ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ

TECHNOLOGIES FOR DEVELOPING BROADBAND RADAR ABSORBING COATINGS

Введение

Под радиолокационной поглощающей защитой понимается выполнение комплекса мероприятий, которые ориентированы на уменьшение эффективности влияния различных электромагнитных излучений (ЭМИ) на радиотехническую аппаратуру.

В связи с постоянно растущей выходной мощностью радиоэлектронных устройств, особенно СВЧ-диапазона, имеет место увеличение уровня ЭМИ и, что естественно, увеличение числа возникающих ошибок в работающей технике вследствие высокого уровня помех. В связи с этим весьма актуальным является вопрос о разработке современных высокоэффективных способов для защиты радиоэлектронной аппаратуры от влияния ЭМИ [1,2].

Наиболее популярным средством, которое используется с целью защиты оборудования от воздействия ЭМИ, выступает широкополосное радиолокационное поглощающее покрытие (ШРПП). Разработке современных широкополосных поглощающих покрытий посвящено большое количество работ, что позволяет с уверенностью сказать, что данная тема является весьма перспективной в современное время [3,4].

 

Принцип работы поглощающего покрытия

При создании поглотителей ЭМИ используются различные материалы, обладающие способностью поглощать ЭМИ в заданном частотном интервале. Способность среды поглощать электромагнитное излучение определяется ее электрическими, а также магнитными параметрами, к которым относятся удельная электропроводность, диэлектрическая проницаемость и аналогичный ей параметр - магнитная проницаемость. Эти характеристики используются при описании процесса распространения электромагнитной волны и, в своем большинстве, являются нелинейными, тензорными, комплексными величинами. Процесс поглощения ЭМИ выполняется благодаря наличию диэлектрических и магнитных потерь, а также потерь, которые связаны с изменением проводимости, которые пытаются максимизировать для достижения максимальных значений эффективности поглотителей. Также стоит отметить, что в тех ситуациях, когда ЭМИ попадает на поверхность материала, наблюдается эффект отражения от границы раздела воздух-материал. В этом случае справедливо отметить, что чем выше несоответствие волновых сопротивлений двух выбранных сред, тем выше значение коэффициента отражения. Форма поверхности поглощающего покрытия также должна обеспечивать плавность изменения его структуры от внешней границы к внутренней. Наиболее распространенной является поверхность в виде пирамид и конусов. Поглощающие покрытия имеют большую толщину, т.к. должны обеспечивать изменение магнитной и диэлектрической проницаемости от начальных единичных значений на внешней границе покрытия до значений, обеспечивающих полное поглощение падающих волн в толще покрытия, причём эти изменения должны происходить на интервале, большем длины волны.

 

Технологии разработки широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий

В процессе разработки ШРПП основной целью является процедура согласования материала, из которого выполняется поглощающее покрытие, с внешней средой. При этом необходимо, чтобы интегральный эффект отражения имел минимально возможное значение. Для этого применяются различные методы снижения эффекта отражения электромагнитных волн от поглощающей поверхности. К числу наиболее популярных методов относится резонансный тип радиопоглощающих материалов (РПМ), принцип работы которого базируется на применении экрана Солсбери. Слой необходимой толщины помещается до используемой поверхности на расстоянии, которое составляет четверть длины волны ЭМИ. Падающая на данную конструкцию электромагнитная волна будет испытывать эффект отражения как от внешней, так и от внутренней поверхностей, и результатом данного отражения станет появления интерференционной картины нейтрализации начального ЭМИ. Благодаря данному экрану осуществляется процесс подавления уровня внешнего ЭМИ. В качестве еще одного варианта может выступать поглотитель, который состоит из радиопоглощающего материала, до которого устанавливается согласующий слой, сделанный из непоглощающего материала и установленный на расстоянии, которое также составляет четверть длины волны ЭМИ. Данная конструкция обеспечивает высокую эффективность работы только при определенной (заранее заданной) длине волны ЭМИ и наличии нормального условия ее падения на поверхность, в связи с чем данный способ очень редко используется на практике.

В качестве еще одного варианта снижения уровня отражения может применяться метод, который базируется на свойстве, при котором волновое сопротивление диэлектрического вещества зависит от материальных параметров. При корректном выборе этих параметров можно сделать волновое сопротивление таким, что оно будет равно сопротивлению окружающего пространства. Таким образом, для падающей электромагнитной волны данный слой будет являться ничем иным как пустым пространством. В процессе создания однослойных широкополосных поглощающих покрытий могут применяться магнитодиэлектрики и градиентные поглотители с незначительным коэффициентом отражения. Преимуществом последних является полное отсутствие эффекта отражения на границе раздела сред. У поглотителей интерференционного типа ослабление вторичного поля достигается за счет взаимной компенсации волн, отраженных от внешней поверхности материала и защищаемой металлической поверхности. Для создания широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий, которые работают в широком диапазоне изменения частоты, используются непроводящие материалы, у которых имеет место особая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты.

Ученые часто применяли композитные материалы в процессе разработки широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий. Ярким примером является использование феррит резиновых смесей с добавлением в их состав небольших металлических волокон. Данная добавка в небольшом процентном содержании приводит к изменению диэлектрической проницаемости в довольно широком диапазоне. Широкое распространение получили радиопоглощающие материалы и структуры на основе резистивных нитей, расположенных в диэлектрической матрице. Резистивная нить представляет собой многокомпонентное волокно, в объеме которого сформирован электропроводящий композит. Проводящим наполнителем является сажа с частицами размером порядка 300-600 А. Эти частицы содержат кристаллиты графита. Такая оболочка имеет отличные прочностные и температурные показатели. В последние годы высокую популярность в создании широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий, в связи с постоянным совершенствованием техники, получили полупроводниковые элементы. Покрытия, сделанные из них, отличаются достаточно низким коэффициентом отражения и достаточно большим коэффициентом затухания. По данной причине наружная сторона покрытия, выполненного из полупроводникового материала, обязательно должна быть покрыта фольгой. Еще один пример материал, которые применяется для изготовления широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий, — это композитные материалы, выполненные из полимеров с добавлением наноструктур (НКРМ). Для того, чтобы данные материалы имели наилучшие радиопоглощающие характеристики, их структура должна соответствовать ряду особенностей:

- в базовой матрице должна быть создана проводящая сеть;

- в базовой матрице должны находиться полностью изолированные частицы магнитного материала;

- материал должен иметь высокий коэффициент диэлектрических потерь;

- иметь минимально возможную разницу волнового сопротивления на границе раздела двух сред.

В настоящее время уже реализована возможность создания на основе активных сложных сред высокоэффективных радиопоглотителей, превосходящих по своим характеристикам обычные пассивные РПП. В рамках данной идеи разработаны варианты двухслойных покрытий, в которых внутренний слой является пассивным (поглощающим), а внешний – активным (усиливающим) материалом. Синтез таких поглотителей проводился с помощью численной оптимизации свойств РПП для получения целевой функции, в качестве которой использовался максимальный коэффициент отражения. Минимизацию коэффициента отражения проводили методом Недлера-Мида.

Интересное решение широкополосного ПЭВ, предложенное Бессоновым И.Б., заключалось в том, что в структуру ПЭВ между диэлектрическими и магнитодиэлектрическими слоями размещаются частотно-селективные поверхности емкостного типа, выполненные в виде решеток с периодически расположенными проводящими элементами различной формы. Использование частотно-селективных поверхностей позволяет расширить рабочий диапазон частот, так как появляется возможность одновременной реализации поглощения дифракции и интерференции электромагнитной волны.

Стоит отметить, что производители отечественных ШРПП также развиваются и идут в ногу с современными трендами. Так, большую популярность набирают ШРПП серии ЗИПСИЛ РПМ, которые по своим параметрам сопоставимы с большинством современных зарубежных аналогов. Данные ШРПП представляют собой силиконовые резонансные поглотители-абсорберы ЭМИ, которые уже сейчас применяются в отечественном производстве. Данные материалы применяются с целью уменьшения уровня заметности объектов в широком радиочастотном диапазоне. Российские ученые смогли создать многослойное ШРПП, которое в дальнейшем получило обозначение РАН-67. Данное покрытие может быть использовано с целью уменьшения коэффициента отражения ЭМИ в радиочастотном диапазоне от 8 до 18 ГГц. Данное покрытие – это многослойный композитный материал, в котором в качестве базовой основы применяется органический кремний, а в качестве наполнителя используются мелкодисперсные порошки различных модификаций железа. Процедура нанесения такого вида ШРПП выглядит таким образом – он наносится послойно с применением метода лакокрасочного напыления.

 

Заключение

Таким образом, в ходе проведения данной работы был рассмотрен принцип работы поглощающих покрытий, а также различные материалы и соответствующие для них технологии, которые применяются при создании широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий. Стоит отметить, что в настоящее время существует достаточно большое количество материалов, которые могут использоваться для изготовления широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий, однако наиболее популярными являются комбинированные способы. Одними из самых проработанных, автоматизированных и дешевых являются технологии, которые используются для изготовления широкополосных радиолокационных поглощающих покрытий с низким коэффициентом отражения из слоистых композитных материалов.

В конце работы хотелось бы отметить, что большинство будущих работ по разработке современных материалов и соответствующих им технологий изготовления необходимо проводить современному поколению наноматериалов, которые обладают в разы лучшими характеристиками.

Список литературы / References

  1. Латыпова, А.Ф., Калинин, Ю.Е. Анализ перспективных радиопоглощающих материалов / А.Ф. Латыпова, Ю.Е. Калинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2012. - № 6 (8). – С. 70-76.
  2. Иванова, В.И. и др. Разработка широкополосного радиопоглощающего покрытия с высокими эксплуатационными свойствами / В.И. Иванова, С.Г. Кибец, И.И. Краснолобов, А.Н. Лагарьков, А.А. Политико, В.Н. Семененко, В.А. Чистяев // Журнал радиоэлектроники. – 2016. - № 7. – С. 1-23.
  3. Панин, Д.Н., Осипов О.В., Мишин Д.В., Кузнецов Я.М. Численный анализ отражений электромагнитной волны Е-поляризации от неоднородного слоя диэлектрика / Д.Н. Панин, О.В. Осипов, Д.В. Мишин, Я.М. Кузнецов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2019. – Т.22. – №1. – С. 10-15.
  4. Панин, Д.Н. Взаимодействие электромагнитного излучения с неоднородным слоем магнитодиэлектрика / Д.Н. Панин // Инфокоммуникационные технологии. – 2010. – Т.8. – №1. – С. 38-42.

 

 

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Laty`pova, A.F., Kalinin, Yu.E. Analiz perspektivny`x radiopogloshhayushhix materialov [Analysis of promising radio-absorbing materials] / A.F. Laty`pova, Yu.E. Kalinin // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Voronezh state technical University]. – 2012. - № 6 (8). – S. 70-76. [in Russian]
  2. Ivanova, V.I. i dr. Razrabotka shirokopolosnogo radiopogloshhayushhego pokry`tiya s vy`sokimi e`kspluatacionny`mi svojstvami [Development of a broadband radio-absorbing coating with high performance properties] / V.I. Ivanova, S.G. Kibecz, I.I. Krasnolobov, A.N. Lagar`kov, A.A. Politiko, V.N. Semenenko, V.A. Chistyaev // Zhurnal radioe`lektroniki [Journal of radio electronics]. – 2016. - № 7. – S. 1-23. [in Russian]
  3. Panin, D.N., Osipov O.V., Mishin D.V., Kuznecov YA.M. Chislennyj analiz otrazhenij elektromagnitnoj volny E-polyarizacii ot neodnorodnogo sloya dielektrika [Numerical analysis of e-polarization electromagnetic wave reflections from a non-uniform dielectric layer] / D.N. Panin, O.V. Osipov, D.V. Mishin, YA.M. Kuznecov // Fizika volnovyh processov i radiotekhnicheskie sistemy [Physics of wave processes and radio engineering systems]. – 2019. – T.22. – №1. – S. 10-15. [in Russian]
  4. Panin, D.N. Vzaimodejstvie elektromagnitnogo izlucheniya s neodnorodnym sloem magnitodielektrika [Interaction of electromagnetic radiation with an inhomogeneous layer of a magnetodielectric material] / D.N. Panin // Infokommunikacionnye tekhnologii [Information and communication technologies]. – 2010. – T.8. – №1. S. 38-42. [in Russian]