книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

По принципу работы радиопоглощающие материалы могут быть интерференционными и поглощающими.

В интерференционных покрытиях материал и структура покры­ тия выбираются таким образом, чтобы падающая и отраженная волны взаимно компенсировали друг друга, т. е. вторичное радио­ излучение гасится вследствие интерференции радиоволн, отража­ ющихся от наружной поверхности покрытия и маскируемой поверх­ ности объекта.

Материал поглощающих покрытий выбирается из условия наи­ более полного поглощения в нем падающей электромагнитной энергии и отсутствия отражения от границы раздела сред. Почти вся энергия электромагнитной волны, падающей на маскирующее покрытие, постепенно затухает и превращается в тепло за счет наведения рассеянных токов, магнитногистерезисных или высоко­ частотных диэлектрических потерь.

И наконец, в зависимости от электрических и магнитных свойств радиопоглощающие материалы можно разделить на диэлектрические и магнитодиэлектрические.

В связи с совершенствованием аэродинамических форм голов­ ных частей оказалось возможным применить покрытие лишь на тех ее частях, которые дают максимум отражения.

Маскирующее действие радионоглощающих материалов эффек­ тивно лишь в случаях, если линейные размеры плоских поверхно­ стей защищаемых объектов или же радиусы кривизны их поверх­ ностей значительно превышают длину волны в материале покры­ тия, т. е. при

-у- V ~ S > Ю,

где S — площадь поперечного сечения объекта.

Если длина волны X превышает максимальный размер объ­ екта, то наблюдается так называемое релеевекое рассеяние, кото­ рое характеризуется тем, что рассеяние объекта с конечной проводимостью примерно такое же, как и объекта с бесконечной проводимостью. Вследствие этого покрытие с конечной проводимо­ стью ведет себя как идеальный проводник, и падающая электромаг­ нитная энергия не может поглощаться им.

6.2. Покрытия поглощающего типа

Поглощающий материал соответствует своему назначению в том случае, если в нем отсутствует отражение электромагнитной волны от внешней поверхности, а энергия, проникающая внутрь материала, полностью им поглощается. Выполнение этих условий достигается соответствующим подбором электрических свойств материала, в первую очередь комплексной диэлектрической про­ ницаемости и комплексной магнитной проницаемости.

Отражение электромагнитной волны от бесконечной идеально проводящей поверхности, покрытой поглощающим веществом

220

[рис. 6.1], характеризуется комплексной диэлектрической проницае­ мостью

Рис. 6.1. К пояснению принципа действия покрытий:

а — поглощающего; б — интерференционного

ловленная диэлектрическими потерями и электрической проводимостью покрытия.

Аналогичным образом обозначается и относительная магнит­ ная проницаемость покрытия.

221

Рассмотрим комплексный коэффициент отражения плоской волны от плоской границы раздела двух сред:

z — г0

[6.3]

Z + z0 ’

где волновое сопротивление свободного пространства

волновое сопротивление поглощающего покрытия

[6.5]

Подставляя [6.4] и [6.5] в выражение [6.3], будем иметь

Из выражения [6.8] видно, что коэффициент отражения от гра­ ницы раздела двух сред (у = 0) равен кулю при p,= n + jk, или с учетом формулы [6.2] условия полного поглощения имеют вид:

Условиям [6.9] и [6.10] удовлетворяют покрытия, в состав кото­ рых входят вещества с достаточно большими потерями (например, ферромагнетики). Структуру таких покрытий образуют частицы ферромагнетика, сцементированные изоляционным материалом из немагнитного диэлектрика. Однослойные покрытия этого типа до­ статочно эффективны в диапазоне метровых и дециметровых волн. Эффективность действия покрытия повышается, если его коэффи­ циент поглощения постепенно увеличивается от наружной поверх­ ности покрытия к защищаемой.

Для поглощения волн сантиметрового диапазона используют многослойные покрытия с переменными от слоя к слою параметра­ ми, у которых проницаемость е возрастает от наружной поверхно­ сти вглубь покрытия. Каждый слой таких покрытий изготовляется из пенополистирола или каучука, а поглотителем служит графит или сажа. Концентрация поглотителя от слоя к слою меняется.

229

Для согласования покрытия с внешним (свободным) простран­ ством относительная диэлектрическая проницаемость должна рав­

и р. от слоя к слою недопустимо, поскольку это приводит к увели­ чению коэффициента отражения от границы раздела двух сред.

Рис. 6.2. Влияние угла при вершине шипов на­ ружной поверхности покрытия на число отраже­ ний внутри ячеек

Для уменьшения остаточного отражения широкое распростра­ нение получили покрытия, наружная поверхность которых пред­ ставляет собой рельефную геометрическую неоднородность, состоя­ щую из периодически повторяющихся неровностей в виде пирамид или конусов. Чтобы увеличить число отражений между конусами и, следовательно, снизить отражение от поверхности покрытия, угол при вершине конуса выгодно делать небольшим (рис. 6.2).

6.3. Интерференционные покрытия

Если в поглощающих покрытиях большая часть падающей на них энергии превращается в тепло, прежде чем электромагнитные волны достигнут отражающей поверхности защищаемого объекта, то в интерференционных (узкодиапазонных) покрытиях отсутствие отражения от маскирующего объекта происходит благодаря интер­ ференции двух радиоволн: отразившейся от поверхности объекта

223

и поверхности покрытия. Падающая волна многократно отражает­ ся от границы раздела двух сред «покрытие — объект» и частично поглощается в веществе покрытия. Естественно, что при этом рас­ стояние между отражающими поверхностями (толщина покрытия) должно быть таким, чтобы обеспечивалось сложение отраженных радиоволн в противофазе.

Отсутствие отражения от интерференционного покрытия дости­ гается при условии

где Ej — составляющая отраженной волны от границы раздела «сво­ бодное пространство — покрытие».

Суммарное отраженное поле в направлении источника падаю­ щей волны равно нулю, если выполняются условия:

А= - Д =

e' !i V*.*

Х0— резонансная длина волны.

Интерференционные покрытия менее габаритны, чем поглощаю­ щие. Однако, как следует из их принципа действия, они и менее диапазонны, что зачастую затрудняет их применение. По-видимо­ му, наиболее перспективными являются комбинированные много­ слойные покрытия.

Для того чтобы интерференционное покрытие обладало погло­ щающими свойствами, в его состав вводят ферромагнетики с при­ месями сажи или порошка графита в качестве поглотителя.

Интерференционные защитные покрытия изготовляют из раз­ личных пластмасс или каучука. Достоинством интерференционных покрытий является их значительная механическая прочность, гиб­ кость, сравнительно малая толщина и небольшой вес. Для корот­ ких волн при больших диэлектрических и магнитных потерях в ве­ ществе покрытия могут быть весьма тонкими.

Эффективность действия интерференционных покрытий зависит от угла падения электромагнитной энергии на их поверхность. Ми­ нимальное отражение достигается при нормальном падении радио­

224

волн, при других углах падения коэффициент отражения резко возрастает.

Простейшая схема РПП интерференционного типа представляет собой резонансный поглотитель, состоящий из гомогенного слоя диэлектрика, наложенного на защищаемый металл. Толщина слоя диэлектрика, его диэлектрическая постоянная и тангенс угла ди­ электрических потерь могут быть выбраны такими, что коэффи­ циент отражения на некоторой, наиболее вероятной волне будет равен нулю. При этом наибольшее отклонение частоты падающей волны от резонансной частоты поглощаемого излучения не должно превышать (без значительного понижения эффективности погло­ щения энергии) ±5% .

6.4. Многослойные интерференционные покрытия

Поглощающая способность многослойных покрытий иихдиапазонность существенно зависят от количества слоев, толщины слоев и электрических параметров используемых материалов.

Рис. 6.3. Изменение коэффициента отражения г

для двухслойной поглощающей структуры интер­ ференционного типа

Рассмотрим поглощающую способность многослойных структур, состоящих из чередующихся диэлектрических слоев (без потерь) и тонких поглощающих пленок.

Для двухслойной структуры зависимость коэффициента отра­ жения от частоты при почти перпендикулярном падении волны

225

показана на рис. 6.3. Коэффициент отражения г обращается в нуль при входной проводимости второго слоя ys= 1 для

ех— диэлектрическая проницаемость диэлектрика; <ф — толщина диэлектрика.

Рис. 6.4. Изменение коэффициента отражения г для трех­

слойной поглощающей структуры интерференционного типр (параметры РГ1П приведены в табл. 6.1)

жет применяться как поглощающее покрытие. Однако применение ее вследствие очень узкой частотной характеристики весьма огра­ ничено (только для РЛС, работающих на одной частоте).

Изменение коэффициента отражения для трехслойной структу­ ры приведено на рис. 6.4. Введение дополнительного диэлектри­ ческого слоя (с13, ез) позволяет получить нужное согласование на

226

двух частотах, расширяя тем самым полосу поглощения радио­ волн. В этом случае входная проводимость второго слоя

Уз =

На основе результатов расчета (табл. 6.1) можно сделать вы­ вод о том, что структуры с малыми значениями диэлектрической проницаемости дают «лучшие кривые» коэффициента отражения (рис. 6.4), требуя в то же время и наибольшей толщины, прибли­ зительно равной Хмакс/4 (где Хмакс— наибольшее значение длины волны в заданном диапазоне работы средств РПД).

Расчет коэффициента отражения для пятислойной структуры уже достаточно трудоемок. Относительно простое решение полу­ чается в случае равенства оптических и геометрических толщин всех диэлектрических слоев. При этих условиях возможно согла­ сование входной проводимости структуры с волновой проводимо­ стью пространства для длин волн: Х = Хо, Х = Хо/2, Х = Хо/3. Особен­ ностью этой структуры является 0 2 > 0 4 . При отражении энергии около 2% (или 14,1% по полю) отношение верхней предельной длины волны к нижней должно быть равным 4:1, а общая тол­ щина структуры при этом составит Хмакс/4. Зависимость коэффи­ циента отражения от длины волны для пятислойной структуры приведена на рис. 6.5а и в табл. 6.2.

Т а б л и ц а 6.2

Характеристики пятислойной поглощающей структуры

227

Отношение Х0/А

а

5

Рис. 6.5. Изменение коэффициента отражения для поглощающих структур интерференционного типа:

ипятислойного (параметры РПП приведены в табл. 6.2); б — семислойного (пара­

метры РПП приведены в табл. 6.3)

228

Для семислойных структур (требуемое согласование при длинах

электрических слоев отражение электромагнитной энергии во всем диапазоне волн практически меньше 1 % по мощности. Отношение верхней критической волны к нижней составляет 5,6 (2% по мощ­ ности) при общей толщине структуры немногим более ХМакс/4

(рис. 6.56, табл. 6.3).

Экспериментальные значения коэффициента отражения для се­ мислойной структуры показаны на рис. 6.6 (диэлектрические слои — пенопласт с добавкой алюминиевой пудры, поглощающие

Рис. 6 .6. Коэффициенты отражения семислойного РПП по экс­ периментальным данным (электрическое поле параллельно плоскости падения, угол падения 15° и 45°)

слои — 0,02 мм твердая пленка, покрытая коллоидным графитовым раствором).

В заключение следует сказать, что интенсивность отражения электромагнитной энергии многослойными поглощающими струк­ турами зависит также от угла падения волны, ее поляризации и максимально допустимой рабочей температуры материала. Ти­ пичная зависимость отраженной мощности от угла падения и по­ ляризации электромагнитной волны показана на рис. 6.7.

229