Радиопоглощающие материалы рассеивающего типа

Рассмотрим еще один класс РПМ, получивший в последнее время широкое применение в практике разработки БЭК за ру­бежом [3, 44]. Это материалы типа CV или HPY [59], представ­ляющие совокупность пирамидальных поглощающих элементов, трубчатые и сотовые пространственные поглощающие структуры [61]. Все эти РПМ характеризуются значительной поперечной не­однородностью и могут быть условно объединены классом шило­видных или рассеивающих материалов.

В длинноволновой части диапазона, когда период поперечной неоднородности пространственной структуры много меньше l, ши­ловидные структуры по физике своей работы и по коэффициенту отражения ничем не отличаются от градиентных, причем градиент масштаба электрической длины обеспечивается увеличением отно­сительного объема, занятого поглотителем, по мере углубления в такую структуру. В коротковолновой части диапазона, когда период неоднородности структуры оказывается много больше дли­ны волны, такие структуры за счет последовательности многократ­ных переотражений поля в поглощающих полостях позволяют до­полнительно уменьшить уровни отражения.

Рассмотрим механизм согласования шиловидных РПМ в ко­ротковолновой части диапазона волн. Пусть поверхность пирами­дального материала покрыта плоским радиопоглощающим мате­риалом градиентного или интерференционного типа, чем обеспечи­вается отсутствие поля внутри пирамид и «зеркальный» характер отражения от поверхности граней пирамид (рис. 4.5). И пусть, как показано на рис. 4.5, плоская волна падает на пирамидальный материал под углом q к нормали его основания. Каждые две ря­дом стоящие пирамиды образуют клиновидную поглощающую по­лость с углом при вершине a. В результате N последовательных отражений плоская волна углубляется в полость, а затем выходит из нее, теряя при каждом отражении интенсивность.

Рассмотрим геометрию переотражений в поглощающей полости. Выделим критический луч, претерпевший наименьшее количество переотражений. Это луч, точка первого отражения которого лежит в плоскости вершин материала (h₁ = 0). Углубление в поглощающую полость точки второго отражения луча относительно точки первого отражения

. (4.9)

H — высота поглощающей пирамиды; q₁ — угол между отраженным после первого отражения лучом и осью пирамиды.

Аналогично вертикальное перемещение в полости точки п отражения будет

, (4.10)

Где q_n-1 = a(n -1) + q. (4.11)

Условие выхода волны из поглощающей полости после отра­жений

. (4.12)

Выражение (4.12) позволяет определить N — количество переот­ражений критического луча плоской волны до его выхода из пог­лощающей полости. Угол выхода волны

q_N = (q + a N)×(-1)^N. (4.13)

Вообще говоря, q_nнепосредственно с q не связан законом Снелла. Интенсивность отраженного поля (его геометрической состав­ляющей)

, (4.14)

где угол падения волны на поверхность граней поглощающей по­лости при п отражении

. (4.15)

В качестве примера рассмотрим поглощающую структуру рас­сеивающего типа, состоящую из совокупности пирамид, высотой H = 30 см с углом при вершине a=30°. Расчеты по формулам (4.10) — (4.12) показывают, что при углах прихода волны 0£q£40° в поглощающих полостях критический луч претерпевает N₀^o = 6, N₃₀^о = 4, N₄₀° = 3 переотражений. При этом переотражений, при которых материал полости мало отражает (угол падения J£45°), будет соответственно для трех выделенных значений угла q: N₀^o=4, N₃₀°=4, N₄₀^o = 3.

Если материал поглощающей полости обеспечивает при одно­кратном отражении в диапазоне углов падения 0°^#_п^45° ос­лабление R_n(J _n)= -17 дБ, то даже при трехкратном отражении в полости плоская волна при выходе из шиловидного РПМ ока­жется ослабленной на —50 дБ.

Как видно из (4.13), угол выхода отраженной волны изменя­ется в широких пределах и скачком меняет cвой знак в зависи­мости от того, четное или нечетное количество переотражений про­исходит в полости между соседними пирамидами. Это приводит к тому, что для точечного источника поля, находящегося над каче­ственным шиловидным РПМ типа CV или HPY, отраженное поле в коротковолновой части диапазона не имеет преимущественного направления отражений и носит характер фона с уровнем поряд­ка —50 дБ.

Некоторый минимум отражений при q» 0° используется спе­циальной ориентацией пирамид на поверхности БЭК осями на зону излучения [44].

В [82] приведены характеристики ряда материалов рассе­ивающего типа. Поглотители типа CV и HPY используют те же базовые материалы, из которых создан листовой поглотитель AN, имеющий коэффициент отражения —20 дБ. Использование пирамидальной формы позволило для по­глотителей типа CV высотой менее 30,5см обеспечить уровни от­ражения не более —50 дБ в диапазоне волн короче 1,2см и —40 дБ в трех- и десятисантиметровом диапазонах волн. Погло­тители типа HPY большей высоты обеспечивают при высоте от 30,5 до 61 см уровни отражения, не превышающие —50 дБ в трех­сантиметровом диапазоне волн, а при высотах 76,2 см и выше уровни отражения —50 дБ обеспечиваются и в десятисантиметро­вом диапазоне волн.

Поглотители HPY (в соответствии с рекомендациями каталога фирмы-изготовителя) являются основными поглотителями для по­крытия безэховых камер высшего качества.

В [82] приведены также характеристики специального тер­мостойкого поглотителя RMP на большие плотности потока мощ­ности. Поглотитель RMP изготавливается из отвержденного вспе­ненного жидкого стекла. Он обладает весьма посредственными радиотехническими характеристиками и для камер с высокой без­эховостью непригоден.

Заметим, что шиловидные структуры, имеющие отражение око­ло —20 дБ, при описанной выше геометрии могут быть созданы из РПМ, имеющего коэффициент отражения достаточно большой R_n(J _n)=-5 ¸ -6 дБ. Однако в силу всенаправленности поля, отраженного от шиловидных структур, уровень безэховости с та­кими РПМ при применении современных методов разработки БЭК не может быть выше —20 дБ. Такие РПМ непригодны для создания безэховых камер.

Уровень отраженного сигнала в безэховых камерах при при­менении качественных шиловидных материалов вида HP рассеи­вающего типа соответствует уровню отражения от РПМ и оказы­вается для ненаправленных антенн порядка —50 дБ.

Итак, проведенное рассмотрение показывает:

1. Ключевой задачей создания РПМ для БЭК является разра­ботка плоскослоистой поглощающей структуры минимальной тол­щины градиентного или интерференционного типа, обеспечивающей коэффициент отражения плоской волны не более —17 ¸ —20 дБ. По­глощающая структура должна быть достаточно однородной вдоль слоя, чтобы фон рассеянного поля не превышал уровней требуе­мой безэховости (—50 ¸ —60 дБ).

2. На основе таких структур могут быть созданы высококаче­ственные шиловидные материалы с уровнем отраженного поля —50 дБ, т. е. реализующие требуемые безэховости непосредствен­но на входе РПМ.

3. Эти структуры в виде плоских РПМ среднего качества мо­гут быть непосредственно применимы для покрытия рабочей по­верхности БЭК. Обеспечение безэховости осуществляется как по­казано в разделе 3, разработкой профиля рабочей поверхности камеры, с тем, чтобы основная часть отраженного поля была направлен вне ее безэховой зоны. В этом случае безэховость определяется уровнем дифракционного поля от рассеивающих конфигураций поглощающей поверхности камеры и, зависит от угловых характеристик френелевского коэффициента отражения от поглощаю­щего материала.