Радиопоглощающие материалы для СВЧ-излучения высокой мощности

Введение

В соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на ближайшие 20 лет [1] большое внимание в работах последних лет уделено композиционным [2, 3] и функциональным материалам [4, 5], а также их применению в авиа- и ракетостроении. В целях нормального функционирования летательных аппаратов и соблюдения безопасности полетов большое внимание уделяется электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств. Понятие ЭМС возникло еще в начале развития радиотехники и имело узкое смысловое значение – выбор частотного диапазона. В настоящее время под ЭМС понимается способность устройств функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке (ЭМО), не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам и недопустимых электромагнитных воздействий на биологические объекты.

Основными источниками мощных электромагнитных помех (МЭМП) являются грозовые разряды, радиоэлектронные средства (мощные радиопередающие средства и радиолокационные станции), высоковольтные линии передачи, контактная сеть железных дорог, а также высоковольтные установки для научных исследований и технологических целей. Причем радиоэлектронные средства (РЭС) могут быть и объектами неблагоприятного воздействия МЭМП, и их источниками (например, радиопередающие средства), т. е. использоваться в качестве системы радиоподавления, создания организованных помех либо эти помехи создаются непосредственно в результате функционирования РЭС.

Несоблюдение требований ЭМС при проектировании, монтаже и эксплуатации военной и авиационной техники, объектов энергетики, связи и другого назначения приводит к нарушениям в работе этих объектов с серьезными экономическими последствиями.

Мощные радиопомехи охватывают достаточно широкий спектр частотного диапазона (от десятков герц до десятков гигагерц) и являются гармоническими сигналами, модулированными по амплитуде и частоте [6].

Как правило, основными источниками мощного электромагнитного излучения любых РЭС является антенна, направленно или ненаправленно излучающая поток электромагнитной энергии в окружающее пространство. Антенны радиолокационных станций (РЛС) в этом отношении наиболее опасные источники мощного излучения, так как обладают свойством концентрировать электромагнитную энергию в определенном направлении (имеют высокий коэффициент направленного действия, который может достигать значений порядка десятков тысяч).

Уже проведена огромная исследовательская и практическая работа, которая нашла отражение, прежде всего, в создании нормативной базы в области ЭМС в таких международных организациях, как МЭК, СИСПР и др. В настоящее время продолжают интенсивно проводиться исследовательские работы: расширяется методическая база и создаются все более совершенные средства защиты от электромагнитных возмущений. Неотъемлемым элементом при проведении испытаний на стадии разработки, юстировки и стандартизации антенных и радиокомплексов, а также прочих радиотехнических устройств являются безэховые камеры (БЭК) [7]. Широкому внедрению БЭК в технику испытаний безусловно способствовала разработка новых широкополосных радиопоглощающих материалов (РПМ) и поглотителей электромагнитных волн [8–12], а также теории и методов проектирования БЭК [13, 14].

Проблеме ЭМС на борту летательных аппаратов и наземных объектах посвящены многие научные труды, где описаны в основном природа взаимных помех и методы их измерений. К техническим мерам обеспечения ЭМС относят: экранирование, рациональное пространственное размещение узлов и схем системы, установка электрических и пространственных фильтров, применение радиопоглощающих материалов [15–17].

Материалы и методы

Мощные излучения современных радиолокационных передатчиков создают опасность воздействия в весьма разнообразных ситуациях.

Сверхвысокочастотные поля представляют опасность для людей и окружающих объектов. В мощном СВЧ-поле происходит значительное поглощение энергии тканями организма и в связи с этим – повышение температуры тела. Пороговое значение плотности потока мощности величиной 5 Вт/см² соответствует полю СВЧ такого уровня, при котором возможно возгорание паров топлива. При испытаниях в БЭК есть опасность возгорания при излучении потока электромагнитной энергии высокой мощности и локализации в одной точке. Особенно опасны ситуации тестирования и эксплуатации антенн РЛС.

Многие производители радиопоглощающих материалов выпускают специальные поглотители для БЭК, в которых предполагаются испытания радиотехнических устройств высокой мощности излучения. Например, компания Emerson & Cuming Microwave Products, занимающая передовые позиции по разработке радиопоглощающих материалов более 60 лет, предлагает поглотители высокой мощности для задач, в которых используется высокая энергию излучения:

– ECCOSORB HFX-18-HC – полые, пирамидальной формы блоки с низкой плотностью размером 61×61 см и общей высотой ~45 см изготовлены с использованием углеродного покрытия;

– ECCOSORB HFX-18-HC имеет удельную мощность поглощения 1,5 Вт/см² или
15 кВт/м² (что в ~10 раз выше по сравнению со стандартным пирамидальным абсорбером ECCOSORB VHP-18-NRL на основе пенополиуретана); такие значения гарантированы без принудительного воздушного охлаждения/принудительной циркуляции воздуха, однако, в случае принудительного охлаждения значения поглощаемой мощности могут быть увеличены до 3 Вт/см² или 30 кВт/м². Частотный диапазон материала ECCOSORB® HFX-HC составляет от 750 МГц до 40 ГГц;

– ECCOSORB SPY изготовлен из прочной пены с открытыми ячейками, что позволяет циркулировать воздуху, повышающему удельную мощность поглощения – не менее 0,8 Вт/см² или 8 кВт/м² (что в ~2 раза выше по сравнению со стандартным пенообразным пирамидальным абсорбером ECCOSORB VHP). Частотный диапазон ECCOSORB®SPY-NRL составляет от 400 МГц до 90 ГГц.

Материалы ECCOSORB HT-98 и ECCOSORB HT-99, изготовленные из пеноке-рамики, можно применять при значительно более высокой мощности излучения, чем в случае поглотителей на основе полимерных матриц. Рабочая температура этих матери-алов от -60 до 350°С, коэффициент отражения (по мощности) составляет 2% в диапа-зоне от 2,6 до 26 ГГц для ECCOSORB HT-98 и 2% в диапазоне от 1 до 26 ГГц для ECCOSORB HT-99. Блоки этих материалов изготовлены таким образом, что при мак-симальной мощности излучения принудительное воздушное охлаждение рассеивает образующееся тепло. Так, при мощности 1,24 Вт/см² температура поглотителя не пре-вышает 93°С, при 2,32 Вт/см² она будет не более 150°С, а при 3,1 Вт/см² ‒ не более 200°С.

Французским производителем SIEPEL представлены поглотители серии AHP, специально предназначенные для облицовки мест, в которых предполагается высокая плотность мощности (от 2 Вт/см² и выше для незатухающих гармонических волн), а также применения в таких областях, как телекоммуникации/беспроводная связь, спутниковая связь, автомобильная и оборонная промышленность и т. д. Благодаря специальной открытой структуре эти поглотители могут выдерживать высокие температуры, возникающие при воздействии полей высокой напряженности.

Поглотители серии AHP обычно используют для облицовки «горячих точек» в безэховых камерах, в которых ожидается высокая концентрация энергии. Изготавливают их из сотовой фенольной матрицы. Блоки поглотителя целиком покрыты углеродным раствором, обеспечивающим им свойства поглощения электромагнитных волн, а их полая открытая структура создает пассивное воздушное охлаждение. В системах с высокими требованиями к поглощению энергии, в которых плотность мощности для незатухающих гармонических волн превышает 2 Вт/см², через поглотители серии AHP можно пропускать сжатый воздух для повышения их устойчивости к мощности.

Характеристики поглотителя серии АНР:

Матрица . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . сотовая фенольная

Пропиточные средства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . углеродный раствор, связующее вещество

Цвет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . черный (неокрашенный)

Рабочие температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . от -70 до +200°C

Максимально допустимая мощность (с возможностью

повышения за счет принудительной вентиляции) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Вт/см².

Способ крепления – приклеивается на любую плоскую и чистую поверхность.

На примере передовых мировых разработчиков можно заметить, что основными тенденциями при создании радиопоглощающих материалов и покрытий для защиты технических средств от мощных электромагнитных воздействий являются:

– использование материалов с открытыми порами или ячеистой структуры, что позволяет воздуху циркулировать;

– возможность принудительного охлаждения, что позволяет повысить значения поглощаемой мощности до 3 Вт/см² (30 кВт/м²);

– поиск термостойкого огнестойкого пропитывающего состава для предотвращения возгорания в случае локализации направленной энергии.

В ВИАМ разработан ряд материалов на основе неорганических волокон (базальтового, асбестового, кварцевого и др.) для облицовки БЭК, обладающих низким коэффициентом отражения – не более -30 дБ в диапазоне частот от 1 до 40 ГГц. Особое внимание уделяли пожаробезопасности материала – все выпускаемые в ВИАМ радиопоглощающие материалы для БЭК соответствуют АП-25 и являются негорючими или самозатухающими [7, 18].

Для обеспечения повышенных требований по пожаробезопасности, стойкости к воздействию электромагнитного излучения высокой мощности потока (локализации направленного потока), при разработке материалов для облицовки безэховых камер выбрано направление создания многослойного волокнистого материала (мат или войлок) из термостойкого негорючего волокна – например, используют базальтовые, кварцевые, асбестовые или стеклянные волокна. Применение указанных волокон позволяет сохранять прочностные и диэлектрические характеристики при повышенных температурах. Для обеспечения заданной степени горючести разрабатываемого материала (снижение скорости распространения пламени и уменьшение размера прожога) необходимо обеспечить фиксацию волокон в структуре без применения органических связующих. Можно использовать свойство волокон асбеста фибриллировать и связываться без дополнительных связующих агентов, в качестве упрочняющих элементов могут быть использованы прутки или проволока, выполненные из диэлектрического материала. В системе также может быть использован адгезив для скрепления между собой волокон и слоев материала – фенольная, акриловая или латексная смолы [19, 20].

Для малого значения коэффициента отражения (КО) плотность РПМ вблизи его поверхности должна быть небольшой (желательно ≤100 кг/м³), что обеспечивает величину относительной диэлектрической проницаемости ненаполненной матрицы на входе ≤1,2. Плотность материала и концентрация поглотителя возрастают в направлении от входной плоскости РПМ, для того чтобы проникающие в него радиоволны поглощались с минимальными отражениями внутри материала.

Для достижения малого значения КО в широком секторе углов падения радиоволн на материал (от 0 до 75 град), в достаточно широком диапазоне длин волн предложен вариант создания немагнитного радиопоглощающего материала градиентного типа. Такие материалы обычно представляют собой многослойную структуру, обеспечивающую заданное изменение диэлектрической проницаемости в толще материала. Задача состояла в построении алгоритма для определения диэлектрической проницаемости слоев многослойной структуры с заданной диэлектрической проницаемостью среды [21, 22], причем структура может быть не только диэлектрически неоднородной, но и геометрически неоднородной. Материал собирают по принципу конструктора под требования заказчика, что позволяет решать задачи по обеспечению уровня безэховости, безопасности, экономичности и эргономичности в камере. Геометрически неоднородную структуру изготавливают, вырезая из многослойной структуры «клинья» или «пирамиды», и ее реальная диэлектрическая проницаемость может быть одинакова во всех слоях или изменяться от слоя к слою. Эквивалентная геометрически однородная многослойная структура позволяет использовать аппарат для расчета КО многослойной структуры из плоскопараллельных слоев.

 Коэффициент отражения по мощности (ρ_Р) определяют как отношение потоков мощности отраженной и падающей волны:

 ρ_Р=|ρ_Е|²=|ρ_Н|²,                                                          (1)

где ρ_Е, ρ_Н – коэффициенты отражения по напряженности электрического и магнитного полей соответственно.

Коэффициент отражения чаще всего выражают в дБ:

ρ_дБ=101g(ρ_Р)=201g(|ρ′_Е |).                                          (2)

Величина КО по напряженности электрического поля на границе раздела двух немагнитных сред при прохождении волны из среды с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁ в среду с относительной диэлектрической проницаемостью ε₂ определяется по формуле:

 .                                                          (3)

При вычислении КО многослойной структуры величина диэлектрической проницаемости в каждом слое влияет на формирование КО всей структуры, так как от соотношения диэлектрической проницаемости слоев зависят характеристики отражения и прохождения на границе раздела слоев, величина поглощения электромагнитной волны и соотношение фаз при интерференции волн, отраженных от различных границ раздела слоев [8, 9].

Расчет КО многослойных структур производят с помощью известных рекуррентных формул перехода от входной комплексной нормированной проводимости
(j-1)-го слоя (Yвх_j-1) к входной комплексной нормированной проводимости j-го слоя (Yвх_j). В безэховых камерах покрытие располагают обычно на металлической внутренней поверхности. Если эта поверхность неметаллическая, то для улучшения экранирующего действия и соответствия расчетным характеристикам с тыльной стороны РПМ (эта сторона обращена в сторону, противоположную источнику излучения) наносят имитатор металлического экрана. Этот имитатор металлического экрана может быть реализован с помощью фольги, металлической сети, металлизированной ткани.

Поскольку содержание углеродсодержащих волокон на 1,5–2 порядка меньше, чем основного наполнителя, можно рассматривать среду с неорганическими волокнами как матрицу с наполнителем и применять для расчета диэлектрической проницаемости формулу Оделевского для матричных смесей (4), выведенную для случая, когда диполи параллельны вектору напряженности статического электрического поля. Формула распространяется на случай переменного электромагнитного поля.

В основу расчета реальной диэлектрической проницаемости смеси по формуле Оделевского положена зависимость ее от геометрических размеров радиопоглощающего наполнителя в виде резистивных диполей, их объемной концентрации и диэлектрических характеристик для матричных смесей

,                             (4)

где ε_м– диэлектрическая проницаемость матрицы; ε_н– диэлектрическая проницаемость наполнителя, равная

    ,                                                             (5)

λ – длина волны, см; ρ – удельное сопротивление волокна, Ом·см; F – коэффициент деполяризации, который для диполей длиной l и диаметром d (l>d) равен

  ,                                                                (6)

k – объемная концентрация наполнителя; V – критическая концентрация наполнителя, выше которой частицы контактируют друг с другом:

     .                                                (7)

При помощи методики расчета и метода оптимизации структуры смоделированы и изготовлены материалы для безэховых камер типа ВРБ и ВРМ-13.

Для материала типа ВРБ-3-80 проведены полигонные испытания для определения критериев и пороговых уровней радиочастотного сигнала, воздействие которого могло бы привести к изменению радиопоглощающих свойств. Исследуемый материал располагали на расстоянии 1 м перед антенной, излучающей радиосигнал на частоте 0,8 ГГц в импульсном режиме с длительностью импульсов 0,6 мкс, частотой повторения 500 Гц, импульсной мощностью 150 кВт. Радиотехнические характеристики измеряли до и после воздействия излучения в течение 2 ч с каждой стороны. Измерения свойств материала проводили в безэховой камере с помощью векторного анализатора цепей Agilent Technologies PNA и измерительных антенн.

В результате испытаний в диапазоне частот 0,6–1,0 ГГц среднее значение величины затухания после воздействия СВЧ-сигнала большой мощности стало не более -21,43 дБ (до воздействия – не более -22,04 дБ), в диапазоне частот 0,8–18,0 ГГц – не более -34,81 дБ (до воздействия – не более -34,43 дБ), в диапазоне частот 18,0–40,0 ГГц – не более -43,93 дБ (до воздействия – не более -44,88 дБ). Полученные результаты находятся в пределах погрешности измерений, поэтому можно сделать вывод, что воздействие СВЧ-излучения импульсной мощностью до 150 кВт не оказывает влияния на радиотехнические характеристики.

Результаты

Расчет широкополосных радиопоглощающих покрытий, эффективных в СВЧ-диапазоне, проводили по указанным формулам (4–7). В ходе проведенной работы установлена хорошая сходимость экспериментальных данных с расчетными.