Будай А. Г., Книш В. П., Малий С. В. Науково-дослідний інститут прикладних фізичних проблем ім. А. Н. Севченко Факультет радіофізики та електроніки БГУ Вул. Курчатова, 7, Мінськ – 220064, Республіка Білорусь Тел.: +375172122480; E-mail: poliichuk@bsu.by

Анотація – Розглянуто методи електродинамічного розрахунку параметрів широкосмугових поглиначів електромагнітних хвиль (ЕМХ). Наведено результати розробки поглиначів електромагнітних хвиль для обладнання безлунній приміщень.

I. Вступ

радіопоглинаючі матеріали знаходять широке застосування в різних додатках (безлунній камери, вирішення проблем радіоекології і т.д.) [1]. Найбільший інтерес представляють покриття, що забезпечують широкосмугове і ширококутне поглинання. Серед таких покриттів найбільш часто використовують матеріали з електричним типом поглинання і профільованою поверхнею. Розробка таких покриттів стикається з комплексом проблем, пов’язаних з багатопараметричної оптимізацією конструкцій і вибором діелектричних параметрів матеріалів. Експериментальна відпрацювання конструкцій покриттів пов’язана з великими часовими і матеріальними витратами, а також передбачає виготовлення великих за площею фрагментів. Особлива проблема пов’язана з встановленням залежності між структурно-технологічними та електродинамічними параметрами вихідних матеріалів.

Обчислювальний експеримент, який базується на адекватних моделях і програмних засобах, є розумною альтернативою натурному. На жаль, в даний час відсутні підходи до самоузгодженого аналізу, що забезпечує можливість обліку в рамках однієї моделі мікро і макро параметрів радіопоглинаючих матеріалів.

II. Основна частина

Пропонується методика розрахунку електродинамічних характеристик радіопоглинаючих покриттів, що включає в себе два основних етапи:

– розрахунок ефективних електромагнітних параметрів структурно неоднорідних матеріалів і композитів;

– рішення задачі дифракції плоскої електромагнітної хвилі на двухмерно періодичної решітці, утвореної з довільних з геометрії і складу об’єктів.

Таким чином, методика передбачає взаємно узгоджене моделювання радіопоглинаючих покриттів з урахуванням їх мікро і макро параметрів (електромагнітних і конструкційних).

Методика базується на комплексному використанні методу мінімальних автономних блоків [2] та теорії періодичних структур [3]. Вибір методу мінімальних автономних блоків в якості базового для пропонованої методики обумовлений його високою обчислювальної стійкістю, що є необхідним при малих розмірах структурних неоднорідностей композитів.

На першому етапі вирішується завдання взаємодії плоскої електромагнітної хвилі з плоским шаром радіопоглинаючих матеріалу. При цьому враховуються особливості його структури: просторова неоднорідність, многокомпонентность і т.д. За знайденими комплексним елементів матриці розсіювання визначаються ефективні значення діелектричної і магнітної проникності [5]. На другому етапі вирішується дифракційна завдання і проводиться оцінка електромагнітних властивостей радіопоглинаючих покриттів [4].

Обидва етапи методики зводяться до задач дифракції електромагнітних хвиль на періодичних гратах. Для їх вирішення використовується наступний алгоритм [4, 5]:

– перехід до Електродинамически еквівалентної задачі про розсіянні електромагнітних хвиль на неоднорідності в просторовому хвилеводі, виділяє період решітки;

– декомпозиція області хвилеводу, що містить неоднорідність, на систему мінімальних автономних блоків і розрахунок матриць розсіювання для кожного з них;

– рекомпозіція системи МАБ і знаходження багатоканальної матриці розсіювання;

– визначення матриці переходу від багатоканального до багатомодовому поданням поля в хвилеводі;

– визначення багатомодовою матриці розсіювання;

– розрахунок спектра поширюються дифракційних гармонік для заданих режимів збудження (частота, кут падіння, поляризація електромагнітної хвилі).

Методика визначення ефективних електромагнітних параметрів може використовуватися для матеріалів з періодичної чи стохастически однорідною структурою. Якщо радіопоглинаючих матеріал містить різномасштабні неоднорідності, то методика визначення ефективних електродинамічних параметрів може використовуватися рекурсивно. Для кожного розмірного рівня неоднорідностей розраховуються усереднені параметри, використовувані на наступному рівні.

Розроблені на базі описаної вище методики програмні комплекси дозволяють розраховувати електромагнітні параметри широкого спектру матеріалів і покриттів з електричним, магнітним і змішаним типами поглинання.

У доповіді наводяться результати використання розроблених програмно-методичних засобів для розрахунку різних типів композитів і радіопоглинаючих покриттів.

З використанням викладених вище засобів моделювання був розроблений поглинач електромагнітних хвиль “ТОРА”, який являє собою діелектричний радіопоглинаючих матеріал пірамідального типу у вигляді панелей з розмірами 50X50 см з еластичного пінополіуретану з вуглецевим наповнювачем.

Розроблено технологію виготовлення та освоєно виробництво трьох видів панелей для різних діапазонів частот висотою 9 см, 25 см, 39см з 225, 36, і 16 пірамідами на кожній панелі. Вага панелей не перевищує 0.7, 1.8, та 2.4 кг відповідно. Виміряні коефіцієнти віддзеркалення від поглиначів при нормальному падінні хвилі наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Р (ГГц)

0,5

1,5

3

6

10

37,5

H

l

CO

CD

25

35

40

45

50

50

LO

CM

1

1-

30

35

40

45

50

H

i

CD

20

30

40

45

Результати обчислювального експерименту представлені на малюнку 1.

Частота (ГГц)

Рис. 1. Розрахункова частотна залежність коефіцієнтів відбиття від поглинача «Тора-25».

Fig. 1. Design frequency dependence of reflectivity factor on Tora-25 absorber

Результати натурного та обчислювального експериментів знаходяться в доброму відповідно.

III. Висновок

Розроблено комплексну методику розрахунку поглиначів електромагнітних хвиль, що забезпечує можливість обліку електромагнітних та конструкційних параметрів на мікро і макро рівнях.

Наведено результати натурного та обчислювального експериментів з дослідження широкосмугових поглиначів ЕСВ пірамідального типу.

IV. Список літератури

[1] Міцмахер М. Ю., торгівля В. А. безлунній камери СВЧ. М.: Радіо і зв’язок, 1982.

[2] Нікольський В. В., Микільська Т. І. декомпозиційний підхід до задач електродинаміки. М.: Наука, 1983, С. 304.

[3] Аміт Н., Галіндо В., By Ч. Теорія і аналіз фазованих антенних решіток. М.: Мир, 1974, С. 455.

[4] Maly S. V. The Numerical Technique for Analysis of the Electromagnetic Scattering by Complicated Periodic Structures // MMET conference proceedings «Mathematical Methods in Electromagnetic Theory», Lviv, 1996, pp. 490-493.

[5] Малий С. В., Кухарчик П. Д. / / Вісник Білоруського університету. Сер. 1., 1999, № 3.

DEVELOPMENT AND STUDY OF ABSORBERS OF ELECTROMAGNETIC WAVES

Budai A. G., Knysh V. P., Maly S. V.

Scientific research institute of applied physical problems of a name of A. N. Sevchenko Faculty of radiophysics and electronics, BGU 7, Kurchatov St., Minsk – 220064, Belarus Tel.: +375172122480, e-mail: poliichuk@bsu.by

Abstract – Methods of electrodynamic analysis of parameters of broadband absorbers of electromagnetic waves are considered. Results of development of absorbers of electromagnetic waves for the equipment of anechoic chambers are presented.

I. Introduction

Radio-absorbing materials are widely used in various technical areas (anechoic chamber, the solution of problems of radioecology, etc.). The greatest interest is represented with the coats providing broadband and wide-angle absorption of an electromagnetic radiation. The most frequently used materials with electrical type of absorption and the profiled surface are among such coats. Development of such coats collides with complex problems concerning multi-parameter optimization of constructions and selection of the dielectric parameters of materials. The special problem is interlinked to determination of dependence between structural-technological and electrodynamic parameters of source materials.

The computing experiment on the basis of adequate models and software is a reasonable alternative.

II. Main part

The design procedure of electrodynamic performances of radio-absorbing coats, including two basic stages is offered:

– calculation of effective electromagnetic parameters structurally heterogeneous materials and composites,

-the solution of a problem of diffraction of a plane electromagnetic wave on bidimensional periodic grating formed from arbitrary on geometry and composition objects.

The procedure is based on complex use of a method of the minimal autonomous blocks and the theory of periodic structures.

Designed model and programs have been used for development of an absorber of electromagnetic waves. "Tora" absorber represents a radio-absorbing material of pyramidal type as a panel of 50X50 cm. The absorber composition enters polyurethane and a carbon filling compound.

The technology is developed and manufacture is mastered of three types of panel for various frequency bands in height of 9 cm, 25 cm, and 39 cm with 225, 36, and 16 pyramids on each panel. The weight of panel does not exceed 0.7, 1.8, and 2.4 kg, accordingly.

III. Conclusion

The technique for calculation of parameters of absorbers of electromagnetic waves is offered.

Results of natural and computing experiment on examination of broadband absorbers of pyramidal type presented.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»