Аттенюатор электромагнитного излучения

Изобретение относится к аттенюатору электромагнитного излучения и к способу управления его спектром. Аттенюатор по настоящему изобретению сформирован из ослабляющего покрытия, расположенного таким образом, что в рабочем положении аттенюатора упомянутое электромагнитное излучение падает на это ослабляющее покрытие, и из проводящего основания,расположенного в рабочем положении аттенюатора под упомянутым ослабляющим покрытием. Ослабляющее покрытие образовано двумя слоями, причем первый слой, выполненный из диэлектрического материала, толщиной d3 расположен непосредственно на металлическом листе, а второй слой толщиной d2, образованный диэлектрическим материалом, содержащим немагнитные металлические микропроводники длиной от 1 до 2 мм с изолирующим покрытием, расположен на первом слое и покрывает всю конструкцию, с тем отличием, что этот второй слой образован из смеси краски и микропроводников, нанесенной на первый слой. Спектр аттенюатора может управляться на основании полных сопротивлений композитного материала и диэлектрика, а также толщины упомянутого композитного материала. Марин Паласиос Пилар, Кортина Бланко Даниэль, Гонсалес Горрити Айноа, Эрнандо Гранде Антонио (ES) Медведев В.Н. (RU) Задача изобретения Настоящее изобретение относится к аттенюатору для электромагнитного излучения, отраженного металлом, на основе микропроводников с изолирующим покрытием. Настоящее изобретение относится к области метаматериалов или композитных материалов, а также затрагивает некоторые аспекты электромагнетизма, магнитных поглотителей и металлургии. Уровень техники В ряде практических задач требуется исключить отражение электромагнитного излучения. Большее количество содержащихся в транспортных средствах электронных систем вызывают увеличение электромагнитных помех. Эта проблема включает в себя возникновение побочных изображений, помех в локаторах и уменьшение эффективности из-за взаимодействия между одними системами и другими. Очень эффективными в исключении проблем этого типа могли бы быть микроволновые поглотители. Кроме того, существует все увеличивающийся интерес к уменьшению эффективной площади электромагнитного отражения систем определенного типа для предотвращения или минимизации возможности их обнаружения. Микроволновые поглотители изготавливаются с помощью изменения диэлектрических свойств или,другими словами, диэлектрической проницаемости или магнитной проницаемости определенных материалов. В первом случае они являются диэлектрическими поглотителями, которые основывают свою работу на принципе резонанса на четверти длины волны. А во втором случае поглощается магнитная компонента излучения. Первые попытки, сделанные для исключения отражения, включают в себя способ поглотительного экрана Солсбери (Salisbury), нерезонансный поглотитель, резонансный и магнитный резонансный ферритовый поглотители. В случае экрана Солсбери (патент США 2599944) экран с тщательно подобранным электрическим сопротивлением помещается в такой точке, в которой электрическое поле электромагнитной волны максимально, т.е. на расстоянии, равном четверти длины волны, относительно поверхности, которая должна экранироваться. Этот способ имеет малую практическую полезность, поскольку поглотитель получается слишком толстым и эффективным только для полосы частот и диапазона изменения углов падения, которые слишком малы. В нерезонансных способах излучение проходит через диэлектрическое покрытие, чтобы затем отразиться от металлической поверхности. Это диэлектрическое покрытие достаточно толстое, так что в процессе отражения волна существенно ослабляется прежде, чем снова выходит из покрытия. Поскольку покрытие должно быть выполнено из материала, имеющего небольшие высокочастотные потери и плохие отражательные характеристики для обеспечения проникновения и отражения, то для эффективного ослабления волны это покрытие должно быть очень толстым. В первых резонансных способах материал с высокими диэлектрическими потерями помещается прямо на проводящей поверхности, которую необходимо защитить. Этот диэлектрический материал имеет эффективную толщину, измеренную внутри материала, примерно равную четному количеству четвертей полуволн падающего излучения. Этот способ имеет ограниченное применение из-за большой толщины диэлектрического слоя, а также из-за узкой полосы поглощения, которую он имеет, особенно на низких частотах. Была сделана попытка преодолеть эти трудности распределением внутри диэлектрика проводящих ферромагнитных частиц. Однако когда в диэлектрике распределяются металлические частицы, их высокая проницаемость порядка 10 или 100 не совместима с низкой проводимостью порядка 10-2 или 10-8 мОм на 1 м. Поглотителями другого типа являются известные ферритовые поглотители (патент США 3938152),которые имеют очевидные преимущества перед уже вышеописанными. Они работают в виде тонких покрытий, так что они устраняют недостатки, связанные с необходимостью высокой толщины, требуемой для диэлектрических поглотителей. Кроме того, они эффективны для частот между 10 и 15000 МГц и рассеивают больше энергии, чем диэлектрики. Созданные до настоящего времени ферритовые поглотители исключают отражение посредством изолирующих или, особенно, ферромагнитных окислов металлов, нанесенных непосредственно на отражательную поверхность. В этих случаях термин "феррит" относится к ферромагнитным окислам металлов, включающих в себя, но ими не ограниченных, композиции типа шпинель, гранат, магнетоплумбит и перовскиты. В материалах этого типа имеет место поглощение двух типов, которые могут происходить совместно или по отдельности. Это диэлектрические или магнитные потери. Первые потери обусловлены переходами электронов между катионами Fe2+ и Fe3+, в то время как потери второго типа происходят вследствие перемещения и релаксации спинов магнитных доменов. В соответствии с определенными изобретениями (патент США 3938152) при низких частотах,обычно частотах в диапазоне от СВЧ до L, энергия преимущественно извлекается из магнитной компоненты поля падающего излучения, в то время как на более высоких частотах, обычно в L диапазоне и выше, энергия равно извлекается из электрической и магнитной компоненты. Поглотители этого типа исключают отражение, поскольку излучение создает максимальное магнитное поле в поверхности проводника. При нормальном падении плоской волны на идеальный проводник имеет место полное внутреннее отражение, причем отраженная интенсивность равна падающей ин-1 021289 тенсивности. При этом образуются падающие и отраженные волны, создавая стоячую волну, в которой на границе проводника электрическое поле равно нулю, а магнитное поле на этой границе является максимальным. В течение максимально возможного времени происходит уплотнение магнитного поля. Поэтому в случае с ферритом необходимо, чтобы падающее излучение пересекало поглощающее покрытие и создавало условия максимального магнитного поля. Было видно, что комплексная часть проницаемости некоторых ферромагнитных окислов металлов изменяется с частотой таким образом, что позволяет достичь малых отражений в очень широких частотных диапазонах без необходимости использования магнитных поглотителей большой толщины, как в других случаях. Принимая во внимание коэффициент отражения металлов при нормальном падении излучения, сделан вывод, что при работе с тонкими покрытиями отраженная волна может быть ослаблена независимо от электрической проницаемости поглощающего материала. На определенных частотах будут минимальные отражения, если комплексная проницаемость " является существенно большей, чем действительная проницаемость ', при условии, что произведение K1, где K - волновое число, а- толщина покрытия. Поглотители магнитного типа могут включать в себя поглотители, основанные на аморфных магнитных микропроводниках, полученных по технологии Тейлора (Taylor). Поглотитель такого типа может представлять собой диэлектрическую матрицу, образованную как из краски, так и из диэлектрика иного типа, в которой случайным образом могут быть распределены аморфные магнитные микропроводники,которые обладают ферромагнитными резонансными свойствами (публикация США 11/315645). Известная технология изготовления микропроводников Тейлора позволяет в результате простого процесса получать микропроводники очень малых диаметров, заключенных между одной десятой и несколькими десятыми микрон. Полученные таким образом микропроводники могут быть выполнены из большого разнообразия как магнитных, так и немагнитных металлов и сплавов. Эта техника описана,например, в статье "Приготовление, свойства и использование некоторых металлических нитей со стеклянным покрытием, полученных процессом Тейлора для изготовления проводников" ("The Preparation,Properties and Applications of some Glass Coated Metal Filaments Prepared by the Taylor-Wire Process", W.Donald et al., Journal of Material Science, 31, 1996, p. 1139-1148). Наиболее важной характеристикой способа Тейлора является то, что он позволяет получать металлы и сплавы в виде микропроводника с изолирующим покрытием в одной и простой операции, которая делает этот процесс экономически эффективным. Техника получения магнитных микропроводников с изолирующим "рукавом" и аморфной микроструктурой описана, например, в статье "Магнитные свойства сплавов аморфного FeP, содержащего галлий, германий и мышьяк" ("Magnetic Properties of Amorphous FeP Alloys Containing Ga, Ge and As",H. Wiesner and J. Schneider, Stat. Sol. (a) 26, 71 (1974), Phys. Stat, Sol. (a) 26, 71 (1974. В дополнение к аморфным магнитным микропроводникам техника Тейлора позволяет получать металлические микропроводники из меди, серебра и золота, покрытые пирексом. Диаметры металлического сердечника могут составлять от десятков до сотен микрон. Поглотителями другого типа являются те, на которые ссылаются в патенте США 4173018 и которые представляют собой смесь шариков диаметрами между 0,5 и 20 мкм в изолирующей матрице, где эта смесь может наноситься либо покраской, либо с использованием спрея. Когда на металлическую поверхность наносится слой приблизительно в 1 мм (0,04 дюйма), эта смесь обычно является эффективной для ослабления электромагнитного излучения в диапазоне между 2 и 10 ГГц. Используемые частицы составляют 90% от веса смеси. Патенты США 2918671 и 2954552 показывают покрытия для поглощения излучения на выбранных длинах волн, образованные из дисперсного графита, алюминия, частиц меди,которые должным образом изолированы друг от друга в нейтральных матрицах, таких как воск, различные смолы и резины. Кроме того, описаны распределенные в матрице частицы, имеющие удлиненную форму и выполненные из стали. Патент США 4034375 раскрывает камуфляжный материал, содержащий проводящие волокна из нержавеющей стали или графита в плоскости, по существу, параллельной первому слою, и второй слой, содержащий нетканые эластичные волокна из электрически непроводящего материала. Патент США 4606848 относится к составу краски для поглощения и рассеяния падающего микроволнового излучения. Упомянутая краска включает в себя равномерно распределенные металлические,углеродные волокна или волокна из нержавеющей стали. Упомянутые сегменты имеют длины между 0,001 и 3 см и диаметры между 110-6 и 310-6 см. Рассматриваемые сегменты должны быть разнесены на эффективное расстояние в половину волны или в двойную длину волны объекта ослабления, размер которого есть половина длины волны падающего излучения. Материал такого типа принципиально позволяет производить поглощение длин волн с частотами, более длинными, чем 30 дБ. Из рассмотрения всех вышеупомянутых патентов можно считать, что материалами, имеющими наибольшее преимущество в отношении полосы частот и уровней поглощения, являются магнитные материалы, включающие в себя материалы на основе ферритов и материалы, содержащие магнитные микропроводники. В связи с материалами первого типа возникает проблема, состоящая в том, что высокое содержание ферритового порошка по отношению к массе диэлектрической основы (краска, кремний), в которой он растворен, является необходимым, что делает эти продукты излишне большого веса. В случае продуктов, содержащих аморфные магнитные микропроводники, уровни поглощения, а также полосы пропускания достаточно велики, чтобы сделать этот продукт очень интересным с точки зрения практических применений, поскольку, кроме того, необходимая удельная величина микропроводников здесь гораздо меньше, чем в случае с ферритами. Однако управление производственным процессом для аморфных материалов является в определенной степени трудоемким. Что касается продуктов, приготавливаемых с использованием металлических волокон, то следует понимать, что краска, которая описана в патенте США 4606848, является краской, обладающей наибольшими преимуществами в отношении веса, но она не слишком пригодна для поглощения излучения с частотами внутри диапазона между 1 и 30 ГГц. Описание изобретения Аттенюатор электромагнитного излучения, предложенный настоящим изобретением, полностью и удовлетворительно решает вышеописанные проблемы, поскольку этот аттенюатор образован на металлической поверхности, покрытой слоем диэлектрического материала толщиной d3, на который нанесен другой слой толщиной d2 композитного материала, в котором были распределены медные микропроводники. Поэтому излучение падает на слой композитного материала, пересекает его и затем проходит через диэлектрик для того, чтобы окончательно отразиться металлом. Зависимость коэффициента отраженияR0 поверхности композитного материала дается формулой где i - волновой вектор для вещества i, который определяется выражениемr12=(Z2-Z1)/(Z2+Z1), Z1 и Z2 - полное сопротивление вакуума и композитного материала соответственно; а r23 удовлетворяет выражению где Z3 - полное сопротивление вещества 3, таким веществом является диэлектрик между металлом и композитным материалом. Важно подчеркнуть, что для вещества, свободного от потерь, полные сопротивления Zi и r12 являются действительными величинами, в то время как r23 является комплексной величиной 1, а R0 есть минимум для при этом Это правило может быть использовано в качестве "подсказки" для примерного определения частоты максимального поглощения в зависимости от толщины d2 и d3 и полных сопротивлений Z2 и Z3. Полные сопротивления даются следующими выражениями: Полное сопротивление вакуума - число, близкое к 380 Ом. Полное сопротивление диэлектрика- в этих экспериментах это фактически действительная величина, поскольку 3=0(3,6-0,5j) и поэтому Z3=0,58Z1. Полное сопротивление композитного материала Для случая очень "разбавленного" распределения микропроводников в изолирующей матрице оно должно вычисляться, как указано ниже. В случае наличия в диэлектрической матрице с проницаемостью h включений цилиндрической формы, которые очень "разбавлены" (концентрация pi ниже порога фильтрации при определенной объемной фракции fi и известной проницаемости i), обобщенное выражение для эффективной проницаемости ef композитного материала дается формулой Для тонких проводников, таких как микропроводники, для которых отношение между длиной l и диаметром d больше чем 100, коэффициент деполяризации Nx=Ny=1/2 и Nz=(d/l)2ln(l/d). Для металлических микропроводников i может быть аппроксимировано полностью мнимым числом i=-( i/)j. Для частот в 1010 Гц и при проводимости i, заключенной между 104 и 106 Ом-1, i изменяется между-6 10 и 10-4, т.е. на несколько порядков сильнее, чем h, обычно около 10-11. Для длинных металлических микропроводников действительно следующее выражение МаксвеллаГарнетта: Поэтому поведение композитного материала управляется Nz. Для Nzih:ef= h(1+fi/Nz). Эффективная проницаемость независима от проницаемости включений. Однако для Nzih:ef=h+fii. В этом случае используются микропроводники длиной в 1 или 2 мм и диаметром между 6 и 14 мкм. Поэтому, принимая, что минимальному Nz соответствуют l=2 мм и d=6 мкм и поскольку i на частоте 10 ГГц равна порядка 10-3 или 10-5 Фм-1, то, беря в качестве приблизительного значения 510-4, имеем: произведение Nzi всегда больше, по крайней мере, по порядкам величины, чем h, и в этом случае равно(6,5-0,8j)8,810-12 Фм-1. Поэтому в этих экспериментах ef= h(1+fi/Nz). В этом случае, поскольку элементы i могут приводить к возможным резонансам, они не влияют на величину полного сопротивления Z3 или коэффициентов отражения r23, r12 и r0 при условии, что Nzi остается гораздо большим, чем h. Таким образом, в соответствии с существенными признаками настоящего изобретения аттенюатор,предложенный для предварительно выбранного частотного диапазона, образован ослабляющим покрытием, расположенным таким образом, что в рабочем положении аттенюатора упомянутое электромагнитное излучение падает на это ослабляющее покрытие и предпочтительно на плоское проводящее основание, в рабочем положении аттенюатора расположенное под упомянутым ослабляющим покрытием таким образом, что упомянутое ослабляющее покрытие образовано двумя слоями, причем первый слой,выполненный из диэлектрического материала и определенной толщины d3, расположен непосредственно на металлическом листе, а второй слой толщиной d2, выполненный из диэлектрического материала, содержащего немагнитные микропроводники длиной от 1 до 2 мм с изолирующим покрытием, расположен на первом слое и покрывает всю конструкцию. Второе покрытие выполнено смешением краски с требуемым количеством микропроводников и нанесением его напылением на первое покрытие. Целевые частоты экранирования заключены между 0,5 и 40 ГГц. Частота, для которой ослабление является максимальным, соответствует минимальной величине коэффициента отражения поверхности композитного материала. Минимальная величина коэффициента отражения для определенной частоты обусловливается толщинами d2 и d3, а также полными сопротивлениями Z2 и Z3 композитного материала и диэлектрика соответственно. Полное сопротивление композитного материала может быть изменено посредством изменения его эффективной проницаемости. Эффективная проницаемость композитного материала зависит от коэффициента деполяризации микропроводников. Коэффициент деполяризации микропроводника зависит от его длины и диаметра. Ослабляющее покрытие предпочтительно нанесено на проводящее основание и адаптировано к его геометрии. Металлический микропроводник, используемый в настоящем изобретении, предпочтительно представляет собой металлическую нить с покрытием из Пирекса, диаметр которой заключен между 6 и 14 мкм. Подобным же образом, упомянутые микропроводники предпочтительно выполнены из чистых металлов или из сплавов. Концентрация микропроводников гораздо меньше, чем величина проницаемости. Длина микропроводников (1 или 2 мм) меньше, чем длина волны в эффективной среде. В соответствии с другими из признаков настоящего изобретения любой и каждый из аттенюаторов имеет связанный с ним характеристический спектр. Более конкретно, спектр есть графическая интерпретация коэффициента отражения как функции частоты падающего излучения. Характеристические параметры спектра есть частота, соответствующая минимальному отражению,уровень ослабления и полоса частот. Частотой, соответствующей максимальному ослаблению, можно управлять на основании полных сопротивлений диэлектрика и композитного материала соответственно, а также на основании их толщины. Полное сопротивление композитного материала может управляться на основании геометрии металлических микропроводников. Частотный диапазон поглощения может управляться с использованием различных пропорций микропроводников с различной геометрией. Кроме того, частотный диапазон поглощения может управляться изменением толщины d3. Описание чертежей В дополнение к излагаемому описанию, а также в целях способствования более лучшему пониманию признаков изобретения в соответствии с предпочтительным практическим вариантом его исполнения, к нему приложен комплект чертежей в качестве неотъемлемой части упомянутого описания, на которых в качестве иллюстративного и неограничивающего материала изображено нижеследующее. Фиг. 1 показывает схему использованного экспериментального устройства. Фиг. 2 показывает схему аттенюатора с плоской геометрией. Фиг. 3 а показывает потери из-за отражения, а также фазу коэффициента отражения (R0) для четырех различных толщин метакрилата (М). Сплошные линии относятся к измерениям, а пунктирная линия к данным модели. Фиг. 3b показывает потери из-за отражения, а также фазу коэффициента отражения (R0) для слоя краски (Р) толщиной 140 мкм и четырех различных толщин метакрилата (М). Сплошные линии относятся к измерениям, а пунктирная линия - к данным модели. Фиг. 4 а показывает возвратные потери коэффициента отражения (R0) для образца L1 (1,35% объемного содержания микропроводников длиной 1 мм) для четырех различных толщин метакрилата (расстояние до металлического листа). Сплошные линии относятся к измерениям, а пунктирные линии - к данным модели. Фиг. 4b показывает возвратные потери коэффициента отражения (R0) для образца L2 (0,55% объемного содержания микропроводников длиной 2 мм) для четырех различных толщин метакрилата (расстояние до металлического листа). Сплошные линии относятся к измерениям, а пунктирные линии - к данным модели. Фиг. 5 а показывает возвратные потери коэффициента отражения (R0) для образцов L1 (сплошная линия) и L11 (пунктирная линия) для четырех различных толщин метакрилата (расстояние до металлического листа) (табл. 2). Фиг. 5b показывает возвратные потери коэффициента отражения (R0) для образцов L2 (сплошная линия), L21 (пунктирная линия) и L2r (пунктирная линия) для четырех различных толщин метакрилата(расстояние до металлического листа) (табл. 2). Табл. 1 показывает два типа приготовленного композитного материала. Таблица 1 Предпочтительный вариант исполнения настоящего изобретения Имея в виду вышеупомянутые иллюстрации, в частности фиг. 1 и 2, можно посмотреть, каким образом безэховая камера (1) с двумя антеннами (2) (ЕМСО 3160-07), расположенными в удаленной области (зона Фраунгофера) поглощающего материала (3), участвует в аттенюаторе по данному изобретению в соответствии с иллюстративным примером. Его частотный диапазон составляет от 8,2 до 12,89 ГГц. Ослабляющий материал расположен на металлическом листе (4). Размеры листа в выбранном примере составляют 2525 см. Поскольку антенна (2) расположена в удаленной области, можно считать, что волны(5) являются плоскими волнами, распространяющимися с модой ТЕМ. Антенна (2) подсоединена к векторному анализатору (6) (сетевой анализатор серии Agilent E8362B PNA). Параметр S12 измеряется после тщательной калибровки. Кроме того, измеряются действительная и мнимая части коэффициента отражения R0, причем R представлен в спектре, который определяется на основании модуля R0 как В качестве использованных гомогенных диэлектриков являются краска и метакрилат. Листы метакрилата толщиной 200 мкм были разрезаны на куски 2525 см, чтобы соответствовать данному эксперименту. Эти листы использовались для изменения расстояния между аттенюатором (3) и металлическим листом (4). Краска наносилась на лист метакрилата и оставлялась сохнуть в течение 24 ч. Толщина этого слоя 140 мкм. Проницаемости этих материалов измерялись способом отражения. Ослабляющий композитный материал (3) сформирован краской в виде матрицы, в которой в качестве немагнитных металлических включений размещены медные микропроводники. Эти микропроводники получены техникой быстрого охлаждения Тейлора и разрезаны на нужную длину (1 или 2 мм). Композитный материал получен смешением краски с нужным количеством микропроводников и нанесен на металлический лист распылением. Толщина композитного материала обычно составляет 140 мкм. Табл. 1 показывает два типа приготовленных образцов. Фиг. 2 показывает схему анализируемого объекта ослабления излучения. Проницаемость краски (Р) и метакрилата (М) получена из параметра S12. Упомянутый экспериментальный параметр настроен с использованием квази-ньютоновского алгоритма. На металлическую поверхность помещались листы М-типа, а на них помещался лист толщиной 140 мкм. Наилучший результат получен для p=6,5-j0,8 и м=3,6-j0,5. Фиг. 3a и 3b показывают потери из-за отражения, а также фазу коэффициента отражения R0 для краски и метакрилата. Фиг. 4 показывает коэффициент R0 для двух композитных материалов, изготовленных с микропроводниками различной длины и различной "концентрации". Для четырех различных расстояний относительно металлического листа были проанализированы два композитных материала. Фиг. 5 приводит результаты для композитных материалов, смоделированных в табл. 2. Это было сделано для того, чтобы убедиться в том, что, когда вместо более реального распределения диаметров и длин рассматривается единственный тип микропроводника, получаемая погрешность ничтожна, что и показано на иллюстрациях. Экспериментальные результаты были совмещены вместе с вычисленными, и при этом было получено почти идеальное совпадение. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Аттенюатор электромагнитного излучения, который предназначен для ослабления электромагнитного излучения выбранного частотного диапазона, отраженного металлической поверхностью, выполненный из ослабляющего покрытия (8), расположенного таким образом, что электромагнитное излучение падает на это ослабляющее покрытие (8), имеющее проводящее основание (4), предпочтительно плоское, расположенное под упомянутым ослабляющим покрытием (8), при этом упомянутое ослабляющее покрытие (8) образовано двумя слоями: диэлектрическим слоем (7), имеющим определенную толщину d3, композитным слоем (3) определенной толщины d2, образованным смесью краски и микропроводников, расположенным на диэлектрическом слое (7) и покрывающим всю конструкцию, отличающийся тем, что диэлектрический слой (7) расположен непосредственно на проводящем основании (4) и микропроводники являются немагнитными металлическими нитями с изолирующим покрытием, причем длина микропроводников составляет от 1 до 2 мм и диаметр микропроводников находится между 6 и 14 мкм. 2. Аттенюатор электромагнитного излучения по п.1, отличающийся тем, что количество микропроводников, содержащихся в композитном слое (3), ниже порога протекания. 3. Аттенюатор электромагнитного излучения по п.1, отличающийся тем, что ослабляющее покрытие (8) сцеплено с проводящим основанием (4) и адаптировано к геометрии проводящего основания (4). 4. Аттенюатор электромагнитного излучения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что толщинаd2 композитного слоя (3) составляет 140 мкм. 5. Аттенюатор электромагнитного излучения по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что толщина