CC BY
337
УДК 678.84
Е.Е. Беспалова1, А.А. Беляев1, В.В. Широкое1
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ
СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
Разработаны огнестойкий радиопоглощающий материал на основе неорганических волокон для облицовки безэховых камер, в которых проводят радиотехнические испытания в широком диапазоне частот, а также радиопоглощающие материалы и покрытия для защиты технических средств от мощных электромагнитных воздействий.
Ключевые слова: радиопоглощающий материал, электромагнитная волна, безэховая камера, науглероженное волокно, оптимизация параметров, целевая функция.
This article is dedicated to the creation of fire-resistant radar-absorbing material based on inorganic fibers with the purpose to lining of anechoic chambers intended for different tests within a wide frequency range; radar absorbing materials and coatings for protection of hardware against high power electromagnetic influence were developed as well.
Keyword: radar-absorbing material, electromagnetic wave, anechoic chamber, carbonized fiber, optimization of parameters, objective function.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
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 радиопо-глощающих 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/м (что в ~10 раз выше по сравнению со стандартным пирамидальным абсорбером ECCOSORB VHP-18-NRL на основе пенополиуретана); такие значения гарантиро-
ваны 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 ме-
22
нее 0,8 Вт/см или 8 кВт/м (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 материалов от -60 до 350°С, коэффициент отражения (по мощности) составляет 2% в диапазоне 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 максимальной мощности излучения принудительное воздушное охлаждение рассеивает образующееся тепло. Так, при мощности 1,24 Вт/см2 температура поглотителя не превышает 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/см , 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 по-
2 2 глощаемои 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 радио-поглощающие 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/м ), 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 безэхово-сти, 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 (рр) определяют как отношение потоков мощности отраженной и падающей волны:
рр=ЫНя|2, (1)
где Ре, Ря - коэффициенты отражения по напряженности электрического и магнитного полей соответственно.
Коэффициент отражения чаще всего выражают в дБ:
рдБ=101в(рр)=201в(|р^ |). (2)
Величина КО по напряженности электрического поля на границе раздела двух немагнитных сред при прохождении волны из среды с относительной диэлектрической проницаемостью 81 в среду с относительной диэлектрической проницаемостью 82 определяется по формуле:
р' . (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 (]-1)-го слоя (Увх^) к входной комплексной нормированной проводимости ]-го слоя (УвхД 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 радиопоглощающе-го наполнителя в виде резистивных диполей, их объемной концентрации и диэлектрических характеристик для матричных смесей
к<вн-ем)
8=8,,
1+-
(4)
(1-к/У>Б <6Н -8М )+8,
где вм - диэлектрическая проницаемость матрицы; ен - диэлектрическая проницаемость наполнителя, равная
ен =1+1--, (5)
Р
X - длина волны, см; р - удельное сопротивление волокна, Ом см; Б - коэффициент деполяризации, который для диполей длиной 1 и диаметром d (1^) равен
2
ln ( id1 ] -1
F , (6)
'Г2
а
к - объемная концентрация наполнителя; V - критическая концентрация наполнителя, выше которой частицы контактируют друг с другом:
V = [эб-д^)]0,6 . (7)
( \ "
4Р /I + 1"Р
d (Г d
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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.
3. Каблов E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
4. Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия-Буран» /Под общ. ред. E.H. Каблова М.: Фонд «Наука и жизнь». 2013. 128 с.
5. Беляев A.A., Кондратов C.B., Лепешкин В.В., Романов A.M. Радиопоглощающие материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 348-352.
6. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: URSS. 2012. С. 163-164.
7. Беляев A.A., Беспалова Е.Е., Романов A.M. Пожаробезопасные радиопоглощающие материалы для безэховых камер //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 53-55.
8. Лушина М.В., Паршин С.Г., Ржевский A.A. Современные экранирующие и радиопоглощающие материалы //Системы управления и обработка информации. 2011. №22. С. 208-214, 223.
9. Бибиков С.Б., Прокофьев М.В., Куликовский К.Э., Журавлев В.А. Разработка материалов и покрытий, используемых для проведения радиотехнических испытаний и обеспечения электромагнитной совместимости //Вопросы оборонной техники. Сер. «Технические средства противодействия терроризму». 2013. №5-6. С. 56-64.
10. Бибиков С.Б., Титов А.Н., Черепанов А.К. Синтез материала с заданным коэффициентом отражения в широком диапазоне частот и углов падения /В сб. трудов XV Международной науч.-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж. 2009. С. 1578-1584.
11. Бибиков С.Б., Засовин Э.А., Черепанов А.К., Хмельник Г.И. Математическое моделирование параметров многослойных радиопоглощающих покрытий /В сб. трудов XV Международной науч.-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж. 2009. С. 1585-1595.
12. Латыпова А.Ф., Калинин Ю.Е. Анализ перспективных радиопоглощающих материалов //Вестник Воронежского государственного технического ун-та. 2012. Т. 8. №6. С. 70-76.
13. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь. 1982. 129 с.
14. Маслов М.Ю., Семаков Л.М., Скачков Д.В. Испытательная безэховая камера диапазона 1200 МГц //Телекоммуникации и транспорт. 2009. Спец. вып. «Технологии информационного общества». С. 123-125.
15. Беляев A.A., Агафонова A.C., Антипова Е.А., Ботаногова Е.Д. Конструкционный радиопо-глощающий материал трехслойной структуры с согласующим слоем //Труды ВИАМ. 2013. №7. Ст. 02 (viam-works.ru).
16. Агафонова A.C., Беляев A.A., Кондратов Э.К, Романов A.M. Особенности формирования монолитных конструкционных радиопоглощающих материалов на основе композитов, наполненных резистивным волокном //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 56-59.
17. Радиопоглощающий материал: пат. 2417491 Рос. Федерация; опубл. 27.04.2011.
18. Беспалова Е.Е., Кондратов Э.К. Особенности корректировки рецептуры пожаробезопасного материала для безэховых камер при изменении параметров радиопоглощающего наполнителя //Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 48-52.
19. Гращенков Д.В., Щетанов Б.В., Тинякова Е.В., Щеглова Т.М. О возможности использования кварцевого волокна в качестве связующего при получении легковесного теплозащитного материала на основе волокон Al2O3 //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 8-14.
20. Волков В.П., Зеленецкий А.Н. и др. Получение радиозащитных полимерных материалов пониженной горючести //Пластические массы. 2008. №6. С. 42-46.
21. Широков В.В., Романов A.M. Исследование диэлектрических характеристик стеклосотопла-ста волноводным методом //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 62-68.
22. Беляев A.A., Широков В.В., Романов A.M. Особенности оптимизации резонансных радиопоглощающих материалов немагнитного типа //Труды ВИАМ. 2014. №11. Ст. 05 (viam-works.ru).
