Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к устройствам для защиты от электромагнитного излучения (далее ЭМИ), и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, биологической защиты от влияния радиоизлучений, создаваемых различными научными и бытовыми приборами, для внутренней облицовки безэховых камер. Основные требования к устройствам для защиты от ЭМИ - это низкий коэффициент отражения электромагнитных волн, высокий коэффициент поглощения, как можно более широкий рабочий диапазон длин волн, независимость характеристик от поляризации падающей волны, малый вес, простота конструктивно-технологической реализации.

Известен поглотитель электромагнитных волн (патент РФ №2383089, МПК⁸ H01Q 17/00, опубл. 27.02.2010), выполненный в виде диэлектрического слоя заданного размера - связующего и наполнителя, распределенного в объеме связующего. При этом наполнитель содержит множество дискретных электропроводящих резонансных элементов. Электропроводящие резонансные элементы выполнены в виде спиралей и/или меандров и распределены в объеме связующего равномерно, при этом они дополнительно распределены и по их длине.

Достоинство данного поглотителя состоит в достижении коэффициентом отражения уровня -10 дБ в широком диапазоне частот за счет введения в качестве наполнителя электропроводящих резонансных элементов различной конфигурации, распределении их в объеме по длинам в соответствии с длинами волн.

Недостатками данного поглотителя являются:

- высокие значения характеристик отражения на частотах ниже 5 ГГц;

- зависимость характеристик отражения от поляризации падающей волны;

- сложная конструкция поглотителя, необходимость предварительного изготовления электропроводящих резонансных элементов, распределение их по длинам, наличие дополнительных материалов наполнителя делают процесс создания материала весьма сложным;

- материал имеет значительные массогабаритные характеристики, обусловленные наличием резонансных элементов, длина которых связана с длиной волны, и ферритового материала, имеющего значительную удельную плотность.

Общим для аналога и заявляемого устройства является использование электропроводящих структур, распределенных в объеме покрытия, и диэлектрического ограничителя толщины поглотителя заданного размера.

Известно радиопоглощающее покрытие (патент РФ №2370866, МПК H01Q 17/00, опубл. 20.10. 2009), которое содержит основу из двух или более слоев переплетенных рядов нитей, скрепленных радиопрозрачным материалом, с нанесенной на каждый слой вакуумным распылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него частицами ферромагнитного материала. Направление переплетенных рядов нитей одного слоя тканого материала составляет с направлением переплетенных рядов нитей смежного слоя угол 60-120°. Содержание частиц ферромагнитного материала составляет от 5 мас.% в пленке, нанесенной на наружный слой переплетенных рядов нитей, до 85 мас.% в пленке, нанесенной на слой переплетенных рядов нитей, прилегающий к защищаемой поверхности.

Недостатком поглотителя является повышенный коэффициент отражения (более -10 дБ) на частотах ниже 5 ГГц, трудоемкость изготовления, т.к. переплетенные нити подразумевают создание тканого материала с разными углами переплетения в разных слоях, необходимость напыления разнородных материалов на разные слои усложняет и удорожает процесс изготовления материала и увеличивает его вес.

Общим для данного аналога и заявляемого устройства является использование углеродосодержащих поглощающих материалов, скрепленных радиопрозрачным материалом.

Известен радиопоглощающий материал для поглощения СВЧ-излучения (патент США №5661484, МПК⁷ H01Q 17/00, 1996), содержащий: электропроводные немагнитные прямолинейные волокна двух типов, длина, диаметр и объем волокон первого типа подобраны для получения первой диэлектрической проницаемости, электропроводные немагнитные прямолинейные волокна второго типа, длина, диаметр и объем которых подобраны для получения второй диэлектрической проницаемости, и диэлектрическое связующее вещество с относительно низкими диэлектрическими потерями для связывания волокон первого и второго типов в единый материал таким образом, что волокна первого и второго типов произвольно ориентированы и равномерно распределены в объеме связующего вещества в одном слое. Такой поглощающий материал имеет комплексную диэлектрическую проницаемость, что позволяет материалу поглощать ЭМИ в широком диапазоне. Волокна первого типа выполняются из графита марки Т300 или AS-4 с малым диаметром и обладают относительно высоким электрическим сопротивлением. Волокна второго типа изготовлены из металлов - нержавеющей стали, Ni, Cu - и покрыты графитом. В качестве диэлектрического материала используют резину или полимеры.

Недостатком материала является сложность технологии его получения и высокая стоимость.

Общим для указанного аналога и заявляемого устройства является использование электропроводного углеродосодержащего поглощающего волокнистого материала, распределенного в их составе, и применение диэлектрического ограничителя толщины.

Известно радиопоглощающее покрытие (патент РФ №2215346,МПК⁶ H01Q 17/00, опубл. 27.10.2003), выполненное в виде ряда валиков, размещенных плотно друг к другу на защищаемой поверхности. Каждый валик представляет собой помещенный в тканевую диэлектрическую оболочку и свернутый в рулон поглощающий материал из углеродсодержащих спутанных нитей. Внутри рулона может быть размещена спиральная пружина из диэлектрического материала. Поглощающий материал может быть выполнен из нитей на синтетической основе с углеродным покрытием длиной 15-30 см; диаметр валиков составляет 20-50 мм, диаметр спиральной пружины 10-25 мм; масса нитей на погонный метр каждого рулона составляет 10-15 г.

Достоинством покрытия является низкий коэффициент отражения на уровне -10÷-13дБ в диапазоне частот 8÷12 ГГц (при -25 дБ на частоте 10 ГГц). Другим достоинством покрытия является незначительный вес погонного метра материала. Это покрытие является наиболее близким к заявляемому устройству и взято за прототип.

К недостаткам покрытия относятся незначительная ширина рабочей полосы частот (8÷12 ГГц) и неравномерность отражения (ярко выраженный минимум на 10 ГГц), что объясняется наличием системы параллельных валиков, заполненных проводящими углеволокнистыми нитями, создающими упорядоченную структуру поглощающих элементов. В указанной структуре превалирует интерференционное поглощение, характеризующееся зависимостью максимального поглощения от расстояния до защищаемой поверхности (близкому к λ/4) и размеров валиков. Система параллельных валиков также вызывает зависимость коэффициента отражения от поляризации падающей волны. К сожалению, размерность и величина приведенного в описании прототипа удельного сопротивления нитей не позволяют сделать заключение о реальном механизме поглощения РПП.

Общим для заявляемого устройства для защиты от ЭМИ и прототипа является использование углеродосодержащего поглощающего материала, ограниченного радиопрозрачными конструктивными элементами.

Технической задачей, положенной в основу изобретения, является создание устройства для защиты от электромагнитного излучения, которое может быть использовано при изготовлении экранов и панелей, поглощающих электромагнитные волны в широком диапазоне СВЧ-излучения, снижения величины коэффициента отражения энергии ЭМИ и соответственно повышения коэффициента поглощения при независимости характеристик отражения от типа поляризации падающей волны. Дополнительной технической задачей, решаемой при создании устройства для защиты от ЭМИ, является обеспечение требования оптической прозрачности устройства в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Это позволяет использовать заявляемое устройство для электромагнитной защиты электронных сенсоров видимого и ИК диапазонов (фотоаппаратуры, тепловизоров и т.д.) и экранирования электромагнитного излучения дисплеев без потери возможности наблюдения отображаемой на них информации. Конструктивно-технологическими особенностями устройства является малая масса, простота изготовления, отсутствие сложных технологических процессов, отсутствие дефицитных материалов.

Технический результат достигается предложенным устройством для защиты от ЭМИ, включающим углеродосодержащий поглощающий материал и конструктивные элементы из радиопрозрачного материала, ограничивающие толщину устройства, в котором поглощающий материал выполнен в виде хаотично спутанных углеграфитовых филаментов диаметром 4÷8 мкм с удельным сопротивлением 10^-4÷10^-6 Ом×м, при этом плотность поглощающего материала в устройстве составляет 0,0001÷0,0009 г/см³, а толщина устройства находится в пределах 10÷30 мм.

В частном варианте выполнения изобретения конструктивные элементы, ограничивающие толщину устройства, выполнены в виде диэлектрических сеток шагом 5÷15 мм и вклеенных между ними диэлектрических прокладок с шагом размещения 10÷15 см, а положение филаментов дополнительно зафиксировано напылением полиимидного или кремнийорганического лака.

В другом частном варианте при ограничении толщины устройства диэлектрическими сетками для реализации возможности пропускания видимого и ИК излучения плотность поглощающего материала составляет 0,00015÷0,0003 г/см³.

В частном варианте выполнения изобретения конструктивные элементы, ограничивающие толщину устройства, выполнены в виде диэлектрических пластин толщиной 1÷2 мм из материала с малыми потерями, например полиэтилена, при этом одна из пластин содержит штыри диаметром 1÷3 мм, определяющие толщину слоя, а другая пластина содержит ответные штырям отверстия с возможностью фиксации штырей в отверстиях. Это целесообразно в случае необходимости придания поглощающим экранам жесткости при многократном монтаже на экранируемые поверхности.

В частном варианте выполнения изобретения конструктивные элементы, ограничивающие толщину устройства, выполнены в виде диэлектрических пластин толщиной 1÷2 мм, содержащих отверстия и соединенных штырями диаметром 1÷3 мм с возможностью фиксации штырей в отверстиях.

В другом частном варианте конструктивные элементы, ограничивающие толщину устройства, выполнены из диэлектрической ткани или лавсановой пленки с диэлектрическими прокладками.

В частном варианте устройство для защиты от ЭМИ выполнено из двух и более слоев поглощающего материала, разделенных диэлектрическими сетками, причем каждый из слоев поглощающего материала имеет большую плотность, чем предыдущий, по мере приближения к экранируемой поверхности.

Филамент - это элементарное волокно, получаемое в результате производства, из которого изготавливают углеродные волокнистые материалы в виде нитей или жгутов, состоящих из определенного числа филаментов (Казанцева А.И., Тверской В.А. Углеродные волокна. Учебное пособие. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008). Диаметр филаментов, используемых в устройстве для защиты от ЭМИ, определяется технологическим процессом их получения и составляет 4÷8 мкм, а длина определяется удобством создания слоя необходимых размеров, не являясь определяющим параметром, и может составлять от нескольких см до десятков см. К классу материалов, удовлетворяющих этим требованиям, относятся отечественные материалы ВМН-4, ВМН-6, Ровилон, Вулон, УКН (пр-во ООО "ЗУКМ", ООО "АРГОН", Балаково).

Исходными материалами для производства филаментов являются полиакрилонитрильные материалы, материалы на основе гидратцеллюлозы, композиционные материалы системы углерод-углерод.

Выбор филаментов в качестве материала для формирования поглощающего слоя объясняется следующим образом. Приведенные величины удельного сопротивления, диаметров и длины филаментов при указанной плотности поглощающего материала и толщине устройства для защиты от ЭМИ позволяют совместить физические принципы поглощения, основанные на комбинации градиентных, резонансных и интерференционных процессов. Случайно ориентированные относительно фронта падающей волны трехмерные ячейки (резонансные элементы, диполи, многоугольники различных форм и размеров), образованные спутанными филаментами, расширяют рабочую полосу поглощения, делают характеристики отражения равномерными и не зависящими от поляризации падающей волны, создают эффект объемно распределенного рассеивания.

Изобретение иллюстрируется чертежами и графиками.

На фиг.1 приведен общий вид предложенного устройства для защиты от ЭМИ в варианте ограничения его толщины диэлектрическими сетками с вклеенными между ними диэлектрическими прокладками.

На фиг.2 представлен общий вид варианта устройства для защиты от ЭМИ, толщина которого ограничена двумя диэлектрическими пластинами с отверстиями, соединенными штырями, с возможностью фиксации штырей в отверстиях, например, с помощью усиков.

На фиг.3 приведена частотная зависимость модуля коэффициента отражения (МКО) фрагмента устройства для защиты от ЭМИ на отражающей (защищаемой) поверхности с плотностью поглощающего материала 0,0002 г/см³.

На фиг.4 приведена частотная зависимость МКО фрагмента устройства для защиты от ЭМИ на отражающей поверхности с плотностью поглощающего материала 0,0005 г/см³.

На фиг.5 представлены поляризационные характеристики МКО фрагмента устройства для защиты от ЭМИ на отражающей поверхности.

Устройство для защиты от ЭМИ выполнено (фиг.1) в виде плоского слоя спутанных углеграфитовых филаментов 1, ограниченного по толщине диэлектрическими сетками 2 с возможным шагом 5÷15 мм, диэлектрическими прокладками 3, задающими толщину материала в пределах 10÷30 мм и склеенными в узлах с сетками с шагом 5÷10 см (места склеивания 4), 5 - защищаемая поверхность. Положение филаментов фиксируется напылением полиимидного или кремнийорганического лака. Данный вариант устройства при плотности поглощающего материала в слое 0,00015…0,0003 г/см³ пропускает 50…80% излучения видимого и ИК диапазонов, что делает возможным использовать его для предупреждения нежелательного воздействия СВЧ-излучения на входные системы аппаратуры указанных диапазонов (кино- и фотоаппаратуры, тепловизоров и т.д.)

Устройство для защиты от ЭМИ (фиг.2) выполнено в виде плоского слоя углеграфитовых филаментов 1, толщина устройства ограничена двумя диэлектрическими пластинами с отверстиями 2, соединенными штырями 3. Концы штырей выполнены с возможностью фиксации в отверстиях, например с помощью усиков 4. Пластины выполняются из диэлектрика с малой диэлектрической проницаемостью, например из полиэтилена, толщиной 1÷2 мм. Слой углеграфитовых филаментов фиксируется напылением лака, защищаемая поверхность 5.

Изготовление заявляемого устройства состоит из следующих основных операций: подготовка углеграфитовых филаментов (разделение, нарезка) на отрезки длиной от нескольких сантиметров до дециметров; формирование плоского слоя волокон (электропроводной ваты) толщиной 10÷30 мм из фрагментов спутанных филаментов; изготовление диэлектрических прокладок из материала с малыми потерями (например, полиэтилена); склеивание сетки-основания с прокладками с шагом 10÷15 см (цианакриловым или полиуретановым клеем); формирование плоского слоя волокон на сетке-основании; фиксирование положения волокон напылением полиимидного или кремнийорганического лака; приклеивание верхней сетки. При ограничении толщины слоя диэлектрической оболочкой последовательность операций следующая: изготовление оболочки-основания (со штырями) и оболочки-крышки (с отверстиями) из полиэтилена термическим прессованием; формирование плоского слоя волокон на оболочке-основании; фиксация положения волокон лаком; скрепление оболочки-крышки со штырями оболочки-основания. При ограничении толщины слоя двумя идентичными пластинами в одну из пластин (основание) предварительно вставляют штыри, после чего последовательность операций идентична предыдущему случаю. При изготовлении устройства, состоящего из нескольких слоев поглощающего материала, разделенных сетками, отдельно формируют каждый слой филаментов с фиксацией лаком, дальнейшие операции повторяют описанные выше.

Из результатов измерений отражательной характеристики заявляемого устройства на защищаемой поверхности, приведенной на фиг.3, следует, что модуль коэффициента отражения (МКО) фрагмента устройства с плотностью поглощающего материала 0,0002 г/см^3, начиная с частоты 3,5 ГГц, не превышает -10 дБ и сохраняет значение -13 дБ в диапазоне частот 4÷20 ГГц, что позволяет совмещать возможность поглощения СВЧ-излучения при сохранении возможности пропускать 50÷80% видимого и ИК излучения. Как видно из фиг.4, модуль коэффициента отражения фрагмента устройства на защищаемой поверхности при плотности поглощающего материала 0,0005 г/см³, начиная с частоты, близкой 1 ГГц, не превышает -10 дБ и значительно ниже -20 дБ в диапазоне 6÷20 ГГц (-27 дБ в диапазоне 10÷15 ГГц). Поляризационные характеристики отражения устройства на защищаемой поверхности (фиг.5), при плотности поглощающего материала 0,00035 г/см³, измерены для четырех положений фрагмента: 1 - исходное положение, 2 - фрагмент повернут на 90°, 3 - фрагмент повернут на 180°, 4 - фрагмент повернут на 270°. Из анализа представленных результатов измерений следует, что расхождение МКО при всех типах линейной согласованной поляризации не превышает ± 3 дБ, причем это незначительное расхождение появляется при значениях МКО ниже -20 дБ, что говорит о независимости отражения от поляризации падающей волны.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство для защиты от электромагнитного излучения позволяет обеспечить более высокую поглощающую способность в значительно более широком диапазоне длин ЭМВ и высокий уровень понижения отраженной мощности от защищаемой проводящей поверхности при обеспечении высокой стабильности характеристик поглощения и отражения, а также независимость отражения от типа поляризации падающей волны. Следует отметить, что независимость характеристик предложенного устройства от поляризации падающей волны может быть успешно использована при создании защитных экранов и панелей для решения задач электромагнитной совместимости, обеспечения информационной безопасности и биологической защиты. Помимо этого, ограничение толщины устройства сетками при плотности поглощающего материала (филаментов) 0,00015÷0,0003 г/см³ позволяет совмещать поглощение СВЧ-излучения при сохранении возможности пропускать значительную часть видимого и ИК-излучения.