ния зерен размерами ~10…20 нм. Структура таких сплавов – смешанная (аморфно-кристаллическая). В состав этих материалов не входят дорогостоящие компоненты (Co, Ni). Нанокристаллические сплавы по удельному электрическому сопротивлению и частотному диапазону применения аналогичны аморфным сплавам. Номенклатура промышленно выпускаемых сплавов ограничена лентами толщиной, соответствующей толщине аморфных сплавов. Нанокристаллические сплавы обладают большими́ значениями индукции насыщения (до 1,7 Тл) и меньшими значениями коэрцитивной силы (0,1…0,2 А/м) по сравнению с аморфными сплавами на основе кобальта при сопоставимых значениях магнитной проницаемости (µн ~ 100 000).

Ферриты – сложные оксиды с кубической (феррит-шпинели) или гексагональной (гексаферриты) кристаллической структурой и общей формулой nМеО · Fe2O3. Применяемые в составе электромаг-

нитных экранов ферриты обычно изготавливаются по керамической технологии, из особо чистых порошков простых оксидов. Их отличительными особенностями являются высокая коррозионная стойкость и высокое удельное электрическое сопротивление (до 108 Ом ∙ м). Ферриты применяются для экранирования ЭМИ частотой 0,3…30,0 ГГц.

Параметры некоторых вышеперечисленных материалов рассматривались в § 2.4.

§ 4.4. Поглотители электромагнитных волн

Поглотители электромагнитных волн (ПЭВ) – устройства,

структуры, конструкции, выполненные из диэлектрических, ферритовых и иных радиопоглощающих материалов (РПМ), с целью обеспечения малых значений коэффициента отражения падающей ЭМВ в заданном диапазоне частот.

ПЭВ предназначены для поглощения электромагнитной энергии и за счет этого уменьшения ее отражения от проводящих поверхностей, что используется при создании радиотехнических систем (в том числе – антенн) и снижении радиолокационной заметности объектов (стелс-технология*).

* Стелс-технология (stealth-technology) используется при создании малозаметных объектов в условиях их наблюдения радиолокационными станциями, инфракрасными и лазерными системами.

131

Коэффициент отражения (радиоволны) – отношение указан-

ной составляющей напряженности электрического поля в отраженной радиоволне к той же составляющей в падающей радиоволне.

Коэффициент отражения ЭМВ от поверхности ПЭВ определяется выражением

На практике коэффициент отражения принято выражать в децибелах, используя формулу

Характеристическое сопротивление – отношение поперечной составляющей напряженности электрического поля к поперечной составляющей напряженности магнитного поля. Если пренебречь продольными компонентами ЭМВ*, то характеристическое сопротивление ПЭВ можно рассчитать по формуле

где 0 – электрическая постоянная.

Характеристическое сопротивление воздуха Z0 120 377 Ом.

Соотношение ZПЭВ (определяется свойствами материала) с Z0

сказывается на значении коэффициента отражения R. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что невозможно создание ПЭВ, в состав которых входят только магнитные материалы, так как значение их магнитной проницаемости существенно увеличивает различие между значениями ZПЭВ и Z0 , что приводит к росту коэффициента

отражения. Уменьшение коэффициента отражения достигается за счет создания композитных материалов с магнитными частицами,

* ЭМВ, напряженности электрического и магнитного полей которой на поверхностях равных фаз обладают постоянной амплитудой, называется плоской однородной электромагнитной волной; такая волна не имеет продольных компонент.

132

размер и концентрация которых влияют на значение R и частотный диапазон, в котором он будет минимален.

Диапазон рабочих частот ПЭВ определяется используемыми материалами и конструкцией поглотителя. ПЭВ можно классифицировать по различным признакам, в частности по механизму поглощения электромагнитной энергии материалами, входящими в их состав:

–с резистивными потерями (обычно на основе проводящих модификаций углерода);

–с диэлектрическими потерями (на основе полярных диэлектриков, характеризующихся релаксационными механизмами поляризации: сегнетокерамика, поликристаллические ферриты, текстолит и др.);

–с магнитными потерями (на основе металлических ферромагнетиков и сплавов, а также поликристаллических ферритов).

Удельная мощность (в ваттах на кубический метр) магнитных потерь ЭМИ в случае, когда можно пренебречь продольными компонентами ЭМВ, может быть оценена по формуле

где Bm и H m – (амплитуды) магнитной индукции и напряженности магнитного поля; м arctg – угол магнитных потерь. Отношение мнимой части комплексной магнитной проницаемости к действительной части называется тангенсом угла магнитных потерь* (tg δм).

Из (4.11) следует, что увеличения потерь в материале на заданной частоте можно достичь выбором материала, имеющего большее значение мнимой составляющей комплексной магнитной проницаемости .

Мнимая составляющая комплексной магнитной проницаемости любого материала зависит от частоты (рис. 4.6). Как следует из зависимостей, максимальные магнитные потери наблюдаются:

– на частотах до 1 ГГц в магнитомягких феррит-шпинелях

(Mn–Zn и Ni–Zn);

* Тангенс угла магнитных потерь tg δм – широко используемый на практике параметр, характеризующий магнитные свойства материала.

133

водящими диэлектрическими свойствами или заданным сочетанием таких свойств;

–различных наполнителей, вкрапленных в диэлектрическую связующую матрицу и обладающих различными механизмами поглощения ЭМИ.

Из многообразия технологий, используемых для создания ПЭВ, необходимо выделить:

–технологию магнетронного распыления;

–керамическую технологию с последующим измельчением для получения порошков заданного гранулометрического состава и смешивания компонентов;

–технологии переработки пластмасс: экструзию, каландрование (или вальцевание), прессовку, литье под давлением;

–микрометаллургические технологии и др.

Технологию вакуумного магнетронного распыления использу-

ют для нанесения тонких пленок поглощающих покрытий на основе композитов из нанокластеров магнитных материалов в матрице гидрогенизированного аморфного углерода [α-CH:(Co), α-CH:(Ni), α- CH:(Co, Ni)]. Такие структуры получают одновременным распылением в аргонно-водородной среде графита и магнитного металла. Подложками для покрытий могут служить полимерные пленки или ткани, которые за счет своей гибкости и других механических свойств позволяют значительно расширить конфигурацию создаваемых ПЭВ. В зависимости от технологических режимов распыления можно получать кластеры Со, имеющие различные размеры.

Примеры атомно-силовых изображений поверхностей покрытий, получаемых при различных средних размерах кластера кобальта, приведены на рис. 4.7. Видно (рис. 4.7, б), что в таком покрытии может наблюдаться эффект самоорганизации в виде упорядочения расположения отдельных кластеров.

Покрытия, получаемые таким методом, имеют толщину 1…3 мкм и позволяют обеспечивать в частотном диапазоне 5…40 ГГц среднее значение коэффициента отражения –2…–5 дБ. Используя несколько таких слоев можно создать ПЭВ с коэффициентом отражения до –12…–18 дБ.

135

требуется одновременное экранирование электрических и магнитных полей. Магнитный поток в таких элементах в основном замыкается по магнитопроводу. Вместе с этим часть магнитного потока замыкается по воздуху, создавая поток рассеяния, что приводит к возникновению электромагнитных помех, влияющих на индуктивные катушки, замкнутые контуры цепей и другие элементы РЭА. Снизить создаваемые трансформаторами и дросселями потоки рассеяния можно экранированием. На рис. 4.9, а приведено схематическое изображение трансформатора, в конструкции которого использован многослойный экран, состоящий из короткозамкнутого магнитостатического экрана 1 (сталь или пермаллой) и электростатического экрана 2 (алюминий или медь). На рис 4.9, б представлен внешний вид аудиотехнического трансформатора компании «Wanji» (Китай) с электростатическим и магнитостатическим экранами.

Рис. 4.9. Трансформатор, защищенный магнитостатическим

иэлектростатическим экранами: а – схематичное изображение;

б– внешний вид изделия компании «Wanji» (Китай)

Лабораторные помещения. Измерение магнитных характеристик биологических объектов, образцов горных пород и т. п. требует экранирования внешних магнитостатических полей, создаваемых естественными и искусственными источниками. Необходимая для таких измерений эффективность экранирования (Э ≥ 106) может быть получена в специальных помещениях, защищенных снаружи многослойными магнитостатическими экранами. Внешний вид экранированного помещения для магнитных измерений приведен на рис. 4.10.

138

Стены такого помещения представляют собой две оболочки из ферромагнитного сплава (например, пермаллоя), разделенные слоем металла с высокой удельной электрической проводимостью (например, Al). Каждая оболочка включает в себя несколько разделенных воздушным зазором листов ферромагнетика. Экранированное помещение, созданное в Национальном институте метрологии Германии (Physikalisch Technische Bundesanstalt, PTB), обес-

печивает Э ≥ 80 000 в диапазоне частот ЭМП 0,01…10,00 Гц.

Безэховые камеры. Безэховые камеры (БЭК) – специальные экранированные объемы (помещения), предназначенные для испытаний радиоэлектронного оборудования и иных технических средств на электромагнитную совместимость. Внутри безэховая камера полностью или частично покрыта ПЭВ. Внутреннюю поверхность БЭК можно разделить на две зоны: безэховую зону (зону молчания, рабочую зону), внутри которой максимально ослаблены паразитные поля и производятся измерения, и зону излучения с размещенными передающими устройствами. БЭК обеспечивают получение достоверных результатов измерений в обстановке сильного электромагнитного загрязнения естественным и техногенным фоном, а также могут использоваться для защиты информации.

БЭК подразделяются на полностью безэховые и полубезэховые.

Полностью безэховая камера – экранированное помещение,

внутренние поверхности которого полностью покрыты поглощающим ЭМВ материалом. Этот тип безэховой камеры соответствует свободному пространству и применяется, в том числе, при испытаниях эффективности экранирования РПМ методом измерения потерь на отражение.

Полубезэховая камера – экранированное помещение, внутренние поверхности которого покрыты поглощающим ЭМВ материа-

139

лом, за исключением пола (пластины заземления), который должен отражать ЭМВ.

Вид внутреннего пространства полностью безэховой камеры, предназначенной для проведения измерений в диапазоне 0,5…20,0 ГГц, приведен на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Внутреннее пространство полностью безэховой камеры

Стены полностью безэховой камеры облицованы ПЭВ, внешняя поверхность которых с одной стороны представляет собой усеченные пирамиды. Такая конструкция позволяет увеличить внутренний объем камеры, повысить прочность и эргономичность применяемого материала. Для компенсации изменения геометрии (в результате использования усеченных пирамид) под пирамидальными поглотителями расположены плиты, выполненные из ферритового РПМ.

Снижение радиолокационной заметности (стелс-техноло-

гия). Магнитные материалы используются для снижения радиолокационной заметности объектов военной техники, преимущественно самолетов и кораблей. Например, при создании ударного самолета «Локхид F-117» (рис. 4.12, а) использовались:

140

ЭМИ может стать причиной целого ряда заболеваний, в первую очередь онкологических, неврологических и сердечно-сосудистых. Например, частота передачи сигналов по волокнам нервных пучков организма человека (250…2000 Гц) совпадает с частотами передачи пакетов информации, трансформируемых базовыми станциями сотовой связи, что может вызывать нарушения нервной системы.

Основная энергия излучения базовых станций (˃ 90 %) направлена в сторону от сооружений, на которых находятся антенны, и выше прилегающих построек. Несмотря на это, волны, используемые в сотовой связи (λ = 33 и 17 см для частот 900 и 1800 МГц соответственно), преломляясь и/или отражаясь от поверхностей зданий и сооружений, могут проникать и концентрироваться в местах длительного пребывания людей.

Предотвратить влияние ЭМИ за счет введения в отделочные материалы (штукатурка, краски, панели, обои и др.) металлических элементов нецелесообразно, так как их использование приводит к переотражению электромагнитных волн от стен зданий и их возможному фокусированию в определенных точках. В этом случае необходимо применять различные сочетания порошков материалов, поглощающих ЭМИ: магнитных (ферриты, карбонильное железо и др.) или немагнитных (графит). Введение поглощающих компонентов обеспечивает дополнительное уменьшение энергии ЭМИ и устраняет эффект фокусирования.

В большей степени для решения такой задачи подходят штукатурки и шпатлевки (по сравнению с красками). Толщина слоев штукатурки обычно варьируется в пределах 5…15 мм, а слоев шпатлевки – 1…6 мм, что позволяет, вводя в них различные наполнители (в том числе и магнитные), создавать эффективные РПМ.

§ 4.6. Методы измерения параметров электромагнитных экранов, поглотителей электромагнитных волн

и материалов, входящих в их состав

Необходимость измерения электрофизических и электродинамических характеристик магнитных материалов (в том числе – применяющихся для электромагнитного экранирования и создания ПЭВ) возникает в случае разработки новых составов и структур или в случае

143

контроля соответствия характеристик заданным техническими условиями (при производстве) или данным паспорта (при приобретении).

Эффективность применения магнитного материала для создания электромагнитного экрана или ПЭВ можно оценить по значениям комплексной диэлектрической и комплексной магнитной проницаемостей, которые рассчитываются на основании результатов измерений различных параметров: индуктивности, тангенсов угла магнитных и диэлектрических потерь, S-параметров* и др.

Существует ряд методов, которые позволяют проводить исследования как образцов магнитных материалов, так и фрагментов экранов или ПЭВ. На этапах выбора и разработки материалов для снижения времени и затрат используют методы исследования образцов материалов. После оптимизации состава и структуры целесообразно изготавливать фрагменты экранов или ПЭВ. В табл. 4.2 приведены некоторые основные методы контроля параметров образцов магнитных материалов и фрагментов электромагнитных экранов или ПЭВ на их основе.

Индуктивный метод используется для определения комплексной магнитной проницаемости. На образец материала, имеющего форму кольца тороида или стержня, наматывают катушку. По изменению индуктивности и затуханию колебаний вычисляют значения µ' и µ''. Индуктивный метод используется на частотах до 50 МГц. Наиболее точные значения магнитной проницаемости получаются при использовании кольцевых образцов, так как магнитный поток при такой схеме измерений однороден и сосредоточен внутри образца. Недостаток этой схемы связан с тем, что для создания индуктивной катушки провод наматывается на образец при каждом измерении, причем количество витков уменьшается при увеличении частоты, на которой проводят измерения.

Коаксиальный метод позволяет измерять как параметры ЭМВ, отраженной от кольцевого образца, так и параметры ЭМВ, прошедшей через образец. Измерение параметров падающей и отраженной волн на входах устройства сводится к определению S-параметров. Исходя из полученных значений S-параметров, определяются комп-

* S-параметры – элементы матрицы рассеяния многополюсника (см. подробнее в § 7.1).

144

Примечание. 1 – образец материала или фрагмент электромагнитного экрана

145

лексные диэлектрическая и магнитная проницаемости. Метод широко распространен, его достоинствами являются широкополосность и высокая точность. К недостаткам можно отнести:

–необходимость изготовления образцов с высокими значениями допусков размеров и класса шероховатости поверхности, что затрудняет использование при измерениях хрупких и пористых материалов;

–невозможность измерения параметров образцов проводящих материалов, так как при их установке в ячейку возникает электрический контакт между центральным и внешним проводниками (ячейка «закорачивается»).

Волноводный метод измерения предусматривает расположение

образца в виде пластины в волноводном тракте. Исходя из измеренных S-параметров, определяются и . Достоинство метода заклю-

чается в возможности измерения диэлектрической и магнитной проницаемостей на частотах, больших, чем частоты, которые можно использовать при коаксиальном методе измерений. Недостаток метода связан с необходимостью изготовления и использования оригинальной ячейки и образца, соответствующего ей по размерам, при проведении измерений в каждом частотном диапазоне (см. табл. 4.2).

Резонаторный метод основан на измерении резонансной частоты измерительной ячейки (резонатора) при наличии (fобр) и отсутствии (f0) образца, расположенного в точке максимума напряженности элек-

трического или магнитного поля. При помещении образца в резонатор изменяется как положение резонансного пика, так и его амплитуда. Значения и µ рассчитываются на основании соотношения f0 и fобр. Достоинство метода заключается в наибольшей точности определения диэлектрической и магнитной проницаемостей по сравнению со всеми известными методами. Недостатки – невозможность одновременного определения и и проведения измерений только на одной фиксированной частоте, на которую рассчитана измерительная ячейка.

Микрополосковый метод измерений предусматривает размещение образца на микрополосковой линии или между микрополоском и заземляющим основанием. Измеряются отраженная и прошедшая через образец ЭМВ. Определение диэлектрической и магнитной проницаемостей производится на основе S-параметров. Достоинства метода:

146

–широкополосность (частотный диапазон 1…18 ГГц);

–возможность использования для измерений параметров тонких пленок, полученных на подложках, применяемых в лабораторных условиях (кремний, ситалл, полимерные пленки и т. п.)

Недостатком метода является сложность аналитических расчетов, дающая большую́ погрешность по сравнению с коаксиальным и волноводным методами.

Копланарный метод основан на использовании копланарной линии и предполагает расположение образца на измерительной ячейке. Сущность метода состоит в измерении ЭМВ, отраженной от образца, и ЭМВ, прошедшей через линию, нагруженную образцом. Диэлектрическая и магнитная проницаемости определяются на основе полученных значений S-параметров. Достоинством метода является возможность измерений в широком диапазоне частот. Недостаток заключается в сложности аналитических расчетов, увеличивающих погрешность определения значений.

Метод приемопередающих антенн может использоваться как при расположении антенн на минимальном расстоянии друг от друга, так и на расстояниях, позволяющих разместить образец в дальней зоне. Измерительная ячейка представляет собой две размещенные напротив друг друга антенны, между которыми располагается исследуемый образец. Для определения диэлектрической и магнитной проницаемостей измеряются S-параметры. Достоинства метода:

–максимальное приближенность к условиям эксплуатации реальных экранов;

–не требует изготовления специальных образцов с жесткими требованиями к размерам и шероховатости поверхности.

Недостатки:

–при измерении в дальней зоне* (т. е. когда расстояние от образца до антенн должно быть больше 2D2/ , где D – апертура антенн**; – длина волны) требуется помещение большого объема;

*Возможность использования метода в ближней зоне затруднена сложностью математических расчетов, которые необходимо проводить для снижения влияния паразитных интерференционных явлений.

**Апертура (в антенной технике) – условная плоская излучающая или принимающая излучение поверхность антенн.

147