Читайте также:
|
Введение
Актуальность исследования. Информационная эра — концептуальная идея о том, что современный век будет характеризоваться широкими возможностями для отдельных лиц свободно передавать / принимать информацию, а также мгновенным доступом, как к освоенным знаниям, так и к любой информации о планах поставленных человечеством, что было бы трудно или невозможно в предыдущие эпохи развития человечества.
Идея связана с концепцией цифрового века или цифровой революции и включает в себя последствия перехода от традиционной промышленности. Промышленная революция пришла через индустриализацию к экономике, основанной на манипуляции информацией [1].
С развитием технологий человечество стало использовать беспроводные сети передачи информации, обладающие рядом преимуществ:
· беспроводная сеть позволяет сократить расходы на прокладку кабеля от сети провайдера до здания;
· экономия финансовых ресурсов на организацию крупной развернутой локальной сети внутри самого здания;
· является оптимальным решением в случае невозможности проведения кабельных работ в здании из-за особенностей конструкции или по другим техническим причинам;
· отказ от кабельных работ позволяет сократить время по построению беспроводной сети в несколько раз;
· возможность связать между собой сети совершенно разной конфигурации и на разном оборудовании;
· организация беспроводной сети является оптимальным решением в случае потребности собрать резервный или временный канал связи;
· все радиооборудование обладает мобильностью и может быть полностью перевезено на новое место, тогда как проведенные кабельные сети и оптоволокно придется оставить в здании.
В связи с распространением беспроводных коммуникаций, стали выявляться определённые проблемы при эксплуатации. Такие, как проблема безопасности передачи данных, проблемы здравоохранения, электромагнитной совместимости. Одним из решений данной проблемы является применение радиопоглощающих материалов.
1. Анализ видов радиопоглощающих материалов
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 соотвественно.
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; ε1, ε2 — диэлектрическая проницаемость воздуха и вещества соответственно.
Поскольку Rn и Tn зависят от одних и тех же величин µ и ε, 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 ε0, µ0 — электрическая и магнитная постоянные, зависящие только от выбора единиц измерения; ω — круговая частота; ε″, 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;
𝜎 – 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;
𝜎 – 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.
1.2 Виды РПМ
Универсальной классификации радиопоглощающих материалов не существует. Условно их можно классифицировать по составу и принципу действия.
В современных разработках РПМ для поглощения энергии электромагнитных волн используются в основном традиционные электропроводящие дисперсные (сажи, графит, металлические частицы), волокнистые (углеродные, металлические, металлизированные полимерные) и магнитные (спечённые ферритовые пластины, порошки ферритов, карбонильное железо и др.) наполнители, применяемые как по отдельности, так и совместно, образуя сложные композиционные структуры.
Радиопоглощающие материалы, изготовленные в виде лаков, красок, герметиков, полимеров, тканей, плиток, пеномасс, наполненных резин, строительных плит, сыпучих смесей и в других вариантах различных композиций, являются основными компонентами при создании поглотителей электромагнитных волн, которые используются для оборудования безэховых камер.
По принципу действия выделяют несколько больших групп радиопоглощающих материалов[10]:
резонансные;
нерезонансные магнитные;
металлические экраны;
нерезонансные объёмные;
пирамидальные поглотители электромагнитных волн.
Резонансными РПМ обеспечивается частичная нейтрализация отраженного от поверхности поглотителя излучения, часть которого прошла по толщине материала. Эффект нейтрализации значителен при толщине поглотителя, равной одной четверти длины волны излучения. В этом случае, отраженные поверхностью поглотителя волны находятся в противофазе. Резонансные материалы наносятся на отражающие поверхности объекта маскировки. Толщина РПМ соответствует четверти длины волны излучения РЛС. Падающая энергия высокочастотного излучения отражается от внешней и внутренней поверхностей РПМ с образованием интерференционной картины нейтрализации исходной волны. В результате происходит подавление падающего излучения. Отклонение ожидаемой частоты излучения от расчётной приводит к ухудшению характеристик поглощения, что делает этот материал узкополосным. Поэтому данный тип РПМ эффективен при маскировке от излучения РЛС, работающей на стандартной, неизменяемой моночастоте.
Нерезонансные магнитные РПМ содержат частицы феррита, распределенные в эпоксидном пластике или в покрытии.
Применяют несколько типов ферритов:
- никелевые ферриты используются в основном в диапазонах мили- и сантиметровых волн, имеют большие значения намагниченности при насыщении и высокую термостабильность. Их недостаток – высокое значение начальных потерь;
- магнитные ферриты применяются в средней части сантиметрового диапазона; обладают малыми магнитными и диэлектрическими потерями, но меньшей термостабильностью по сравнению с ферритами из никеля;
-магниевые ферриты используются в длинноволновой части диапазона СВЧ. Они обладают малыми значениями индукции при насыщении. Как и у магнитных ферритов, главным недостатком является низкая термоустойчивость.
Преимуществом ферритовых РПМ является их маленькая толщина (несколько миллиметров) и высокая гибкость материала. Недостатком же являются низкая технологичность изготовления и нагрев, возникающий в результате рассеивания энергии высокочастотного излучения по большой поверхности.
Получение широкополосности материала достигается путём использованием ферритов с различными резонансными частотами. Зависимость резонансной частоты зависят не только от материала (никелевый, магнитный, магниевый), но и от размера частиц порошка (таблица 1, таблица 2)
Таблица 1- Зависимость частоты поглощения от размера ферритовых частиц μ >300.
| Размеры частиц порошка, мкм | Эффективная поглощающая частота, ГГц |
| 1650-701 | 0,5-1,5 |
| 701-351 | 1 -2 |
| 351-104 | 1,8-3 |
| 104-43 | 2,5-7,5 |
| <43 | 6-12 |
Таблица 2 -Зависимость частоты поглощения от размера ферритовых частиц μ <300.
| Размеры частиц порошка, мм | Эффективная поглощающая частота, ГГц |
| 1650-701 | 1-3 |
| 701-351 | 2-4 |
| 351-104 | 4-6 |
| 104-43 | 5-7,5 |
| <43 | 6-12 |
Металлические экраны – плоские одно- или многослойные пластины, экранирующие электромагнитное излучение. Металлические экраны при практически приемлемой толщине обеспечивают хорошую эффективность экранирования на всех частотах радиодиапазона. Эффективность увеличивается с ростом частоты, магнитной проницаемости μ, проводимости σ и толщины экрана d.
С уменьшением частоты коэффициент затухания в металле уменьшается, а эффективность экранирование за счёт поглощения падает, поэтому экран, состоящий из нескольких тонких слоёв различных металлов, обладает в низкочастотной области большим экранирующим действием по сравнению с однородным экраном за счёт увеличения числа отражений.
Недостатком металлических экранов можно назвать обеспечение хорошего уровня поглощения лишь при нормальном угле падения ЭМВ на поверхности. При изменении угла падения ЭМВ, коэффициент поглощения уменьшается.
Нерезонансные объёмные РПМ - обычно используются в виде относительно толстых слоев, поглощающих большую часть подводимой энергии до подхода и возможного отражения волны от металлической задней пластины. Принцип работы основан на использовании как диэлектрических, так и магнитных потерь, последнее — за счет добавления соединений феррита. В некоторых случаях используется введение графита в пенополиуретановую матрицу. Этот тип РПМ не только технологически сложен в изготовлении, но и занимает большие объёмы. Неоспоримыми преимуществами такого материала являются высокая поглощающая способность и широкополосность поглощения.
Пирамидальные поглотители электромагнитных волн (Рисунок 2) - это пирамидальные контейнеры, заполненные радиопоглощающим материалом на основе углерода, благодаря чему достигается стабильность радиотехнических и эксплуатационных характеристик поглотителя. Их недостатком является плохая эргономика и большие объёмы, что затрудняет использование РПП при малых объёмах помещения. Так же пирамидальные поглотители, выполненные из полиуретана, не термостойки. Поэтому их использование, при поглощении электромагнитной волны большой мощности, связано с определенным риском нагрева и возгорания. Полиуретан легко абсорбирует влагу, что приводит к изменениям его характеристик.
Рисунок 2 - Пирамидальный поглотитель.
1.3 РПМ на основе метаматериала.
Другая возможность снижения отражения ЭМИ от внешней поверхности связана с использованием материалов, в верхних слоях которых создаются периодические, так называемые киральные проводящие структуры, кооперативно взаимодействующие с электромагнитным излучением. Конструкции каждого такого элемента и всего их ансамбля могут быть самыми разнообразными [11]. В этом случае структуры рассчитываются таким образом, чтобы диаграмма направленности распространяющейся энергии была по возможности двумерной и лежала в плоскости отражающего материала (покрытия). При этом для снижения отражения от плоских проводящих элементов, площадь, занимаемая такими структурами, должна быть минимальной. Поскольку такая структура, возбуждаясь от постороннего источника, передает запасенную энергию в окружающее пространство, то аналогом такой структуры может быть передающая сверхнаправленная антенна с большой радиационной добротностью [12]. Подобные радиопоглощающие материалы называются радиопоглощающими поверхностями на основе метаматериала.
Метаматериалы - это композиты, обладающие уникальными электрофизическими, радиофизическими и оптическими свойствами, отсутствующими в природных материалах[13].
Новые свойства метаматериалов обусловлены резонансным взаимодействием электромагнитной волны, распространяющейся в гетерогенной среде, наполненной включениями, имеющими специальную форму, обеспечивающую резонансное возбуждение токов. Резонансное взаимодействие носит непотенциальный характер, что, наряду с интерференционными коллективными процессами, приводит к возникновению новых эффектов. В частности, метаматериалы могут обладать одновременно отрицательными: магнитной проницаемостью и электрической восприимчивостью, вследствие чего возникают электромагнитные волны, у которых фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления и в результате возникает отрицательное лучепреломление на границе двух сред. Пример отличия можно увидеть на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3 - Преломление электромагнитной волны в классической среде.
Рисунок 4 - Преломление электромагнитной волны.
Полученный материал относительно узкополосный, хотя он обладает свойствами, которыми традиционные поглощающие материалы не обладают. А именно, при низких частотах диэлектрическая и магнитная проницаемости слоя малы и слой становится прозрачным, что является важным для решения ряда задач электромагнитной совместимости.
Радиопоглощающий материал (РПМ) на основе метаматериала (рисунок 5) представляет собой периодическую решетку металлических щелевых разомкнутых резонаторов (SRR – Split Ring Resonator), выполненных на диэлектрической подложке. Основное свойство РПМ на основе метаматериала – поглощение электромагнитных волн (ЭМВ) на частотах плазмонного резонанса.
Рисунок 5 - Пример метаматериала.
Из-за таких проблем, как узкополосность РПМ на основе метаматериала, зависимость коэффициента поглощения от угла падения и поляризации ЭМВ, в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию новых видов широкополосных радиопоглощающих материалов на основе РПМ в интересах совершенствования антенной техники, развития технологий улучшения помехозащищенности радиоэлектронных средств.
Одно из решений данной проблемы – создание двухмерного микроволнового поглотителя на основе метаматериала, электродинамические свойства которого не зависят от поляризации ЭМВ. Пример технического решения приведен в работе [14]. Радиопоглощающий материал выполнен в виде диэлектрика толщиной h = 1 мм. На поверхность диэлектрика наносятся SRR ячейки, представляющие собой 4 симметричных относительно центра RSS, кольца с двумя щелями и с металлической полосой поперек кольца с радиусом 2 мм, обеспечивающего уровень поглощения не ниже 80% при углах падения ЭМВ от 0 до 
на частоте 9,5 ГГц.
Примером решения задачи увеличения рабочих частот являются работы [15] и [16]. Поляризационно-независимый трёхполосный поглотитель обеспечивающий уровень поглощения 99%, 93% и 95% на частотах 4,06 ГГц, 6,73 ГГц, 9,22 ГГц соответственно, и обеспечивающий уровень поглощения не ниже 90% при углах падения от 0 до 50 градусов. В качестве положки был выбран диэлектрик с h = 0,78 мм и с 
= 4. Каждая SRR ячейка представляет собой три вложенных прямоугольных кольца с размерами 9,6, 7,3 и 5,5 мм.
Двухполосный поглотитель на основе метаматериала работает на частотах 8,23 ГГц и 9,12 ГГц. Конструктивными особенностями RSS ячейки является пара прямоугольных резонаторов с двумя щелями (ширина щелей 2,5 мм) и с размерами 36 мм х 35 мм каждый. Между резонаторами установлен диод. При выключенном режиме диод обладает большим емкостным сопротивлением из-за чего резонансная частота понижается. При включенном диоде образуется индуктивное сопротивление, которое повышает резонансную частоту. Ячейки нанесены на диэлектрик – FR4 с h = 2 мм и с = 4.4. На обратную сторону диэлектрика нанесён металлический экран[17].
2. Моделирование радиопоглощающей поверхности с фиксироваными размерами в EMCoS Antenna VirtualLab
Обзор программы
Проблемная часть исследований РПМ на основе метаматериала представляет моделирование их электродинамических свойств с учетом краевых эффектов подложки, взаимодействия SRR в решетке. Для этого целесообразно применять специальное программное обеспечение, позволяющее моделировать РПМ с отрицательными значениями магнитной и диэлектрической проницаемостями. По методам анализа программы делятся на две основные группы – использующие метод конечных элементов и метод моментов. Примером первого метода является программа Ansys ansoft HFSS.
В отличии от HFSS, вычислительное ядро EMCoS Antenna VirtualLab компании EMCoS на основе численных решений уравнений Максвелла, базирующееся на методе частотных моментов, позволяет решать две важные задачи: детальный анализ характеристик РПМ на основе метаматериала и оптимизацию геометрических характеристик РПМ по заданным исходным электрофизическим свойствам. Основным преимуществом метода частотных моментов является способность рассчитать характеристики электромагнитных устройств в широком диапазоне частот со сколь угодно высокой разрешающей способностью по частоте, в результате чего снижается вероятность потери острых резонансных пиков, что актуально в связи с узкополосностью РПМ.
Интерфейс программы разбит на 4 поэтапные вкладки (рисунок 6):
· Geometry;
· Model;
· Mesh;
· Post Processing.
Рисунок 6 – Меню вкладок.
Первым этапом создаётся геометрическая форма модели во вкладке «Geometry» (рисунок 7).
Рисунок 7 – Вкладка «Geometry».
Структуры представляют собой как одномерные проволочные элементы, двухмерные плоскости и трёхмерные тела. В случае необходимости, программа поддерживает импорт 3D файлов сторонних программ 3D моделирования, что открывает бесконечное множество вариаций форм.
Определившись с выбором объекта, нужно перейти на следующую вкладку «Model» (рисунок 8). В открывшемся окне (рисунок) мы задаём электродинамические характеристики геометрическим фигурам, добавляем, излучающие элементы, задаём поля ближней и дальней зон.
Рисунок 8 – Вкладка «Model».
Следующим этапом, мы должны задать разрешающую способность вычислений во вкладке «Mesh» (рисунок 9). Вся модель разбивается на треугольные участки, в каждом из которых проводятся решения на основе численных решений уравнений Максвелла. В случае ошибки автоматического построения и возникновения пересечения треугольников в каком-то участке, существует ручное редактирование треугольников.
Рисунок 9 – Вкладка «Mesh»
В последней вкладке «Post Processing» (рисунок 10) проводятся вычисления, построение и анализ как двухмерных, так и трёхмерных графиков. Существует возможность экспорта полученных данных в другие форматы, для более удобного сравнения и обработки.
Рисунок 10 – Вкладка «Geometry».
Для того, что бы задать параметры вычисления, нужно открыть окно «Calculation Task» (рисунок 11) в котором можно задать диапазон и шаг частот, при которых будут проходить вычисления.
Рисунок 11 – Вкладка «Post Processing»
За основу был взят поляризационно усиленный поглощающий метаматериал с широким падающим углом. [18]
Дата добавления: 2015-12-01; просмотров: 180 | Нарушение авторских прав