поглотитель электромагнитных волн
Классы МПК: | H01Q17/00 Устройства для поглощения излучаемых антенной волн; комбинированные конструкции из таких устройств с активными антенными элементами или системами |
Автор(ы): | Зайцева Нина Васильевна (RU), Коробейников Герман Васильевич (RU), Кохнюк Данил Данилович (RU), Иванова Любовь Николаевна (RU), Славин Виталий Вадимович (RU), Кузнецов Павел Алексеевич (RU), Маренников Никита Владимирович (RU), Семененко Владимир Николаевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-02-01 публикация патента:
10.03.2011 |
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к поглотителям электромагнитных волн. Технический результат заключается в получении поглотителя электромагнитных волн для сверхширокополосных антенн, работоспособного в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот наряду с технологичностью его изготовления. Сущность изобретения заключается в том, что в поглощающем составе, состоящем из эпоксидно-эластомерного связующего, распределен нанокристаллический порошок, представляющий собой частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой, с размером частиц от 1 до 50 мкм, содержащий также нанокристаллы соединений -(Fe, Si) объемной плотностью (2,8÷2,9)·10 -5 1/нм3, в приведенном в формуле соотношении, в масс.ч.: эпоксидный эластомер - 100 отвердитель - 8, нанокристаллический порошок - 300-600. 2 ил., 1 табл.
Формула изобретения
Поглотитель электромагнитных волн, состоящий из эпоксидно-эластомерного связующего, в котором распределен магнитный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве наполнителя выбран нанокристаллический порошок, представляющий собой частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой и размером частиц от 1 до 50 мкм, содержащий нанокристаллы соединения -(Fe, Si) объемной плотностью (2,8÷2,9)·10 -5 1/нм3 при следующем соотношении компонентов поглотителя, мас.ч.:
эпоксидный эластомер | 100 |
отвердитель | 8 |
нанокристаллический порошок | 300÷600 |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к поглотителям электромагнитных волн, и может быть использовано в сверхширокополосных антеннах, работающих в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот.
Поглотители электромагнитных волн предназначены для поглощения электромагнитной энергии в конструкциях сверхширокополосных антенн, уменьшения паразитных отражений от проводящих объектов, расположенных вблизи антенн, обеспечения монотонности формы диаграммы направленности антенны, обеспечения стабильности радиотехнических характеристик антенн наряду с технологичностью их изготовления в серийном производстве.
Для СВЧ-техники широко применяются серийно выпускаемые поглотители электромагнитных волн (ПЭВ) марки ПМ-3,2, ПМ-10, ПМ-24, содержащие карбонильное железо Р-10 (ТУ 2531-002-10492330-2000 «Пластины эластичные магнитодиэлектрические марок ПМ»). Недостатками данных поглотителей являются нестабильность коэффициента отражения и разброс по толщине пластин, поставляемых в готовом виде, например, от 1,83 до 2,03 мм для ПМ-3.2 - фактические данные по анализу готовой продукции, потери материала вследствие механической обработки пластин, а также большая трудоемкость изготовления изделий, имеющих различную кривизну поверхности.
Известен композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения (патент РФ № 2324989, 2006 г.), состоящий из полимерной основы, в которой распределены частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B или Co-Fe-Ni-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой и размером от 1 до 100 мкм. При этом частицы сплава содержат нанокристаллы соединений -(Fe, Si) или -Co объемной плотностью (0,6÷1,4)·10-5 1/нм3. Целью данного технического решения является повышение магнитной проницаемости µ и, как следствие, увеличение коэффициента экранирования. Техническое решение не содержит сведений об использовании указанного композиционного материала как радиопоглощающего. В статье «Наноматериалы конструкционного и функционального класса» (Рыбин В.В. и др., «Вопросы материаловедения», 2006 г., № 1 (45), с.169-178) указано, что перспектива использования нанокристаллических магнитных материалов при создании радиопоглощающих материалов (РПМ), работающих в диапазоне частот свыше 1 МГц определяется тем, что при таких частотах вклад в магнитные свойства ферромагнетиков осуществляется не за счет смещения границ доменов, а за счет вращения векторов намагниченности, так как в кристаллических ферромагнетиках размеры доменов велики, то процесс вращения векторов намагниченности затруднен. Этих недостатков лишены нанокристаллические магнитомягкие сплавы, представляющие собой набор нанокристаллов -Fe или -(Fe, Si), находящихся в суперпарамагнитном состоянии и расположенных в остаточной аморфной матрице. Высокочастотные магнитные свойства этих сплавов будут определяться вращением векторов намагниченности нанокристаллов,
Известно радиопоглощающее покрытие для антенн (патент РФ № 2369947, H01Q 1/38, 2009 г.) на основе эпоксидного эластомера и карбонильного железа, которое имеет высокую адгезию, прочность, технологичность и приемлемые радиотехнические характеристики. Однако данное техническое решение не используется как радиопоглощающее покрытие для сверхширокополосных антенн.
Целью данного изобретения является разработка поглотителя электромагнитных волн для сверхширокополосных антенн, работоспособного в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот наряду с технологичностью его изготовления.
Указанная цель достигается тем, что в поглощающем составе, состоящем из эпоксидно-эластомерного связующего, распределен нанокристаллический порошок, представляющий собой частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой и размером частиц от 1 до 50 мкм с содержанием в частицах сплава нанокристаллов соединений -(Fe, Si) объемной плотностью (2,8÷2,9)·10 -5 1/нм3 в следующем соотношении в масс.ч.:
эпоксидный эластомер | 100 |
отвердитель | 8 |
нанокристаллический порошок | 300-600 |
На фиг.1 изображена частотная зависимость коэффициента отражения поглотителя толщиной 0,02 с различным содержанием массовых частей нанокристаллического порошка и поглотителя из радиопоглощающего материала марки ПМ-24.
На фиг.2 изображена частотная зависимость коэффициента отражения поглотителя толщиной 0,12 с различным содержанием массовых частей нанокристаллического порошка и поглотителя из радиопоглощающего материала марки ПМ-3,2.
Выбор полимерной матрицы определяется эксплуатационными и технологическими характеристиками.
Изменение процентного содержания нанокристаллического порошка, в разработанном поглощающем составе толщиной, например, 0,12÷0,02 , где - длина волны для диапазона, в котором работает конкретный поглотитель, позволило получить требуемое поглощение в расширенных участках рабочего диапазона частот.
Сравнительные характеристики физико-механических свойств исследованных радиопоглощающих материалов приведены в таблице.
Показатели | ПМ-3,2 | Радиопоглощающее покрытие для антенн | Поглотитель ЭМВ с нанокристаллическим порошком |
Номинальный удельный вес, гр./см3 | 2,84 | 2,72 | 2,98-3,49 |
Номинальная толщина, мм | 1,83 | 1 2 | 2 6 |
Прочность при разрыве, кгс/см2, не менее | 35 | 200 | 200 |
Магнитная проницаемость | 1.23 | 1,15 | 0,65-4 |
Диэлектрическая проницаемость | 10,21 | 11,07 | 12,5 21 |
Для проверки радиотехнических характеристик были изготовлены поглощающий состав 1 и поглощающий состав 2 со следующим соотношением компонентов, масс.ч.:
Состав 1 | Состав 2 | |
эпоксидный эластомер | 100 | 100 |
отвердитель | 8 | 8 |
нанокристаллический порошок | 300 | 60 |
Далее изготовлены образцы поглотителей толщиной соответственно 0,12 , и 0,02 и проверены их радиотехнические характеристики.
На графиках фиг.1 и фиг.2 представлены зависимости коэффициента отражения R (дБ) от частоты f (ГГц) поглотителей с различным содержанием нанокристаллического порошка и поглотителей из радиопоглощающих материалов ПМ-24 и ПМ-3,2 в нижнем и верхнем участках рабочего диапазона частот сверхширокополосной антенны.
Из графиков на фиг.1 видно, что увеличение масс.ч. нанокристаллического порошка в составе образцов поглотителя толщиной, например 0,02 смещает минимум коэффициента отражения в область более низких частот. Использование поглотителя на основе нанокристаллического порошка с содержанием 600 масс.ч. в составе сверхширокополосной антенны позволило расширить ее рабочий диапазон частот в сторону более низких частот на 30% по сравнению с известным поглотителем из радиопоглощающего материала ПМ-24, использовавшимся в антенне ранее.
Из графиков, представленных на фиг.2, видно, что образец поглотителя толщиной, например 0,12 с содержанием нанокристаллического порошка 300 масс.ч. имеет минимальный коэффициент отражения на частоте 12,2 ГГц в отличие от образцов из радиопоглощающего материала ПМ-3,2 (А и Б), имеющих минимальный коэффициент отражения в диапазоне частот 8,5-10,7 ГГц. Смещение минимума коэффициента отражения в область более высоких частот позволило обеспечить монотонность формы диаграммы направленности сверхширокополосной антенны на частотах 11÷12 ГГц, имевшей на указанных частотах при использовании радиопоглощающего материала ПМ-3,2 провалы в диаграммах направленности.
Таким образом, при использовании поглотителей, в состав которых введен нанокристаллический порошок, в отличие от известных РПМ выявлена возможность обеспечения монотонности формы диаграммы направленности и расширения рабочего диапазона частот сверхширокополосной антенны в область более высоких и более низких частот за счет применения определенного содержания масс.ч. нанокристаллического порошка при выбранной толщине поглотителей.
Поглощающий состав изготовлен следующим образом: в эпоксидно-эластомерное связующее вводится нанокристаллический порошок, предварительно высушенный при температуре 120±10°С в течение 1-2 часов в сушильном шкафу, после чего смесь тщательно перемешивается. Полученную смесь наносят непосредственно на изделие, затем помещают в специальные формы, обеспечивающие требуемую толщину поглотителя, форма закрывается и выдерживается при нормальной температуре 25±10°С в течение 24 часов.
После извлечения из формы изделия с поглотителем до испытаний выдерживаются в нормальных условиях не менее 24 часов. При необходимости поглотитель может подвергаться механической обработке.
Далее были проведены следующие испытания антенн с поглотителем, содержащим нанокристаллический порошок:
- проверка радиотехнических характеристик антенн в нормальных условиях на соответствие техническим требованиям;
- испытание на воздействие циклического изменения температур при температуре -60°С - 2 ч, +85°С - 2 ч, всего 10 циклов;
- испытание на устойчивость при воздействии случайной вибрации на диапазоне частот 5 - 2000 Гц со средним значением суммарного ускорения 12,5 g;
- испытание на вибропрочность и виброустойчивость в диапазоне частот 5 - 2000 Гц с продолжительностью испытаний по 3 мин (вибропрочность) и по 9 ч (виброустойчивость) по осям x, y, z;
- испытание на воздействие повышенной влажности 96-100% при температуре +35-55°С в течение 10 суток;
- испытание на воздействие повышенной температуры +85°С - 2 ч, +120°С - 3 мин;
- испытание на воздействие пониженной температуры -60°С - 2 ч.
После каждого вида испытаний производилась проверка радиотехнических характеристик антенн. Результаты испытаний положительные.
Таким образом, решена поставленная задача получения поглотителей электромагнитных волн для сверхширокополосных антенн, работающих в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот.
Использование поглотителя электромагнитных волн, изготовленного в виде композиционного материала с нанокристаллическим порошком, представляющим собой частицы сплава Fe-Cu-Nb-Si-B с нанокристаллической структурой и размером от 1 до 50 мкм с содержанием в частицах сплава нанокристаллов соединений -(Fe, Si) объемной плотностью (2,8÷2,9)·10 -5 1/нм3 на основе эпоксидно-эластомерного связующего, в антеннах позволило:
- расширить рабочий диапазон частот сверхширокополосных антенн до 30% в области УВЧ;
- обеспечить монотонность формы диаграмм направленности антенн в области СВЧ и КВЧ;
- обеспечить стабильность радиотехнических характеристик антенн;
- улучшить технологичность изготовления поглотителей в антеннах за счет применения прогрессивного метода заливки в форме.
Класс H01Q17/00 Устройства для поглощения излучаемых антенной волн; комбинированные конструкции из таких устройств с активными антенными элементами или системами