RU2110122C1

RU2110122C1 - Superwide-band electromagnetic wave absorber

Info

Publication number: RU2110122C1
Application number: RU97103691A
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Александров; Олег Николаевич Сидоров; Владимир Михайлович ХОХЛОВ
Original assignee: Юрий Константинович Александров; Олег Николаевич Сидоров; Владимир Михайлович ХОХЛОВ
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 1998-04-27

Abstract

FIELD: antenna engineering; equipment for multifunction echoless chambers and shielded locations. SUBSTANCE: absorber is built up of insulating material based on radio-absorbing foam glass, magnetic material of radio-absorbing nickel zinc ferrite. both secured on metal substrate. EFFECT: extended band, reduced size, improved fire-resistance and environmental friendliness. 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике может быть применено для создания поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ), используемых при оснащении многофункциональных безэховых камер (БЭК) и экранированных помещений, обеспечивающих проведение радиотехнических измерений и испытаний технических средств на соответствие нормам и требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС). The invention relates to antenna technology can be used to create absorbers of electromagnetic waves (SEW) used in equipping multifunctional anechoic chambers (BEC) and shielded rooms, providing radio-technical measurements and testing of technical equipment for compliance with the standards and requirements of electromagnetic compatibility (EMC).

В настоящее время в России и за рубежом отсутствует достаточная номенклатура ПЭВ, удовлетворяющая требованиям разработчиков БЭК для ЭМС, что объясняется большими трудностями создания поглотителей, способных успешно функционировать в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц при коэффициенте отражения по мощности в пределах от -12 до -40 дБ. At present, in Russia and abroad there is no sufficient nomenclature of SEWs that meets the requirements of BEC developers for EMC, which is explained by great difficulties in creating absorbers capable of successfully operating in the frequency range from 0.03 to 37.5 GHz with a power reflection coefficient ranging from -12 to -40 dB.

При использовании диэлектрических ПЭВ (т.е. поглотителей, обладающих диэлектрическими потерями) для обеспечения требуемых радиотехнических характеристик необходимо, чтобы высота их шиповидных элементов достигала нескольких метров. Такие размеры ПЭВ значительно сокращают полезный объем камеры и создают большие трудности по креплению данных поглотителей на боковые поверхности и потолок БЭК. When using dielectric sew (i.e. absorbers with dielectric losses), to ensure the required radio technical characteristics, it is necessary that the height of their tenon-like elements reaches several meters. Such dimensions of the sewage system significantly reduce the useful volume of the chamber and create great difficulties in attaching these absorbers to the side surfaces and the ceiling of the BEC.

Ферритовые ПЭВ, у которых поглощение электромагнитной волны осуществляется главным образом за счет магнитных потерь, имеют толщину порядка 6-12 мм и относительно широкий рабочий диапазон частот, однако они обладают значительным коэффициентом отражения, величина которого для отдельных участков частотного диапазона, как правило, на высоких частотах превышает -10 дБ. Ferrite SEWs, in which the absorption of the electromagnetic wave is mainly due to magnetic losses, have a thickness of about 6-12 mm and a relatively wide operating frequency range, however, they have a significant reflection coefficient, the value of which for individual sections of the frequency range, as a rule, at high frequencies exceeding -10 dB.

Комбинация радиопоглощающих материалов с диэлектрическими и магнитными потерями в конструкции ПЭВ до настоящего времени была малоперспективна. Так, например, известен комбинированный поглотитель электромагнитных волн, выполненный на основе ферритовых пластин, на которые устанавливается диэлектрическая сотовая конструкция шахтного типа. На боковые поверхности конструкции методом трафарета нанесены токопроводящие покрытия в виде равнобедренных трапеций. Данный поглотитель имеет сложную технологию изготовления и неудовлетворительные радиотехнические характеристики в диапазоне метровых волн. The combination of radar absorbing materials with dielectric and magnetic losses in the design of sewage systems has so far been unpromising. For example, a combined absorber of electromagnetic waves is known, made on the basis of ferrite plates on which a dielectric honeycomb structure of a shaft type is mounted. Conducting coatings in the form of isosceles trapezoids are applied to the side surfaces of the structure using the stencil method. This absorber has a complex manufacturing technology and unsatisfactory radio technical characteristics in the meter wavelength range.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому поглотителю является многослойный поглотитель электромагнитных волн, состоящий из слоев диэлектрика, магнитного материала и металлической подложки [1]. Поглотитель, принятый за прототип, имеет согласующую клиновидную часть и последующие 4 слоя, выполненные из диэлектрического материала с потерями, причем распределение постоянных затухания электромагнитной волны по этим слоям подчиняется определенному закону. Диэлектрические слои совместно со слоем из магнитного материала с потерями закрепляются на металлической подложке, при этом общая толщина блока поглотителя равна 53 см. При заданном распределении постоянных затухания диэлектрических слоев и магнитных параметров последнего слоя КСВН поглотителя в частотном диапазоне от 0,1 до 5,0 ГГц составляет величину менее 1,2. The closest in technical essence and the achieved result to the claimed absorber is a multilayer absorber of electromagnetic waves, consisting of layers of a dielectric, magnetic material and a metal substrate [1]. The absorber adopted for the prototype has a matching wedge-shaped part and the subsequent 4 layers made of a dielectric material with losses, and the distribution of the attenuation constants of the electromagnetic wave over these layers obeys a certain law. The dielectric layers together with the layer of magnetic material are fixed with losses on a metal substrate, while the total thickness of the absorber block is 53 cm GHz is less than 1.2.

К недостаткам данного технического решения следует отнести: узкий частотный диапазон поглощаемых электромагнитных волн, ограниченный 0,1 -5,0 ГГц и исключающий использование данного поглотителя при оборудовании БЭК для испытаний антенной техники и технических средств на ЭМС; большая толщина поглотителя; использование в конструкции поглотителя материалов, подверженных горению и деструкции в процессе эксплуатации. The disadvantages of this technical solution include: a narrow frequency range of absorbed electromagnetic waves, limited to 0.1 -5.0 GHz and excluding the use of this absorber in BEC equipment for testing antenna equipment and technical means for EMC; large thickness of the absorber; use in the design of the absorber materials susceptible to combustion and destruction during operation.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона поглощаемых электромагнитных волн, уменьшение толщины поглотителя и использование в конструкции ПЭВ высокостабильных, негорючих и экологически чистых материалов. The aim of the invention is to expand the frequency range of absorbed electromagnetic waves, reduce the thickness of the absorber and use highly stable, non-combustible and environmentally friendly materials in the design of sewage systems.

Цель достигается тем, что в известном поглотителе электромагнитных волн для безэховых камер и экранированных помещений, состоящем из слоев диэлектрического и магнитного материалов и металлической подложки, диэлектрический материал представляет собой радиопоглощающее пеностекло с удельным затуханием 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 выполнен из радиопоглощающего никель-цинкового феррита толщиной 8,5-12 мм, что обеспечивает поглотителю коэффициент отражения по мощности в пределах от -12 дБ до -40 дБ в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц.The goal is achieved in that in the well-known absorber of electromagnetic waves for anechoic chambers and shielded rooms, consisting of layers of dielectric and magnetic materials and a metal substrate, the dielectric material is a radio-absorbing foam glass with a specific attenuation of 0.2 - 0.4 dB / cm at a frequency of 4 GHz when the bulk density of not more than 190 kg / m ³ and a thickness of 200 - 350 mm, a magnetic material made of a radio absorbing nickel-zinc ferrite thickness of 8,5-12 mm, which provides absorber reflectance cardinality spine in the range of -12 dB to -40 dB in the frequency range of 0.03 to 37.5 GHz.

Проведенный заявителем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволили выявить отличительные признаки в заявленном решении, следовательно, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "новизна". Дополнительный же поиск, проведенный заявителем, не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а следовательно, предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "существенные отличия". A search by the applicant for patent and scientific and technical sources of information and a prototype selected from the list of analogues made it possible to identify distinctive features in the claimed solution, therefore, the proposed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty." An additional search conducted by the applicant did not find technical solutions having similar features with features that distinguish the claimed solution from the prototype, and therefore, the proposed technical solution meets the criteria of the invention "significant differences".

На чертеже изображен общий вид заявляемого поглотителя электромагнитных волн, используемого для облицовки потолка и боковых поверхностей БЭК (фиг. 1) и пола (фиг. 2), где 1 - диэлектрический материал из радиопоглощающего пеностекла; 2 - магнитный материал из радиопоглощающего феррита; 3 - металлическая подложка. The drawing shows a General view of the inventive absorber of electromagnetic waves used for facing the ceiling and side surfaces of the BEC (Fig. 1) and floor (Fig. 2), where 1 is a dielectric material from radar absorbing foam; 2 - magnetic material of radar absorbing ferrite; 3 - metal substrate.

Диэлектрический материал представляет собой радиопоглощающее пеностекло, получаемое вспениванием порошкообразного алюмосиликатного стекла с газообразователем сажей ПМ-30, одновременно выполняющим роль поглощающего компонента. В зависимости от концентрации поглощающего компонента удельное затухание пеностекла может изменяться от 0,1 до 5,0 дБ/см на частоте 4 ГГц, что представляет большие возможности для определения оптимальных параметров диэлектрического материала в конструкции ПЭВ. К достоинствам радиопоглощающего пеностекла следует также отнести высокую стабильность его радиотехнических характеристик в течение неограниченного времени и полное отсутствие выделений вредных веществ в процессе эксплуатации. The dielectric material is a radio-absorbing foam glass obtained by foaming powdery aluminosilicate glass with a soot-forming agent PM-30, simultaneously acting as an absorbing component. Depending on the concentration of the absorbing component, the specific attenuation of the foam glass can vary from 0.1 to 5.0 dB / cm at a frequency of 4 GHz, which presents great opportunities for determining the optimal parameters of the dielectric material in the construction of the SEW. The advantages of radio-absorbing foam glass should also include the high stability of its radio technical characteristics for unlimited time and the complete absence of emissions of harmful substances during operation.

Магнитный материал выполняется в виде ферритовых пластин, изготовляемых из твердых растворов феррита никеля и феррита цинка (NiO FeO₄ - ZnO Fe₂O₄), которые получаются в результате спекания ферритового порошка, имеющего состав Ni_0?36Zn_0?64Fe₂O₄, известного под маркой 600 НН. Оптимальный термический режим спекания пластин происходит при температуре 1180-1200^oC и изотермической выдержке 5 ч. Спекание ферритовых пластин сопровождается деформацией и усадкой, величины которых заложены в технологический процесс изготовления. Для уменьшения коэффициента отражения, особенно в низкочастотном диапазоне электромагнитных волн, размеры ферритовых пластин должны быть максимальными, однако они ограничены технологическими возможностями изготовления.The magnetic material is made in the form of ferrite plates made of solid solutions of nickel ferrite and zinc ferrite (NiO FeO ₄ - ZnO Fe ₂ O ₄ ), which are obtained by sintering a ferrite powder having a composition of Ni _{0? 36} Zn _{0? 64} Fe ₂ O ₄ , known under the brand name 600 NN. The optimal thermal mode of sintering of the plates occurs at a temperature of 1180-1200 ^o C and isothermal exposure of 5 hours. Sintering of ferrite plates is accompanied by deformation and shrinkage, the values of which are incorporated into the manufacturing process. To reduce the reflection coefficient, especially in the low-frequency range of electromagnetic waves, the dimensions of the ferrite plates should be maximum, however, they are limited by the technological capabilities of manufacturing.

Диэлектрический и магнитный материал закрепляется в блок на металлической подложке при помощи клея типа "Гермосур" или 88, образуя панель поглотителя, которая механическим путем закрепляется на рабочей поверхности БЭК. The dielectric and magnetic material is fixed in a block on a metal substrate using glue like "Germosur" or 88, forming an absorber panel, which is mechanically fixed on the BEC working surface.

Заявляемый поглотитель электромагнитных волн представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из диэлектрического, магнитного материалов и металлической подложки, необходимой для создания на своей поверхности максимальной величины напряженности магнитного поля, в котором и располагаются ферритовые пластины, обладающие большими магнитными потерями. В общем случае ферромагнитные материалы имеют значительные магнитные потери вблизи своей резонансной частоты, зависящей в свою очередь от диэлектрических и магнитных параметров и толщины получаемых ферритовых пластин. Для данного технического решения состав и толщина магнитного материала определены таким образом, чтобы коэффициент отражения имел минимальную величину на низких частотах (табл. 1). The inventive absorber of electromagnetic waves is a three-layer structure consisting of dielectric, magnetic materials and a metal substrate, necessary to create on its surface the maximum value of the magnetic field strength, in which ferrite plates with large magnetic losses are located. In the general case, ferromagnetic materials have significant magnetic losses near their resonant frequency, which in turn depends on the dielectric and magnetic parameters and the thickness of the resulting ferrite plates. For this technical solution, the composition and thickness of the magnetic material are determined so that the reflection coefficient has a minimum value at low frequencies (table. 1).

Из табл. 1 видно, что данный ферритовый поглотитель имеет при толщине пластин от 8,5 до 12 мм коэффициент отражения менее -12 дБ в диапазоне частот от 0,03 до 0,75 ГГц и более -12 дБ на частотах свыше 0,75 ГГц. From the table. Figure 1 shows that this ferrite absorber has a wafer thickness of 8.5 to 12 mm and a reflection coefficient of less than -12 dB in the frequency range from 0.03 to 0.75 GHz and more than -12 dB at frequencies above 0.75 GHz.

Для решения задачи по разработке поглотителя электромагнитных волн, успешно функционирующего во всем диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц, необходимо было разработать такой диэлектрический поглощающий материал, который при определенных электрофизических параметрах и толщине имел бы малый коэффициент отражения на высоких частотах, был бы радиопрозрачным на низких частотах и имел бы при взаимодействии с ферритовым поглотителем удовлетворительные радиотехнические характеристики в средней полосе частот. To solve the problem of developing an electromagnetic wave absorber that successfully operates in the entire frequency range from 0.03 to 37.5 GHz, it was necessary to develop such a dielectric absorbing material that, with certain electrophysical parameters and thickness, would have a small reflection coefficient at high frequencies, was would be radio-transparent at low frequencies and would have satisfactory radio characteristics in the middle frequency band when interacting with a ferrite absorber.

За основу диэлектрического материала было выбрано негорючее, экологически чистое пеностекло, обладающее малой объемной плотностью (160-190 кг/м³), имеющее достаточную механическую прочность (порядка 10 кгс/см) для изготовления согласующих элементов различной геометрической формы, и отработанный технологический процесс изготовления, позволяющий плавно изменять радиопоглощающие свойства структуры.Non-combustible, environmentally friendly foam glass having a low bulk density (160-190 kg / m ³ ), having sufficient mechanical strength (of the order of 10 kgf / cm) for the manufacture of matching elements of various geometric shapes, and a well-established manufacturing process were chosen as the basis of the dielectric material. , allowing you to smoothly change the radar absorbing properties of the structure.

После проведения теоретических и экспериментальных исследований была определена базовая конструкция ПЭВ, основные геометрические размеры которой приведены на фиг. 1 и которая состоит из:
- диэлектрического материала, имеющего плоскую форму или в виде клиновидных элементов из радиопоглощающего пеностекла с удельным затуханием 0,2 - 0,4 дБ/см на частоте 4 ГГц при объемной плотности не более 190 кг/м³ и толщиной 200-350 мм.After carrying out theoretical and experimental studies, the basic design of the SEW was determined, the main geometric dimensions of which are shown in FIG. 1 and which consists of:
- a dielectric material having a flat shape or in the form of wedge-shaped elements of radar absorbing foam glass with a specific attenuation of 0.2 - 0.4 dB / cm at a frequency of 4 GHz with a bulk density of not more than 190 kg / m ³ and a thickness of 200-350 mm.

- магнитного материала, изготовленного в виде пластин из никель-цинкового феррита размерами 100x100 мм и толщиной 8,5-12 мм;
- металлической подложки из листовой стали размерами 500x500 мм и толщиной 3 мм.- magnetic material made in the form of plates of nickel-zinc ferrite with dimensions of 100x100 mm and a thickness of 8.5-12 mm;
- a metal substrate of sheet steel with dimensions of 500x500 mm and a thickness of 3 mm.

Радиотехнические характеристики оптимальных вариантов ПЭВ приведены в табл. 2. The radio characteristics of the optimal options for sew are given in table. 2.

Приведенные примеры конкретных вариантов конструкций поглотителя, отличающиеся между собой радиотехническими характеристиками, весом (от 65 до 105 кг/м² и назначением (для облицовки пола, потолка и боковых поверхностей БЭК), свидетельствуют о разработке заявителями сверхширокодиапазонного ПЭВ, который по совокупности радиотехнических, конструкционных, пожаробезопасных и экологических характеристик и свойств не имеет в настоящее время отечественных и зарубежных аналогов.The given examples of specific options for the design of the absorber, which differ in radio characteristics, weight (from 65 to 105 kg / m ² and purpose (for facing the floor, ceiling and side surfaces of the BEC), indicate the development by applicants of an ultra-wide-range PEV, which is a combination of radio engineering, structural , fireproof and environmental characteristics and properties currently has no domestic and foreign analogues.

Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения имеют место и основываются на следующем. Technical and economic advantages of the proposed technical solution take place and are based on the following.

Во-первых, за счет улучшения радиотехнических показателей ПЭВ повышается качество и снижается себестоимость затрат проведения в одном помещении (камере) испытаний антенной техники и технических средств на соответствие нормам и требованиям по ЭМС. Firstly, due to the improvement of the radio engineering parameters of the SEW, the quality is increased and the cost price of conducting tests of antenna equipment and technical means in one room (chamber) for compliance with EMC standards and requirements is reduced.

Во-вторых, увеличивается рабочий объем и полезная дорогостоящая площадь безэховых камер или экранированных помещений за счет уменьшения толщины ПЭВ. Secondly, the working volume and the useful expensive area of anechoic chambers or shielded rooms are increased due to a decrease in the thickness of the SEW.

В-третьих, благодаря высокостабильным радиотехническим характеристикам отсутствует потребность в периодическом переоснащении БЭК, что имеет место для поглотителей, выполненных с использованием полимерных материалов. Thirdly, due to highly stable radio-technical characteristics, there is no need for periodic re-equipment of BEC, which is the case for absorbers made using polymeric materials.

В-четвертых, обеспечиваются пожаробезопасность и экологически чистые условия нахождения обслуживающего персонала в замкнутых объемах, оснащенных заявляемым ПЭВ. Fourthly, fire safety and environmentally friendly conditions for the presence of maintenance personnel in confined spaces equipped with the inventive SEW are ensured.

Claims

An electromagnetic wave absorber for anechoic chambers and shielded rooms, consisting of layers of dielectric and magnetic materials and a metal substrate, characterized in that the dielectric material is a radio-absorbing foam glass with a specific attenuation of 0.2 - 0.4 dB / cm at a frequency of 4 GHz with a volume density not more than 190 kg / m ³ and a thickness of 200 - 350 mm, the magnetic material is made of radio-absorbing nickel-zinc ferrite with a thickness of 8.5 - 12.0 mm, while the absorber has a power reflection coefficient within from - 12 to -40 dB in the frequency range 0.03 - 37.5 GHz.