Сверхширокополосное радиопоглощающее покрытие

Сверхширокополосное радиопоглощающее покрытие

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиопоглощающим покрытиям (РПП) электромагнитных волн (ЭМВ), и может быть использовано в сверхширокополосных антенных системах.

При разработке сверхширокополосных пассивных антенных систем, работающих в непрерывном диапазоне частот с коэффициентом перекрытия рабочего диапазона частот порядка десяти и более, возникает проблема стабилизации параметров антенн, размещенных на металлической платформе. За счет интерференции и дифракции на металлической платформе происходит существенное нарушение монотонности диаграмм направленности (ДН) антенн, появляется изрезанность ДН, нарушение их поляризационных характеристик, что приводит к невыполнению технических требований к антенной системе.

Нанесение на металлическую платформу сверхширокополосного РПП с малым коэффициентом отражения позволило бы значительно снизить вышеуказанные негативные явления и стабилизировать характеристики антенн.

Известны широкополосные магнитные поглотители компании Cuming Microwave Corporation (СВЧ материалы и изделия. Подборка материалов фирмы Cuming Microwave Corporation. Технические бюллетени 310-3, 310-6). Поглотители С-RAM X & Ku Dual Band, C-RAM S & X Dual Band и C-RAM S, X & Ku Tri Band предназначены для использования в разных диапазонах частот. Поглотители обеспечивают коэффициент отражения меньше минус 20 дБ в центре заданного диапазона частот, между диапазонами коэффициент отражения составляет минус 12-15 дБ; коэффициент отражения трехдиапазонного поглотителя между S и X диапазонами равен минус 8 дБ. Толщина поглотителя зависит от диапазона частот и изменяется от 4,8 мм до 7,9 мм.

Другой гибкий широкополосный магнитный СВЧ-поглотитель C-RAM FFS-125 имеет коэффициент отражения приблизительно минус 10 дБ в диапазоне частот 2-12 ГГц. Толщина поглотителя равна 3,2 мм.

Известно многослойное РПП РАН-67 (ТУ 225730-109-29012159-2012, Федеральное государственное бюджетное учреждение Российской академии наук, Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН). Покрытие имеет коэффициент отражения минус 10 дБ в диапазоне частот 6-22 ГГц, в диапазоне частот 8-18 ГГц коэффициент отражения не более минус 15 дБ. Толщина покрытия 3,8-4,2 мм. Данные магнитные поглотители и РПП имеют небольшую толщину, удовлетворительный коэффициент отражения, но сравнительно небольшой коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот от 2 до 6, что недостаточно для сверхширокополосных антенных систем.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к сверхширокополосному РПП является радиопоглощающее покрытие РАН-79 (ТУ 225739-130-29012159-2015, Федеральное государственное бюджетное учреждение Российской академии наук, Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН). Покрытие РАН-79 при толщине 10-11 мм имеет коэффициент отражения в диапазоне частот 1,2-2,5 ГГц не более минус 8 дБ, в диапазоне частот 2,5-24 ГГц не более минус 10 дБ. Коэффициент перекрытия рабочего диапазона покрытия РАН-79 равен 9,6, а по уровню коэффициента отражения минус 8 дБ - 20.

Целью настоящего изобретения является разработка тонкого, не более 12 мм, радиопоглощающего покрытия, работающего в сверхшироком диапазоне частот с более чем тридцатикратным перекрытием по частоте с коэффициентом отражения не более минус 10 дБ.

Указанная цель достигается тем, что сверхширокополосное радиопоглощающее покрытие выполнено в виде семислойного покрытия на основе ферромагнитных металлополимероматричных композиционных материалов, слои которого имеют различную толщину: первый слой - от 2,0 до 3,0 мм, второй слой - от 1,0 до 1,5 мм, третий слой - от 1,0 до 2,0 мм, четвертый слой - от 3,0 до 4,0 мм, пятый слой - от 2,0 до 3,0 мм, шестой слой - от 1,0 до 1,5 мм, седьмой слой - от 0,1 до 0,5 мм. При этом в каждом из первых пяти слоев в качестве наполнителя используется комплекс ферромагнитных частиц с различными формами и размерами:

- в первом слое (частицы чешуйчатой формы) от 5 до 25 мкм;

- во втором слое (частицы чешуйчатой формы) от 3 до 10 мкм;

- в третьем слое (частицы сфероидальной формы) от 1 до 5 мкм;

- в четвертом слое (частицы сфероидальной формы) от 1 до 5 мкм;

- в пятом слое (частицы сфероидальной формы) от 1 до 5 мкм.

Шестой слой покрытия является согласующим диэлектрическим слоем с пониженной диэлектрической проницаемостью, достигаемой за счет введения в полимерную матрицу стеклянных микросфер. Седьмой диэлектрический слой покрытия с малой толщиной является дополнительным согласующим слоем для высокочастотной области спектра и представляет собой полимерную матрицу с реологическими добавками.

Соотношение компонентов в каждом слое следующее:

- в первом слое:

полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 75 до 150 в.ч.,

- во втором слое: полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 350 до 450 в.ч.,

- в третьем слое: полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 450 до 600 в.ч.,

- в четвертом слое: полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 150 до 250 в.ч.,

- в пятом слое: полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 50 до 150 в.ч.

- в шестом слое:

полимер - 100 в.ч.,

стеклянные микросферы от 10 до 30 в.ч.

- в седьмом слое:

полимер - 100 в.ч.,

реологические добавки от 150 до 250 в.ч.

Каждый слой покрытия, имеющий различные концентрации ферромагнитных и диэлектрических наполнителей, обладает разными значениями эффективной комплексной диэлектрической (ε'+iεʺ) проницаемости и магнитной (μ'+iμʺ) проницаемости, приведенными в Таблице 1. В крайнем правом столбце таблицы приведены расчетные значения коэффициента отражения (КО) одного (первого), двух, трех, четырех, пяти, шести и семи слоев покрытия на металлической подложке при нормальном падении электромагнитной волны.

Коэффициент отражения от n-слойного РПП на металлической подложке рассчитывается по формуле:

где - входной импеданс на передней поверхности последнего слоя,

- нормальный импеданс слоя, n-слоя,

- набег фазы в n-м слое толщиной d_n,

λ - длина электромагнитной волны,

μ_n и ε_n - комплексная магнитная и диэлектрическая проницаемость n-го слоя.

В таблице все приведенные левые значения соответствуют нижней части рабочего диапазона, а правые - верхней части.

Значительное ступенчатое снижение диэлектрической проницаемости от первого к шестому слою в 55÷43 раз при плавном снижении магнитной проницаемости от второго к шестому слою обеспечивает плавное снижение коэффициента отражения при оптимальном подборе толщин слоев покрытия. Сложная частотная дисперсия магнитной проницаемости слоев покрытия в совокупности с плавной дебаевской частотной зависимостью диэлектрической проницаемости слоев обеспечивают условия для ступенчатого уменьшения импеданса слоев покрытия от верхнего слоя к металлической подложке, что позволяет получить низкие значения коэффициента отражения такого градиентного РПП в сверхшироком диапазоне частот. При толщине РПП не более 12 мм обеспечивается коэффициент отражения не более минус 10 дБ в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн с более чем тридцатикратным перекрытием по частоте.

Типичная частотная зависимость коэффициента отражения РПП при нормальном падении ЭМВ приведена на рисунке 1.

Такое тонкое сверхширокополосное РПП с удовлетворительным коэффициентом отражения вполне пригодно для широкого применения в современных изделиях. Для подтверждения данного заключения была проведена проверка влияния РПП на диаграммы направленности (ДН) сверхширокополосной спиральной антенны, расположенной в центре металлической платформы размером 420×420 мм. Диаграммы направленности антенны измерялись на металлической платформе без покрытия и с покрытием в диапазоне частот 1,2÷40 ГГц. По измеренным диаграммам направленности определялась их изрезанность, как

где P - уровень измеренной ДН для угла, на котором определяется изрезанность,

P_ср - уровень усредненной ДН для угла, на котором определяется изрезанность.

Изрезанность ДН антенны на металлической платформе без РПП в секторе углов падения ЭМВ ±60° достигает 4÷6 дБ.

РПП значительно уменьшает изрезанность ДН антенны. При горизонтальной поляризации падающей ЭМВ величина изрезанности во всем диапазоне частот не превышает 0,8 дБ. При вертикальной поляризации изрезанность в основном не более 1 дБ, за исключением узкого участка диапазона частот от 15 до 17 ГГц, где изрезанность увеличивается до 1,5 дБ.

Покрытие наносят на поверхность металлической платформы методом пневматического напыления. Оно может эксплуатироваться в интервале температур от минус 60°C до плюс 180°C, стойко к воздействию солнечной радиации и воды.

В итоге разработано тонкое не более 12 мм или 0,05 λ_ниж, где λ_ниж - длина волны, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона, радиопоглощающее покрытие, работающее в сверхшироком диапазоне частот с перекрытием по частоте более 30 и коэффициентом отражения не более минус 10 дБ.

Использование РПП в составе системы сверхширокополосных спиральных антенн позволило уменьшить изрезанность диаграмм направленности сверхширокополосных спиральных антенн, размещенных на металлической платформе, до уровня 1,0-1,5 дБ, обеспечить работоспособность системы сверхширокополосных спиральных антенн в рамках технических требований.

Сверхширокополосное радиопоглощающее покрытие, выполненное в виде многослойного металлополимероматричного композиционного материала, отличающееся тем, что слои выполнены различной толщины:

- первый слой - от 2,0 до 3,0 мм,

- второй слой - от 1,0 до 1,5 мм,

- третий слой - от 1,0 до 2,0 мм,

- четвертый слой - от 3,0 до 4,0 мм,

- пятый слой - от 2,0 до 3,0 мм,

- шестой слой - от 1,0 до 1,5 мм,

- седьмой слой - от 0,1 до 0,5 мм,

при этом в каждом слое в качестве наполнителя используется комплекс ферромагнитных и диэлектрических частиц с различными формами и размерами:

- в первом слое (ферромагнитные частицы чешуйчатой формы) от 5 до 25 мкм;

- во втором слое (ферромагнитные частицы чешуйчатой формы) от 3 до 10 мкм;

- в третьем слое (ферромагнитные частицы сфероидальной формы) от 1 до 5 мкм;

- в четвертом слое (ферромагнитные частицы сфероидальной формы) от 1 до 5 мкм;

- в пятом слое (ферромагнитные частицы сфероидальной формы) от 1 до 5 мкм,

- в шестом слое (диэлектрические частицы сфероидальной формы) от 3 до 20 мкм,

- в седьмом слое (диэлектрические частицы сфероидальной формы) от 10 нм до 10 мкм.

при следующем соотношении компонентов в каждом слое:

- в первом слое:

полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 75 до 150 в.ч.,

- во втором слое:

полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 350 до 450 в.ч.,

- в третьем слое:

полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 450 до 600 в.ч.,

- в четвертом слое:

полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 150 до 250 в.ч.,

- в пятом слое:

полимер - 100 в.ч.,

ферромагнитный наполнитель от 50 до 150 в.ч.

- в шестом слое:

полимер - 100 в.ч.,

диэлектрический наполнитель от 10 до 30 в.ч.

- в седьмом слое:

полимер - 100 в.ч.,

диэлектрический наполнитель от 150 до 250 в.ч.