Поглощение радиочастот СВЧ диапазона

• Введение
• 1. Анализ видов радиопоглощающих материалов
• 1.1 Актуальность
• 1.2 Виды РПМ
• 1.3 РПМ на основе метаматериала
• 2. Моделирование радиопоглощающей поверхности с фиксированными размерами в EMCoS Antenna VirtualLab
• 2.1 Обзор программы
• 2.2 Моделирование РПМ
• 2.3 Изготовление РПМ методом фотолитографии
• 3. Изучение электрических характеристик эластичных проводников
• 3.1 Углеродные нанотрубки
• 3.2 Жидкие провода
• 4. Оптимизация модели под радиопоглощающий материал с динамическими размерами
• 5. Разработка рекомендаций по применению РПМ
• 5.1 Применение РПМ в ИБ
• 5.2 Побочные электромагнитные излучения и наводки
• 5.3 Подслушивающие GSM устройства
• 5.4 Скрытые Wi-Fi устройства видеонаблюдения.
• 5.5 Рекомендации по применению РПМ
• Заключение
• Список используемой литературы используемых источников

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.

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.

поглощение радиочастота эластичный проводник

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 соответственно.

Уровень поглощения находится по формуле 2

(2)

где — коэффициент отражения; - коэффициент прохождения электромагнитной волны через радиопоглощающий материал.

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

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

· R_n<n 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).

(3)

при

,

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

Поскольку R_n и T_n 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.

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.

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

(5)

где:

P_r — мощность сигнала на клеммах приёмной антенны;

P_{t -} мощность радиопередатчика;

G_{t -} коэффициент усиления передающей антенны;

A_{t -} апертура приёмной антенны;

?? — ЭПР цели в данном ракурсе;

F — коэффициент потерь при распространении сигнала;

R_{t -} расстояние от передатчика до цели;

R_{r -} расстояние от цели до приёмника.

_, (6)

где

P_r — мощность передатчика;

G_{t -} коэффициент направленного действия антенны;

A_{r -} апертура приёмной антенны;

?? — ЭПР цели в данном ракурсе;

P_{r. 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» .

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 м >300.

Таблица 2 — Зависимость частоты поглощения от размера ферритовых частиц м <300.

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 м, проводимости у 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. 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. Подобные радиопоглощающие материалы называются радиопоглощающими поверхностями на основе метаматериала.

Метаматериалы — это композиты, обладающие уникальными электрофизическими, радиофизическими и оптическими свойствами, отсутствующими в природных материалах.

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 плазменного 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. 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 и. 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.

2. Моделирование радиопоглощающей поверхности с фиксированными размерами в EMCoS Antenna VirtualLab

2.1 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]

2.2 Моделирование РПМ

В программе EMCoS VirtualLab была разработана компьютерная модель РПМ на основе ячеек метаматериала, каждая из которых составлена отдельным SRR на одной стороне подложки и рамочным крестообразным элементом на другой стороне. Обе стороны материала можно увидеть на рисунках 12 и 13, соответственно.

Рисунок 12 — Изометрия РПМ. Лицевая сторона.

Рисунок 13 — Двухмерная проекция обратной стороны РПМ.

Отдельный SRR представляет собой кольцо с четырьмя симметричными вырезами по окружности кольца.

Радиопоглощающая поверхность размера 2 на 2 элемента представляет собой периодические медные печатные элементы: кольца с одной стороны и кресты с противоположной, нанесенные на диэлектрик FR4 с диэлектрической проницаемостью е_r = 4.3, тангенсом угла потерь tgд = 2*10^-2 и размерами 41,7×41,7×1 мм³.

При моделировании РПМ методом моментов в программе EMCoS VirtualLab особое внимание уделялось выбору сетки базисных элементов, типа поверхности и способа вычислений. Мешированную на равносторонние треугольники модель можно увидеть на рисунке 14. Размер стороны треугольников сетки SRR — 0,5 мм при длине волны 3 см, что обеспечивает точность расчёта, удовлетворяющую требованиям программы EMCoS VirtualLab. Для обеспечения достоверных результатов необходимо, что бы размер стороны треугольников, на которые разбивается модель, не превышал 1/10 от длины волны. При игнорировании этого правила нарушается электродинамическая геометрия модели, появляются более грубые формы из-за чего могут накопиться погрешности. — В качестве металла использовался идеальный проводник. Диэлектрик задавался как двухмерная плоскость с нанесённый слоем «Finite dielectric substrate» толщиной в 1 мм и с сеткой с размером сторон треугольников 5 мм.

Для диэлектрика можно увеличить размер стороны треугольников. Это связано, в первую очередь, с ограничением вычислительных ресурсов компьютера. Во вторых, лист диэлектрика представляет собой однородную структуру без тонких структурных деталей. Вся модель содержит 4533 треугольника.

Рисунок 14 — Меширование модели.

При моделировании в качестве начала координат принимался центр радиопоглощающего материала. Из дальней зоны на лицевую поверхность метаматериала падает плоская электромагнитная волна под нормальным углом. Результат рассеяния отражённой от материала электромагнитной энергии в трёхмерном пространстве можно увидеть на рисунке 15.

Рисунок 15 - Рассеяние плоской ЭМВ из дальней зоны на РПМ.

Как видно на риунке 16, наиболее эффективное поглощение достигается при частоте 9,5 ГГц

Рисунок 16 - Зависимость напряженности рассеянного электрического поля от частоты.

Умение РПМ поглощать электромагнитную энергию под разными углами является одной из значительных характеристик. Неспособность поглотить электроэнергию под углом отличном от нормального значительно повышает риски обнаружения объекта/утечки информации.

Поверхность материала облучается плоской ЭМВ линейной поляризации из дальней зоны под произвольным углом к РПМ с шагом 5 градусов. Как видно на рисунке 3, РПМ способен поглощать ЭМВ падающие не только нормально к поверхности, но и под углом до 80 градусов (Рисунок 17).

Рисунок 17 - Зависимость уровня обратного рассеяния от угла падения на частоте 9,5 ГГц.

Важной характеристикой радиопоглощающих материалов является коэффициент поглощения, нахождение которого осуществляется по формуле 7.

(7)

где R и T коэффициенты отражения и поглощения соответственно, и находятся по формулам 8 и 9.

(8)

(9)

где — напряжённость амплитуды падающей волны, напряжённость амплитуды отражённой волны, — напряжённость амплитуды прошедшей волны.

В качестве основы была взята модель размером 4 на 4 элемента. Первым этапом была задача нахождения резонансной частоты, чтобы убедиться, что не происходит сдвиг последней из-за добавления новых периодических SRR элементов. Результаты можно увидеть в таблице 3. Как и в случае с размерностью 2 на 2 элемента, резонансная частота равняется 9,5 ГГц.

Вторым шагом работы являлось вычисление коэффициентов отражения и прохождения на частоте 9,5 ГГц при напряжённости амплитуды падающей волны Uпад= 1 В (12).

(10)

(11)

(12)

При сравнении коэффициентов отражения и поглощения видно, что напряжённость амплитуды прошедшей волны в два раза ниже амплитуды отражённой волны и в 685 раз ниже напряжённости амплитуды падающей волны, что подчёркивает его свойства как свойства экранирующего материала.

Было проведено сравнение зарубежного радиопоглощающего материала с полученным в данной работе по зависимости напряжённости расянной электромагнитной волны от частоты. Как можно видеть на рисунке 18, амплитуда рассеянной электромагнитной волны уменьшилась в 10 раз, а ширина полосы пропускания заметно улучшилась.

Рисунок 18 — Сравнение материалов.

Рисунок 19 - Векторное распределение токов на частоте 9.5 ГГц.

Рисунок 20 - Поверхностное распределение токов на частоте 9,5 ГГц.

Таблица 3. Зависимость напряженности амплитуды падающей и прошедшей волны от частоты

2.3 Изготовление РПМ методом фотолитографии

Изготовленный метаматериал является печатной платой с особой геометрией дорожек. Печатные платы изготавливаются различными по сложности способами.

Для изготовления качественного макета платы сначала необходимо смоделировать шаблон на компьютере с помощью специализированного программного обеспечения. Самая распространенная, специализированная программа для изготовления печатных плат — layout, широкое использование получила пятая версия программы. Ничего сложного в рисовании дорожек нет. Рисуются дорожки в том виде, как они будут отражены на плате, при распечатывании изображения программа создает зеркальное отображение дорожек. С помощью программы можно изготовить не только рисунок дорожек, но и макет надписей деталей с обратной стороны платы.

Следующим этапом необходимо очистить и обезжирить плату, можно заранее вырезать плату по размерам. От качества проделывания данной процедуры во многом зависит качество перенесенного отображения дорожек. Очищается плата очень мелкой наждачной бумагой № 1500.2500. Обезжиривается спиртом, ацетоном или другим средством, затем промывается под проточной водой. После процедуры обезжиривания трогать поверхность заготовки нельзя.

Нарисованное изображение необходимо вывести на печать, предварительно настроив принтер на самое четкое изображение и отключив экономию тонера. Распечатывать изображение необходимо на глянцевой бумаге. Когда все подготовлено, распечатываем изображение.

Изображение обрезается с запасом на 10.15 мм от размера платы. Картинка к плате прикладывается и фиксируется с загнутыми краями, при помощи скотча с обратной стороны. Далее отрезается от рулона фоторезиста подходящий по размеру кусок. Фоторезист в рулоне состоит из трех слоев. Тонкая глянцевая лавсановая пленка, сам фоторезист, и слегка матовая полиэтиленовая пленка. Полиэтилен тянется, лавсан — нет. Нужно удалить полиэтиленовую защитную пленку и наложить фоторезист на плату. Затем, зажав пленку с платой между слоями бумаги, как в конверте, отправляем в ламинатор.

Далее экспонирование. Фотошаблон прижимаем оргстеклом и освещаем ультрафиолетовой лампой. Необходимо надёжно зафиксировать лампу, чтобы расстояние всегда было стабильным, тогда и результат будет стабильным. Время экспозиции составляет 20−40. Для плат большого размера необходима равномерная засветка, в таком случае придется изменять расстояние или делать специальное приспособление. В приспособлении на фото, платы 100*80 получаются без проблем. После этого необходимо подержать плату в тёмном месте в течении 5−10 минут. Если этого не делать то, то на этапе проявления в кальцинированной соде не которые участки с тонкими дорожками могут «отскочить» .

Далее нужно проявить фоторезист. Проявляем в 5% растворе кальцинированной соды. Проявочный раствор желательно готовить на дистиллированной воде. В растворе незасвеченный фоторезист набухает и растворяется. Процессу можно помогать покачиванием кюветы или легким протиранием кисточкой. С кисточкой нужно быть осторожным, чтобы не содрать тонкие проводники. Время проявки ограничено, если дать плате в растворе лежать долго, то начнут отслаиваться засвеченные участки. Верный признак правильно подобранной выдержки экспозиции — это глянцевая поверхность засвеченных участков при нормальном растворении незасвеченных. Если засвеченные участки при проявке становятся матовыми, становятся как кожура апельсина — значит нужно увеличить время засветки.

Далее плату необходимо вытравить. Травление печатных плат хлорным железом является наиболее распространенным способом травления печатных плат в домашних условиях. Приобрести можно в магазине бытовой химии.

Приготавливается раствор хлорного железа очень просто — одна часть хлорного железа на три части воды (хлорное железо в воду, не наоборот), все это тщательно перемешать. Время травления сильно зависит от температуры воды и загрязнения раствора медью и составляет 5.50 мин. При нанесении дорожек с помощью лазерного принтера не рекомендуется поднимать температуру выше 50 гр. цельс.

После травления плату необходимо промыть под проточной водой и смыть тонер с помощью бензина, спирта или ацетона. После этого сверлятся отверстия нужного диаметра. И в завершении дорожки необходимо залудить, проще всего это делается паяльником. В процессе лужения не стоит жалеть канифоли или флюсов. Все это и не только можно посмотреть на видео, в теме изготовление печатной платы в домашних условиях.

На выходе получился готовая экспериментальная модель радиопоглощающей поверхности на основе метаматериала, структуру которого можно увидеть на рисунках 21 и 22.

Рисунок 21 — Лицевая сторона материала.

Рисунок 22 — Обратная сторона материала.

3. Изучение электрических характеристик эластичных проводников

Как было уже сказано выше, резонансная частота РПМ на основе метаматериала строго зависит от геометрических размеров кольцевых щелевых резонаторов. Стандартные проводники, которыми являются металлы, не обладают эластичностью на растягивание, из-за чего не представляется возможным создания радиопоглощающего материала с подстройкой резонансной частоты.

Решением проблемы узкополосности такого РПМ может являться применение растягивающихся материалов. Примером такого материала являются проводники из углеродных нанотрубок SWNT (single wall carbon nanotubes), ионной жидкости и эластичного субстанции, по внешнему виду напоминающей черную резину, полимер можно растягивать на 134% от первоначальной формы, а перфорированные листы — в 2.34 раза без ухудшения электропроводности.

3.1 Углеродные нанотрубки

Углеродная нанотрубка (УНТ) — это цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной сетки без швов.

Ответ уникальности свойств УНТ кроется в особенностях электронной и атомной структур этих соединений. Если в «классических» плоских ароматических структурах у — и р-связи геометрически являются ортогональными, то в фуллеренах (фуллерен — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординатных атомов углерода) и нанотрубах, за счет ненулевой кривизны поверхностей — нет. Эта неортогональность и определяет практически все многообразие и отличие их свойств.

у-связь (сигма-связь) — ковалентная связь, образующаяся перекрыванием электронных облаков «по осевой линии». Характеризуется осевой симметрией. Связь, образующаяся при перекрывании гибридных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атома.

р-связь (пи-связь) — ковалентная связь, образующаяся перекрыванием p-атомных орбиталей. В отличие от сигма-связи, осуществляемой перекрыванием s-атомных орбиталей вдоль линии соединения атомов, пи-связи, возникают при перекрывании p-атомных орбиталей по обе стороны от линии соединения атомов. Считается, что пи-связь реализуется в кратных связях — двойная связь состоит из одной сигма — и одной пи-связи, тройная — из одной сигма — и двух ортогональных пи-связей.

УНТ обладают выдающимися механическими характеристиками. Нанотрубки в 50−100 раз прочнее стали при плотности в шесть раз меньшей. Нанотрубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не рвутся, не ломаются, а просто перестраиваются.

Вопросы устойчивости материала к сжатию были рассмотрены в исследовании, проведенном учеными Политехнического Института Ренслеера (Rensselaer Polytechnic Institute). В качестве исследуемого образца был выбран кусок матрицы соединенных вместе углеродных многослойных нанотрубок площадью 2 мм². Ученые подвергли его сжатию на 25% от первоначальной высоты, после чего повторили эту операцию 500 раз.

В течение всего цикла были проведены измерения механических свойств нанотрубок. Как оказалось, механические свойства кусочка не изменились. Также остались неизменными и электропроводные свойства нанотрубок.

В итоге, учеными было установлено, что массив связанных нанотрубок имеет ярко выраженные высокоэластические свойства, в то время, как одна нанотрубка такими свойствами не обладает.

Эти свойства нанотрубок можно использовать для создания гибких материалов, обладающих высокой износоустойчивостью при создании эластичных радиопоглощающих материалов.

В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть как проводниками (если шов расположен вдоль нанотрубки) так и полупроводниками (если шов навит наискосок).

Рисунок 26 — Шов наискосок и вдоль нанотрубки, соответственно.

Ещё одним уникальным свойством нанотрубок является квантование электрического сопротивления.

Классическое сопротивление R зависит от размеров и состава материала резистора и находится по формуле 13:

(13)

где L — длина, S — площадь поперечного сечения, — удельное сопротивление материала резистора.

Сопротивление объектов квантового мира, таких как углеродные нанотрубки, не зависит ни от длины, ни от материала, из которого они сделаны, а определяются лишь двумя фундаментальными физическими константами (e и h) формулой 14 [23]:

(14)

где e — заряд электрона (1,6*10^-19 Кл), h — постоянная Планка (6,6*10^-34 Дж*с). Таким образом, квант электрического сопротивления неизменен и является одинаковым для всех резисторов квантового мира.

Несмотря на наличие в квантовом проводнике сопротивления, джоулево тепло не выделяется при прохождении тока. Такая проводимость называется баллистической. Выпущенные электроны не взаимодействуют со стенками нанотрубки. Потеря энергии происходит только в местах контакта. Этот феномен объясняется корпускулярно-волновым дуализмом. Корпускулярно-волновой дуализм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять и волновые и корпускулярные свойства. Длина волны объекта называется волной де Бройля и определяется по формуле 15

(15)

где h — постоянная Планка (6,6*10^-34 Дж*с), p — импульс объекта. При прохождении по нанопроводнику диаметром несколько нанометров, электрон проявляет волновые свойства и проходит по углеродной нанотрубке так же как свет проходит по световоду. Тем самым рассеивание джоулева тепла происходит лишь на месте соединения объектов квантового мира с объектами классической физики. Поэтому плотность тока в проводнике достигает колоссального значения — 10⁷ А/см². Классический проводник при таких значениях мгновенно бы испарился.

Углеродные нанотрубки можно получить лазерным испарением, углеродной дугой и химическим осаждением паров.

1. Лазерное испарение. Кварцевая труба, содержащая газообразный аргон и мишень из графита, нагревается до 1200 °C. Внутри трубки, но за пределами печи находится охлаждаемый водой медный коллектор.

Рисунок 27 — Установка для получение нанотрубок лазерным методом.

Графитовая мишень содержит небольшие количества кобальта и никеля, выступающие в качестве каталитических зародышей образования нанотрубок. При попадании высокоинтенсивного лазерного облучения (Nd лазер, длина волны 532 нм, энергия импульса 250 мДж, длительность 10 нс) на мишень графит испаряется. Поток аргона выносит атомы углерода из высокотемпературной зоны к охлаждаемому медному коллектору, на котором и происходит образование нанотрубок. Таким методом можно получить трубки диаметром 10 — 20 нм и длиной 100 микрон. Недостаток этого метода — малая производительность. Усовершенствованная методика позволяет получать до 10 г материала с содержанием до 50%многостенных нанотрубок.

2. Наиболее распространенный способ получения нанотрубок — электродуговое испарение графитовых электродов. Чтобы обеспечить стабильность дуги, зазор между электродами поддерживается перемещением одного или сразу двух электродов. Для получения многослойных нанотрубок проводится испарение при 450 мм рт. ст. Не. К электродам из. углерода диаметром 5 — 20 мм, разнесенным на расстояние около 1 мм, в потоке гелия прикладывается напряжение 20 — 25 В. Атомы углерода вылетают из положи тельного электрода и образуют нанотрубки на отрицательном, при этом дли на положительного электрода уменьшается. Для получения однослойных нанотрубок в центральную область положительного электрода добавляют небольшие количества кобальта, никеля или железа в качестве катализаторов. Если не использовать катализаторы, получаются вложенные или многослойные нанотрубки, то есть нанотрубка внутри нано трубки. Дуговым методом можно получить однослойные нанотрубки диаметром 1 — 5 нм и длиной порядка 1 мкм.

3. Метод химического осаждения из паровой фазы заключается в разложении газообразного углеводорода, на пример, метана (СН₄), при температуре 1100 °C. При разложении газа образуются свободные атомы углерода, конденсирующиеся затем на более холодной подложке, которая может содержать разнообразные катализаторы, такие как железо. Этот процесс позволяет получать продукт непрерывно и, возможно, является наиболее предпочтительным для увеличения масштабов при промышленном производстве.

Отличие методов получения нанотрубок одностенных и многогстенных в том, что для первых требуется металлический катализатор. Механизм роста нанотрубок до сих пор неясен. Так как для роста однослойных трубок необходим металличе ский катализатор, механизм должен объяснять роль атомов кобальта или никеля. Одно из предложений, называемое «механизмом скутера», состоит в том, что атомы металлического катализатора присоединяются к оборванным связям на открытом конце трубки и обегая ее по краю, способствуют захвату атомов углерода из паровой фазы и их встраиванию в стенку трубки.

Для получения одностенных углеродных нанотрубок лазерным испарением в графит добавляют металлические катализаторы: Co и Ni, Co и Pt, Ni и Pt, Cu и Pt. Для получения одностенных углеродных трубок электродуговым методом — анод содержит смесь одного и более порошков металла (Ni, Co, Fe, Mn, Cu, Zn, Cd, Y, Pt, Pd, Ru, Ag, Li, B, Al, In, Si и др.) При пиролизе углеводородов, чаще всего ацетилена и этилена, над металлическими катализаторами Ni, Co, Fe, нанесённых на Al₂ O3 или SiO ₂ при температуре 500−800 C также образуются одностенные нанотрубки.

К сожалению, ни один из известных способов синтеза нанотрубок не позволяет получить их в чистом виде. Обычно при синтезе получается смесь нанотрубок разных типов с различным характером и величиной электропроводности. Поэтому стадии выделения и очистки наиболее трудоемкие при получении чистых углеродных нанотрубок.

Группа из IBM разработала метод отделения полупроводящих нанотрубок от металлических. Для разделения смешанные пучки нанотрубок осаждают на кремниевую подложку, а затем на эти пучки напыляют металлические электроды. Используя подложку как электрод, на него подают небольшое напряжение смещения, запирающее полупроводни ковые трубки и эффективно превращающее их в изоляторы. Затем между метал лическими электродами прикладывается высокое напряжение, создающее боль шой ток в металлических нанотрубках, что приводит к их испарению, после чего на подложке остаются только полупроводниковые нанотрубки.

Основные примеси углеродных нанотрубок — фуллерены, углеродные частицы и металлический катализатор. Фуллерены отделяют ароматическими углеводородами. Для удаления частиц катализатора одностенные нанотрубки обрабатывают разбавленными кислотами (HSO₄, HNO₃, HCl) и отмывают от образовавшихся солей. Лучшему удалению металлов способствует предварительная гидротермальная обработка.

Для удаления углеродных частиц графита и аморфного углерода нанотрубки окисляют. Скорость окисления углеродных частиц превышает таковую для нанотрубок, что позволяет очистить последние от углеродных примесей. При таком методе теряется некоторое количество нанотрубок. Окисление образцов проводят при повышенных температурах в газовой фазе на воздухе или кислородом. Возможно окисление в жидкой фазе: в концентрированной HNO ₃, смесях H₂ SO₄ и NH₃ или H₂ O₂ и других окислителях. Окисление удаляет аморфный углерод и мелкие графитовые частицы. При этом появляются открытые концы нанотрубок и появляются дефекты их стенок. Также возможно отделение углеродных частиц от нанотрубок селективным взаимодействием последних с растворами органических полимеров, образующие стабильные суспензии с одностенными и многостенными нанотрубками. Частицы аморфного углерода выпадают в осадок. Обволакивающие нанотрубки полимерные молекулы можно легко отделить с помощью замены растворителя или мягким окислением. Очистку одностенных углеродных нанотрубок можно провести микрофильтрацией. Процесс очистки включает образование суспензии углеродных сферических частиц, наночастиц металлических катализаторов, наночастиц аморфного углерода и одностенных углеродных нанотрубок, в водном растворе катионнобменных поверхностноактивных веществ с последующем удерживанием углеродных нанотрубок на мембранном фильтре. В этом случаи не требуется окислительной обработки исходного материала с нанотрубками. По данным спектроскопии комбинационного рассеяния получаются одностенные углеродные нанотрубки с чистотой более 90 весовых %. При очистки углеродных нанотрубок эксклюзионной колоночной хроматографией в качестве неподвижной фазы используют полиакрилат калия. После набухания полиакрилата при вакуумном фильтровании в порах задерживаются более крупные частицы углерода и катализатора, тогда как углеродные нанотрубки проходят. Задержанный углерод окисляют азотной кислотой с образованием карбоксиамидов в водной среде. Широкие перспективы открывает использование модифицированных нанотрубок, то есть, не самих нанотрубок в чистом виде, а соединений или композиций с другими веществами на основе нанотрубок.

3.2 Жидкие провода

Более классическим способом может являться использование эластичных проводников из сплава жидких проводников заключённых в растягивающуюся обкладку (рисунок 28).

В Университете Северной Каролины (США) разработаны электрические провода, которые можно растянуть, увеличив их длину в восемь (!) раз при полном сохранении функциональности.

Для создания «растягивающихся» проводов учёным понадобились тонкие трубочки из сверхэластичного полимера, которые затем были заполнены жидким металлическим сплавом галлия и индия (эвтектический расплав), который является хорошим электрическим проводником. В качестве материала для эластичной изоляционной обкладки был выбран трёхблочный сополимер SEBS.

В случае более традиционного подхода к созданию эластичных проводов, основанного на встраивании металла в полимерную матрицу, значительное повышение содержания металла хотя и улучшает проводимость композита, но отрицательно сказывается на его эластичности. Иначе говоря, либо высокая проводимость, либо эластичность, что делает всю затею бессмысленной. В данном исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Advanced Functional Materials, использование сплава индия-галлия позволяет довести содержание проводника до 100% и при этом сохранить невероятную эластичность.

Недостатками таких эластичных проводов являются высокая цена сплава индия и галия и проблема вытекания металла при механическом повреждении обкладки.

4. Оптимизация модели под радиопоглощающий материал с динамическими размерами

Следующим этапом нашей работы является зависимость изменения размеров всего РПМ. (размер RSS ячейки и размер диэлектрика). Взятая за основу базовая модель ЧСП с размерами диэлектрика 41,7×41,7×1 мм³ и RSS с ячейкой размера 8,33×8,33×1 мм³ размеры которой, кроме толщины диэлектрика, были увеличены относительно первоначальных значений на 20% и 40%, а количество треугольников компьютерной модели изменилось на 1727 и 3521 единиц соответственно.