Поглощение радиочастот СВЧ диапазона

дипломная работа

1.1 Актуальность

Радиопоглощающие материалы (РПМ) - это материалы, состав и структура которых обеспечивает эффективное поглощение (при незначительном отражении) электромагнитной энергии (ЭМИ) в определённом диапазоне длин радиоволн.

Поглощение ЭМИ происходит тогда, когда вектор Пойтинга (S) имеет отрицательное значение (1).

, (1)

где E и H векторы напряжённости электрического и магнитного полей соответственно.

Уровень поглощения находится по формуле 2

, (2)

где - коэффициент отражения; - коэффициент прохождения электромагнитной волны через радиопоглощающий материал [3].

Проанализировав эту формулу, можно выделить разделение радиопоглощающих материалов на два фундаментальных типа радиопоглощающих материалов по способу экранирования:

· Rn>>An экранирование электромагнитной энергии в таком материале происходит за счёт отражения электромагнитных волн от поверхности.

· Rn<<An экранирование электромагнитной энергии в таком материале происходит за счёт поглощения электромагнитных волн.

Второй способ позволяет снизить радиолокационную заметность цели, однако поглощение энергии приводит к нагреву материала, что может вызвать пожароопасную ситуацию при интенсивном облучении.

Для нормального падения коэффициенты отражения Rn и поглощения Tn равны (3) [4].

, (3)

при

,

где µ1, µ2 - магнитная проницаемость воздуха и вещества; е1, е2 - диэлектрическая проницаемость воздуха и вещества соответственно.

Поскольку Rn и Tn зависят от одних и тех же величин µ и е, то чем больше значения этих величин для среды, тем больше и поглощение, и отражение. Для снижения отражения ЭМИ необходимо, чтобы W1=W2 [5].

Если в веществе отсутствуют токи проводимости (j=0), то потери энергии определяются процессами поляризации и намагничивания. Согласно формуле 4, в случае продольнооднородных структур погонные потери Pn в объеме ?V, заключенном между двумя поперечными сечениями Z и Z+?Z, определяются как [6]:

, (4)

где е0, µ0 - электрическая и магнитная постоянные, зависящие только от выбора единиц измерения; щ - круговая частота; е?, µ? - мнимые части комплексных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей; - максимальные значения комплексных амплитуд электрического и магнитного векторов; , - комплексное сопряжение векторов , соответственно (зависимость от площади РПМ).

При взаимодействии электромагнитного поля с РПМ проявляются эффекты поглощения, рассеяния и интерференции радиоволн. Интерференция волн - взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве. Результат интерференции зависит от разности фаз, накладывающихся волн. Если электромагнитные волны синфазны, то амплитуда суммарной волны увеличивается, если разность фаз равна 180 градусов, то электромагнитные волны компенсируют друг друга, как видно на рисунке 1. Где чёрным цветом отображены максимумы, а белым минимумы при наложении волн.

Рисунок 1 - Пример интерференции ЭМВ.

Спектр применения радиопоглощающих материалов довольно широк. РПМ используют для:

· уменьшения эффективной отражающей поверхности наземных, морских, летательных и других объектов с целью их противолокационной маскировки;

· для оборудования испытательных камер в области антенной техники, в радиотехнической аппаратуре, в антенно-фидерных трактах, в защитных конструкциях и устройствах, препятствующих проникновению электромагнитного поля;

· для решения проблем электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств;

· защиты компьютерных систем обработки информации от несанкционированного доступа;

· защиты биологических объектов от электромагнитного излучения. (биологическая безопасность, снижение РПМ - главное уравнение радиолокации).

Из приведённого списка основным применением радиопоглощающего материала является в уменьшении эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов для повышения скрытности. Под понятием ЭПР в радиолокации понимают площадь некоторой фиктивной плоской поверхности, расположенной нормально к направлению падающей плоской волны и являющейся идеальным и изотропным переизлучателем, которая, будучи помещена в точку расположения цели, создаёт у антенны радиолокационной станции ту же плотность потока мощности, что и реальная цель [7].

ЭПР входит в основные уравнения радиолокации приёмной мощности (5) и дальности действия радиолокатора (6) [8]:

, (5)

где:

Pr - мощность сигнала на клеммах приёмной антенны;

Pt - мощность радиопередатчика;

Gt - коэффициент усиления передающей антенны;

At - апертура приёмной антенны;

?? - ЭПР цели в данном ракурсе;

F - коэффициент потерь при распространении сигнала;

Rt - расстояние от передатчика до цели;

Rr - расстояние от цели до приёмника.

, (6)

где

Pr - мощность передатчика;

Gt - коэффициент направленного действия антенны;

Ar - апертура приёмной антенны;

?? - ЭПР цели в данном ракурсе;

Pr. min - минимальная чувствительность приёмника.

Исходя из вышеперечисленных формул, можно сделать вывод, что приёмная мощность и дальность действия радиолокатора зависят в первую очередь от собственных характеристик радиолокатора. Единственным параметром цели, влияющим на приёмную мощность и дальность действия радиолокатора, как раз и является ЭПР. Причём зависимость является пропорциональной - чем меньше ЭПР, тем больше шанс объекту остаться незамеченным на экране радиолокатора противника.

Не менее важное значение радиопоглощающие материалы имеют в области здравоохранения. Важно знать, как электромагнитное излучение влияет на биологические процессы, протекающие в живых организмах. Наука, занимающаяся данной тематикой, называется радиобиологией. А сама проблема - электромагнитной безопасностью.

Степень биологического воздействия зависит от частоты колебаний, напряжённости поля, режима его генерации (импульсное, непрерывное), длительности воздействия. Высокочастотные излучения могут ионизировать атомы или молекулы в клетках, что может привести к нарушению внутриклеточных процессов. А электромагнитные колебания длинноволнового спектра достаточно сильно нагревают органику, приводя молекулы в тепловое движение. Наиболее чувствительными к действию электромагнитных полей являются центральная нервная система, нейроэндокринная система и глаза.

Основным руководящим документом в России, определяющим параметры воздействия электромагнитного излучения радиочастоты и сверхвысокой частоты, является "Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96" [9].

Способность материала поглощать высокочастотное излучение зависит от его состава и структуры. РПМ не обеспечивают поглощения излучения любой частоты, напротив, материал определенного состава характеризуется лучшей поглощающей способностью при определенных частотах. Не существует универсального поглощающего материала, приспособленного для поглощения излучения радиолокационной станции во всем частотном диапазоне. В связи с отсутствием идеального РПМ, ведутся множественные разработки с целью поиска наиболее подходящего материала для определённой ситуации.

При наличии программного обеспечения, используя знания электрофизических свойств, размеров и форм частиц поглощающего наполнителя и связующей матрицы, а также особенностей и параметров технологических процессов изготовления радиопоглощающих материалов, возможно решение проблемы прогнозирования радиотехнических характеристик готовой продукции и создание перспективных РПМ нового поколения.

Делись добром ;)