Лабораторная работа № 3 .

Радиопоглощающие материалы.

1 Цель работы

1) ознакомление с типами и конструкцией радиопоглощающих материалов

2) исследование характеристик радиопоглощающих материалов.

2 Введение

Электромагнитное поле (ЭПМ) рассматривается как совокупность электрического и магнитного полей, находящихся во взаимной зависимости и описывается системой уравнений Максвелла.

Электромагнитные свойства любого материала или среды описываются параметрами магнитной и диэлектрической проницаемости  и  . в общем случае эти характеристики являются комплексными величинами.

где мнимые части и характеризуют электрические и магнитные потери на поглощение в материале (плотность потоков проводимости), а действительные и - описывают интенсивность процесса поляризации;

- мнимая величина.

Соотношение между действительной и мнимой частями комплексной диэлектрической проницаемости часто описывают с помощью угла диэлектрических потерь , используя значение его тангенса:

где  - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

Ф/м – диэлектрическая постоянная.

Чем больше угол диэлектрических потерь, тем большая доля электромагнитной энергии рассеивается в виде тепловой энергии при протекании токов проводимости. Проводимость диэлектрика связана с диссипацией энергии, как из-за перемещения носителей зарядов, так и из-за дисперсии (переориентация диполей, например).

Для характеристики однородного пространства по отношению к плоской волне используют параметр волнового (характеристического) сопротивления, определяемой отношением амплитуд напряженности электрической и магнитной составляющих поля:

где - относительная магнитная проницаемость среды;

Г/м – магнитная постоянная.

При нормальном падении электромагнитной волны на плоскую границу раздела двух сред с различными волновыми сопротивлениями происходит частичное отражение и частичное проникновении энергии ЭМП во вторую среду. Чем выше разница волновых сопротивлений сред, тем больше доля энергии волны, отражается от границы из раздела. Коэффициент отражения при этом равен:

где - волновое сопротивление первой и второй сред соответственно.

   Радиопоглощающие материалы это неметаллические материалы, состав и структура которых обеспечивают эффективное поглощение (при незначительном отражении) электромагнитной энергии в определённом диапазоне длин радиоволн. Распространяясь в объеме этих материалов, электромагнитное излучение (ЭМИ) создает переменное электрическое поле, энергия которого преобразуется в тепловую энергию в радиопоглощающих материалах практически полностью.

Радиопоглощающие материалы используют для уменьшения эффективной отражающей поверхности наземных и морских объектов и летательных аппаратов с целью их противолокационной маскировки, для оборудования испытательных камер, в которых исследуются антенные устройства, для поглощения электромагнитной энергии в оконечных и др. поглощающих элементах СВЧ устройств и т.д.    При взаимодействии электромагнитного излучения с радиопоглощающим материалом в последних имеют место поглощение (диэлектрические и магнитные потери), рассеяние (вследствие структурной неоднородности радиопоглощающих материалов) и интерференция радиоволн .    Немагнитные радиопоглощающие материалы подразделяют на интерференционные, градиентные и комбинированные.

Наиболее простые радиопоглощающие материалы интерференционного типа представляют собой четвертьволновой поглощающий слой, нанесенный на металлический экран. Электромагнитная волна, проходя через четвертьволновой слой, отражается от металла и выходит на его поверхность со сдвигом фазы на 180⁰ относительно волны, отраженной непосредственно от поверхности РПМ. При интерференции волны взаимно гасят друг друга и отражение от материала незначительно. Однако при изменении длины волны или угла падения волны на материал сдвиг фаз волн, отраженных от двух поверхностей четвертьволнового слоя, будет отличатся от 180⁰ и материал начнет заметно отражать падающие волны.

Более сложные интерференционные радиопоглощающие материалы состоят из чередующихся диэлектрических и проводящих слоев. В них интерферируют между собой волны, отразившиеся от электропроводящих слоев и от металлической поверхности защищаемого объекта. В радиопоглощающих материалах и конструкциях наряду с диэлектрическими и магнитными потерями имеют место дисперсия, дифракция, интерференция и полное внутреннее отражение радиоволн, вызывающие дополнительно ослабление энергии ЭМИ вследствие рэлеевского рассеяния, сложения волн в противофазе и др.

   Основу радиопоглощающих материалов составляют органические или неорганические (гл. обр. оксиды и нитриды) вещества, в которые в качестве активной поглощающей компоненты вводят порошки графита, металлов и их карбидов.   Градиентные радиопоглощающие материалы (наиболее обширный класс) имеют многослойную структуру с плавным или ступенчатым изменением комплексной диэлектрической проницаемости по толщине (обычно по гиперболическому закону). Их толщина сравнительно велика и составляет > 0,12—0,15 _макс, где _макс — максимальная рабочая длина волны. Внешний (согласующий) слой изготавливают из твёрдого диэлектрика с большим содержанием воздушных включений (пенопласт и др.), с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице, остальные (поглощающие) слои — из диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (стеклотекстолит и др.) с поглощающим проводящим наполнителем (сажа, графит и т.п.). ). Описанная структура способствует минимальному отражению радиоволн от поверхности и увеличению их поглощения по мере проникновения в глубь материала..    Для того, чтобы радиопоглощающий материал поглощал электромагнитные волны в широком диапазоне частот и углов падения волны и мало отражал, необходимо выполнить два противоречивых условия:

1. РПМ должен хорошо быть согласован со «свободным пространством», с тем, чтобы на границе материала отражение было минимально и энергия падающей волны максимально проходила внутрь материала.

2. Энергия волны, прошедшей в материал, должна им поглотиться.

Существует несколько способов удовлетворения этих требований, а именно, создание градиентных и шиповидных РПМ.

Градиентные радиопоглощающие материалы имеют многослойную структуру с плавным или ступенчатым изменением комплексной диэлектрической проницаемости по толщине (обычно по гиперболическому закону). Их толщина сравнительно велика и составляет > 0,12—0,15 _макс, где _макс — максимальная рабочая длина волны. Внешний (согласующий) слой изготавливают из твёрдого диэлектрика с большим содержанием воздушных включений (пенопласт и др.), с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице, остальные (поглощающие) слои — из диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (стеклотекстолит и др.) с поглощающим проводящим наполнителем (сажа, графит и т.п.). ). Описанная структура способствует минимальному отражению радиоволн от поверхности и увеличению их поглощения по мере проникновения в глубь материала.. Многослойный РПМ содержит несколько слоев с различными электрическими потерями в каждом из них, причем потери по мере увеличения толщины материала возрастают. Технологической разновидностью такого материала является РПМ, у которого по толщине постепенно увеличивается содержание частиц, вызывающих электрические потери. Минимальная толщина широкодиапазонных многослойных РПМ составляет /4.

Шиповидный РПМ отличается тем, что его поверхность имеет форму шипов, пирамид или конусов, вершины которых направлены навстречу падающей электромагнитной волне. Разновидностью этого материала является плоский радиопрозрачный материал, внутри которого вмонтированы шиповидные вставки или полости с поглощающей структурой. Для уменьшения отражения от РПМ шипам придают специальную, например экспоненциальную, а их поверхности зубчатую форму. Со времени разработки шиповидных материалов, выполненных в виде четырехгранных пирамид, до настоящего времени их применяют для облицовки высококачественных БЭК.

Радиопоглощающие материалы пирамидальной формы хорошо согласованы со «свободным пространством» и имеют высокие радиотехнические характеристики. У современных РПМ этого типа при толщине 1…10 коэффициент отражения в области коротких миллиметровых и сантиметровых волн составляет –40…–50 дБ. Такая высокая эффективность работы пирамидальных РПМ в области коротких волн объясняется тем, что электромагнитная волна, упавшая на пирамиды, претерпевает многократное переотражение между стенками пирамид, прежде чем отразится в обратном направлении. Число переотражений тем больше, чем меньше угол при вершине пирамиды. Этот материал имеет малый коэффициент отражения в широком диапазоне частот, однако с увеличение угла падения электромагнитной волны на такой материал коэффициент отражения начинает увеличиваться, что особенно заметно, если угол падения превышает 50 … 60⁰.

Минимальна толщина шиповидного РПМ составляет /3.

Созданы пирамиды высотой 4,6 м. Следовательно, БЭК, покрытые таким РПМ, могут эффективно работать в области низких частот вплоть до 30 МГц.

Рассеивающие радиопоглощающие материалы обеспечивают многократное отражение и рассеяние волн. Изделия из них чаще всего полые пирамидальные конструкции из пенополистирола, внутренние стенки которых покрыты графитом, или трубы из стеклопластиков, покрытые снаружи слоем SiC.    Ферритовые материалы, отличающиеся большими магнитными потерями, характеризуются высокой поглощающей способностью, что позволяет использовать их в виде облегченных элементов, например тонкослойных (до 0,2 мм) покрытий из FeO·Fe2O3 или МnО·Fe2 O3 с эпоксидным связующим, или плиток, смонтированных на металлическом листе и защищенных стеклотканью или слоем пластмассы. Группу магнитных радиопоглощающих материалов составляют ферритовые материалы, отличающиеся большими магнитными потерями, которые характеризуются высокой поглощающей способностью, что позволяет использовать их в виде облегченных элементов, например тонкослойных (до 0,2 мм) покрытий из FeO·Fe2O3 или МnО·Fe2 O3 с эпоксидным связующим, или плиток, смонтированных на металлическом листе и защищенных стеклотканью или слоем пластмассы. Основные электродинамические характеристики радиопоглощающих материалов: коэффициент отражения и его зависимость от угла падения электромагнитных волн