных волн и способ его изготовления. - 9611654/09. Заяв. 1996.08.13. (РФ). Опубл. 1998.09.20. (статус: по данным на 17.09.2007 - прекратил действие). Патент RU 2119216 C1], который может быть использован для создания малоотражающих покрытий для снижения радиолокационной видимости объектов в диапазоне миллиметровых, сантиметровых и дециметровых электромагнитных волн. Однако данный поглотитель имеет сложную структуру, т.к. она представляет собой многослойное покрытие (причем слои переменной толщины) и двухмерные решетки и имеет достаточно узкую полосу частот, в которой будут наблюдаться малые коэффициенты отражения электромагнитных волны (ЭМВ).

Известен также поглотитель интерференционного типа, который состоит из слоя диэлектрика толщиной d=λ/4, двух взаимно перпендикулярных дипольных решеток, расположенных на внешней поверхности и настроенных на волны 3,2 см, а также двух аналогичных решеток, расположенных в диэлектрическом слое на удалении в 0,25λ от металлической подложки и настроенных на волны 1,6 см. Данный поглотитель имеет коэффициент отражения (КО) по полю до 16% между двумя точками согласования на волнах 1,6 и 3,2 см в полосе длин волн 1,4-4,25 см [Радиотехнические системы в ракетной технике. / Великанов В.Д. [и др.] / М.: Воениздат, 1974].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению задачи является конформное покрытие объектов малоотражающее ЭМВ, и способ его изготовления RU 2374725 С1 [Вороной А.А., Неганов В.А., Табаков Д.П. Конформное покрытие объектов, малоотражающее электромагнитные волны, и способ его изготовления. - 2008133917/09. Заяв. 2008.08.13 (РФ). Опубл. 2009.11.27. Бюл. №33. Патент RU 2374725 С1]. В нем покрытие изготавливается в виде трех слоев, первый - поглотитель, два последующих -трехмерные решетки из резонансных металлических разомкнутых плоских колец в диэлектриках во взаимно ортогональных плоскостях, совпадающих с направлением падения волны, а разрывы разомкнутых колец ориентированы к поглотителю.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение коэффициента отражения электромагнитной волны от покрытия в широкой полосе частот. Указанный технический результат достигается тем, что конформное покрытие объектов, малоотражающее ЭМВ включает три слоя: первый - поглотитель, два последующих представляют собой решетки из резонансных элементов в диэлектриках. Трехмерные решетки во втором и третьем слоях диэлектрика формируются из плоских омега-частиц (фиг.1, а), используемых при создании метаматериалов [Negative-zero-positive metamaterial with omega-type metal inclusions / F. Zhang [et al.] // Journal of Applied Physics. 2008. Vol.103. P.084312-1-8], таким образом, чтобы соседние омега-частицы имели противоположное расположение зазоров (фиг.1, б).

Радиус а металлических разомкнутых плоских колец и расстояние между соседними центрами разомкнутых колец d определяются из соотношений

, ,

где λ_n - центральная длина волны диапазона ЭМВ падающих на защищаемый объект; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика во втором и третьем слоях.

Запись max{х₁,х₂} означает, что берется максимальная величина из х₁ и х₂. Размер «уса» а₁ подбирается из минимума отражения от покрытия и определяет согласование границы воздух-покрытие.

На фиг.2 показано покрытие объектов малоотражающее ЭМВ для снижения радиолокационной видимости объектов и увеличения его широкополосности: структура малоотражающего покрытия (a) и заполнение диэлектрических параллелепипедов (б - второй слой, в - третий слой) решеткой ориентированных плоских омега-частиц. На фиг.3 показана рассчитанная амплитудная диаграмма направленности (ДН) в азимутальной плоскости дифрагированного поля плоской ЭМВ Н-поляризации (вектор Н перпендикулярен плоскости частицы) на двух омега-частицах. Стрелкой указано направление падения плоской волны.

По отношению к поглотителю, приведенном в работе [Борзенко Г.П., Ткачев Н.А. Поглотитель электромагнитных волн и способ его изготовления. - 9611654/09. Заяв. 1996.08.13. (РФ). Опубл. 1998.09.20. (статус: по данным на 17.09.2007 - прекратил действие). Патент RU 2119216 С1], в котором применяется система замкнутых колец, образующих двухмерные решетки, используются решетки из омега-частиц, представляющие собой разомкнутые системы, поэтому предлагаемое малоотражающее покрытие является более широкополосным. Другим важным преимуществом предлагаемого покрытия является то обстоятельство, что используются частицы, которые в отличие от замкнутых изотропных переизлучателей, являются неизотропными переизлучателями электромагнитной мощности.

Для доказательства утверждения широкополосности малоотражающего покрытия проведены расчеты амплитудной диаграммы направленности в азимутальной плоскости для случая 2πa/λ_n=1,15 и показано, что характер кривой меняется незначительно при изменении длины волны. Расчет амплитудной диаграммы направленности осуществлен методом сингулярных интегральных уравнений, разработанным проф. В.А. Негановым [Неганов В.А., Нефедов Е.И., Яровой Г.П. Электродинамические методы проектирования устройств СВЧ и антенн. Учебное пособие для вузов / под ред. Неганова В.А. - М.: Радио и связь, 2002. 416 с.]. Для сравнения, метод сингулярных интегральных уравнений в случае замкнутого кольца дает при a/λ_n=π/4 отражения от него примерно в 1,5 раза больше по сравнению с отражением от ориентированного разомкнутого кольца.

На фиг.3 для сравнения пунктирной кривой приведена амплитудная диаграмма направленности в азимутальной плоскости на разомкнутом кольце, сплошной кривой - случай падения на плоскую омега-частицу. Для проверки результатов обе задачи были рассчитаны с помощью пакета CST Microwave Studio. Результаты были подтверждены с графической точностью.

Для устранения зависимости коэффициента отражения от поляризации волны в третьем слое поглощающего покрытия (фиг.2) вводится трехмерная решетка из плоских частиц, повернутых на 90° в меридиональной плоскости к частицам первой решетки во втором слое поглощающего покрытия. Коэффициент отражения покрытия с двумя такими взаимно перпендикулярными решетками практически не зависит от угла поляризации падающей на него волны.

В качестве поглощающего слоя может быть использовано, например, покрытие, включающее в себя в качестве полимерного связующего синтетический клей «Элатон» на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей «Элатон» на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80 [Шабанов С.Г. Радиопоглощающее покрытие, способ получения и управления его свойствами и устройство для дистанционного измерения отражательных свойств покрытий на объектах в СВЧ-диапазоне радиоволн. 2155420 С1. - 2000.08.27].

Известен способ изготовления малоотражающего покрытия для электромагнитных волн, включающий несколько слоев из различных пластмасс и формирования на одной из их поверхности двухмерных решеток резонансных элементов [Борзенко Г.П., Ткачев Н.А. Поглотитель электромагнитных волн и способ его изготовления. - 9611654/09. Заяв. 1996.08.13. (РФ). Опубл. 1998.09.20. (статус: по данным на 17.09.2007 - прекратил действие). Патент RU 2119216 С1]. Однако этот способ дает технологию изготовления только двухмерных решеток.

Техническим результатом изобретения является возможность создания форм малоотражающих покрытий конформных поверхностям защищаемых объектов и технология изготовления трехмерных решеток из резонансных разомкнутых плоских омега-частиц.

Указанный технический результат достигается тем, что способ создания конформного покрытия объектов, малоотражающего электромагнитные волны, включает нанесение трех слоев: первый слой из поглотителя непосредственно на защищаемом объекте, второй и третий слои из диэлектриков с решетками со взаимно перпендикулярными ориентациями резонансных элементов. При формировании трехмерных решеток во втором и третьем слоях предварительно созданы одинаковые гибкие диэлектрические прямые параллелепипеды с ширинами, равными длине между соседними центрами частиц, высотами не менее размера плоских частиц. Длины параллелепипедов определены размерами защищаемого объекта на одной из граней прямых диэлектрических параллелепипедов, определяющих высоту второго и третьего слоев. Изготовлены двухмерные решетки из плоских омега-частиц с одинаковой перпендикулярной ориентацией разрывов по отношению к одному из ребер этих граней. При создании второго слоя грани этих гибких параллелепипедов с двухмерными решетками последовательно приклеены в горизонтальных плоскостях к противоположным граням по отношению к граням с двухмерными решетками следующего прямого диэлектрического параллелепипеда с одновременным приклеиванием перпендикулярной грани прямого диэлектрического параллелепипеда к слою поглотителя, чтобы ориентация разрывов в разорванных кольцах частиц были направлены к направлению падения волны. При создании третьего слоя гибкие диэлектрические прямые параллелепипеды точно также последовательно склеены между собой в вертикальных областях и одновременно приклеены к поверхности второго слоя.

Способ реализуется следующим образом.

На первом этапе на поверхность защищаемого объекта наносится слой поглощающего материала (первый слой в покрытии). На втором этапе создаются двухмерные решетки из элементарных диэлектрических кубиков с расположенными на них омега-частицами (фиг.4). Соседние частицы должны иметь противоположно направленные зазоры, например к точкам D, D', С', С первого кубика необходимо присоединить точки С, С', D, D' второго. Затем точки А, В, С, D совместить с точками С, D', А', В', тем самым получив второй слой. Третий слой создается таким же образом, затем разворачивается на 90° и клеится ко второму. В результате в третьем и втором слоях малоотражающего покрытия формируются взаимно перпендикулярные трехмерные решетки из плоских омега-частиц с ориентацией разрывов в кольцах частиц к направлению падения волн.

1. Малоотражающее покрытие в виде трех слоев: первый слой - поглотитель, два последующих слоя - решетки из резонансных элементов в диэлектриках, отличающееся тем, что слои образованы плоскими омега-частицами во взаимно ортогональных плоскостях со средним радиусом a = λ n 2 π ε и расстоянием между соседними центрами d ≤ λ n 2 ε , где λ_n - центральная длина волны диапазона ЭМВ, падающих на защищаемый объект; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика во втором и третьем слоях.

2. Способ создания малоотражающего покрытия, отличающийся тем, что наносится три слоя: первый слой из поглотителя непосредственно на защищаемом объекте, второй и третий слои из диэлектриков с решетками с взаимно перпендикулярными ориентациями резонансных элементов; при формировании трехмерных решеток во втором и третьем слоях предварительно созданы одинаковые гибкие диэлектрические прямые параллелепипеды с ширинами, равными длине между соседними центрами частиц, высотами не менее размера плоских частиц; длины параллелепипедов определены размерами защищаемого объекта на одной из граней прямых диэлектрических параллелепипедов, определяющих высоту второго и третьего слоев; изготовлены двухмерные решетки из плоских омега-частиц с одинаковой перпендикулярной ориентацией разрывов по отношению к одному из ребер этих граней; при создании второго слоя грани этих гибких параллелепипедов с двухмерными решетками последовательно приклеены в горизонтальных плоскостях к противоположным граням по отношению к граням с двухмерными решетками следующего прямого диэлектрического параллелепипеда с одновременным приклеиванием перпендикулярной грани прямого диэлектрического параллелепипеда к слою поглотителя, чтобы ориентация разрывов в разорванных кольцах частиц была направлена к направлению падения волны; при создании третьего слоя гибкие диэлектрические прямые параллелепипеды точно также последовательно склеены между собой в вертикальных областях и одновременно приклеены к поверхности второго слоя.