DE102010055850B4 - Absorber für elektromagnetische Wellen - Google Patents

Abstract

Absorber für elektromagnetische Wellen, mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten, in Normalenrichtung des Absorbers (F,F') aufeinander folgenden Schichtenfolgen (A,B,C,D,E), wobei jede der Schichtenfolgen (A,B,C,D,E)- wenigstens eine Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14, A,A,A,A) , welche mit einem vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand behaftet ist, und- wenigstens eine vor oder hinter der Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14, A,A,A,A) angeordnete, als Abstandshalter fungierende Isolatorschicht (3,6,9,12,15, S,S,S) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14) wenigstens aus einer Grundschicht (2,5,8,11,14) und wenigstens einer davor oder dahinter angeordneten, mit einem endlichen elektrischen Flächenwiderstand behafteten Leitschicht (1,4,7,10,13) besteht, so dass jede der Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) wenigstens je eine Grundschicht (2,5,8,11,14), je eine Leitschicht (1,4,7,10,13) und je eine Isolatorschicht (3,6,9,12,15) aufweist, welche hintereinander angeordnet sind, wobeidie Leitschicht (1,4,7,10,13) durch eine Beschichtung (1,4,7,10,13) der Grundschicht (2,5,8,11,14) gebildet ist, und wobeidie Leitschicht (1,4,7,10,13), die Grundschicht (2,5,8,11,14) und die Isolatorschicht (3,6,9,12,15) jeder der Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) zusammen jeweils einen flächigen Verbund (A,B,C,D,E) bilden.

Description

• Technisches Gebiet:
• Die Erfindung betrifft einen Absorber für elektromagnetische Wellen.
• Stand der Technik:
• Um die Feldstärken einer elektromagnetischen Welle (EM-Welle) zu reduzieren werden Schirme eingesetzt. Die aus leitfähigem Material bestehenden Schirme haben jedoch den Nachteil, dass die EM-Welle reflektiert wird und sich somit weiter ausbreitet. Durch die weitere Ausbreitung der EM-Welle können Interferenzen und Resonanzen entstehen, welche die Beeinträchtigung oder gar Zerstörung von Komponenten zur Folge haben kann. Dieses Problem gewinnt an Bedeutung, wenn das Schirmgehäuse über Öffnungen und Zuleitungen verfügt. Um die Resonanzen und Interferenzen zu vermeiden ist es sinnvoll einen Absorber einzusetzen um die EM-Welle in Wärme umzuwandeln und somit die weitere Ausbreitung zu vermeiden.
• Dafür wurden in der Vergangenheit verschiedene Konzepte von flächigen Absorbern für den Frequenzbereich von 0,5 GHz bis in den Zentimeterwellenbereich entwickelt.
• Eine besonders preisgünstige Möglichkeit einen planaren Absorber zu realisieren ist der Salisbury Screen, der aus einem Absorberlayer und einem Reflektor besteht und in der US 2599944 beschrieben ist. Aber er hat den Nachteil, dass nur ein geringer Frequenzbereich mit einer schmalen Bandbreite absorbiert werden kann. Ein mehrfaches Hintereinanderschalten solcher Strukturen bringt ebenfalls keine Abhilfe.
• Aus der EP 0238291 A1 ist ein Absorber für elektromagnetische Wellen bekannt, welcher eine Deckschicht und eine Absorptionsschicht aufweist, wobei die Deckschicht aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 10⁴ Qcm und die Absorptionsschicht aus einem Komposit besteht, welches Fasern mit einem spezifischen Widerstand zwischen 10^-2 und 10⁴ Qcm enthält.
• Die DE 69507528 T2 und die EP 0677888 A1 offenbaren jeweils einen Absorber für elektromagnetische Wellen mit einer ersten Schicht aus dielektrischem Material, einer Wellenreflexionsschicht, einer ersten Widerstandsschicht und einer zweiten Schicht aus dielektrischem Material.
• Die EP 0323826 A1 und die DE 68928378 T2 beschreiben jeweils einen Absorber für elektromagnetische Wellen mit einer Absorptionsschicht aus nicht-gewebtem Stoff, welcher leitende und nichtleitende Fasern enthält.
• Die DE 4005676A1 und die EP 0443564 A2 beschreiben jeweils eine Vorrichtung zur Absorption elektromagnetischer Wellen an Gebäuden, mit keramischen Platten, die mit einer Widerstandsbeschichtung mit einstellbarem Widerstand versehen sind. Die keramischen Platten können hierbei als Fassadenverkleidung dienen.
• Alle diese Absorber sind mit dem Nachteil behaftet, relativ schmalbandig zu sein.
• Weiterhin wurden „integrated circuit“-Absorber entwickelt, vgl. Kotsuka und Amano, „Broadband em-wave absorber based on integrated circuit concept," in: Microwave Symposium Digest, 2003 IEEE MTT-S International, Juni 2003, Ausgabe 2, Seiten 1263-1266. Einige sind mittels eines Stromes abgleichbar, vgl. Tennant und Chambers, „A single-layer tuneable microwave absorber using an active fss," in: Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, Ausgabe 14, Nr. 1, Seiten 46-47, Januar 2004. Diese Typen von Absorbern sind jedoch im Aufbau komplex und dadurch aufwändiger in der Herstellung.
• Des weiteren wird verwiesen auf die Veröffentlichung von Carsten Rabe mit dem Titel „Electromagnetic wave absorber design by using conductive sheets", 54. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium. Technische Universität Ilmenau: 07.-10.09.2009, Verl. ISLE, S. 127, ISBN 978-3-938843-44-4.
• Die EP 0828313 A2 offenbart einen Absorber für elektromagnetische Wellen mit einer ersten Ferritschicht, welche an einer Metallplatte zur Reflexion elektromagnetischer Wellen angeordnet ist, einer zweiten Ferritschicht, welche dünner ist als die erste Ferritschicht, und einem Dielektrikum, welches zwischen der ersten und der zweiten Ferritschicht angeordnet ist. Nachteilig hierbei sind die hohe Masse und die hohen Kosten der Ferritschicht.
• Die Gebrauchsmusterschrift DE G9209048 betrifft einen breitbandigen Hochfrequenzenergie-Flachabsorber aus einem plattenförmigen Element zum Verkleiden von Wand- und Deckenflächen elektromagnetisch abzuschirmender Räume. Der Absorber weist eine elektrisch leitfähige Schicht und mindestens zwei magneto-dielektrische Schichten auf, welche eine Ferritkachelschicht einschließen. Durch die Ferritkachelschicht weist dieser Absorber eine sehr hohe Masse pro Flächeneinheit auf und ist in der Herstellung aufwändig und teuer.
• Die EP 1267601A2 offenbart einen Absorber für elektromagnetische Wellen, welcher Pulver einer Fe-Si-Legierung enthält.
• Die DE 68915635T2 beschreibt einen Absorber für elektromagnetische Wellen mit einer elektrisch leitenden Platte, einer Ferritplatte und einer zwischen diesen angeordneten dielektrischen Platte.
• Die EP 1146591 A2 offenbart einen Absorber für elektromagnetische Wellen mit magnetischen Partikeln, welche einen Korndurchmesser von weniger als 10 Mikrometern aufweisen.
• Auch diese drei letztgenannten Absorber weisen eine hohe Masse pro Flächeneinheit auf und sind in der Herstellung aufwändig und teuer.
• Die US 3349396 A beschreibt ein flexibles Material zur Abschwächung von Radarstrahlung, welches mehrere Schichten umfasst, wobei insbesondere eine Absorberschicht vorgesehen ist, welche aus einem Glasgewebe bestehen kann, das mit einem Elastomer wie Neopren oder einem anderen flexiblen Kunstharz beschichtet ist, wobei das Elastomer in der Beschichtung halbleitende Teilchen aufweist, um eine ausgewählte Impedanz der Absorberschicht zu erzielen, und wobei unterhalb der Absorberschicht eine Abstandschicht angeordnet ist, welche beispielsweise als Polyethylen-Film ausgebildet ist.
• Die DE 10 2008 051 028 A1 beschreibt eine Anordnung zur Absorption von elektromagnetischen Wellen, bei der mehrere metallisch leitende Nano-Filme in einem elektromagnetische Wellen aufweisenden Raum angeordnet sind, der durch mehrere Metallwände begrenzt ist, wobei die Nano-Filme einen Flächenwiderstand Z zwischen 10 und 1.000 Ω aufweisen, um eine reflexionsarme und frequenzunabhängige Absorberanordnung zu schaffen, wobei die Anordnung beispielsweise als reflexionsfreie Absorberplatte ausgebildet sein kann, die eine Anordnung aus metallischen Nano-Filmen umfasst, die durch Stützschichten, die zum Beispiel aus hochporösem Hartschaum oder Wellpappe bestehen, getrennt sind, und wobei die Nano-Filme beispielsweise aus einer Aluminiumschicht bestehen, die auf einem Polymer-Trägerfilm aus Polyethylen aufgebracht ist.
• In US 4038660 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Jaumann Mikrowellen-Absorbers beschrieben.
• Technische Aufgabe:
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Absorber für elektromagnetische Wellen zu schaffen, welcher besonders wirksam sowie kostengünstig mit geringer Masse pro Flächeneinheit herstellbar und universell einsetzbar ist.
• [A1] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Absorber für elektromagnetische Wellen, mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten, in Normalenrichtung des Absorbers aufeinander folgenden Schichtenfolgen, wobei jede der Schichtenfolgen wenigstens eine Widerstandsschicht, welche mit einem vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand behaftet ist, und wenigstens eine vor oder hinter der Widerstandsschicht angeordnete, als Abstandshalter fungierende Isolatorschicht aufweist.
• Die Widerstandsschicht kann z.B. aus einem dotierten Halbleitermaterial bestehen.
• [A2] Gemäß der Erfindung besteht die Widerstandsschicht wenigstens aus einer Grundschicht und wenigstens einer davor oder dahinter angeordneten, mit einem endlichen elektrischen Flächenwiderstand behafteten Leitschicht, so dass jede der Schichtenfolgen wenigstens je eine Grundschicht, je eine Leitschicht und je eine Isolatorschicht aufweist, welche hintereinander angeordnet sind. Die Reihenfolge dieser drei Schichten kann hierbei in jeder der Schichtenfolgen die gleiche sein; dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
• Die Leitschicht kann z.B. aus einem dotierten Halbleitermaterial bestehen.
• Die Grundschicht besteht vorzugsweise aus einem Isolator. Der elektrische Flächenwiderstand der Widerstandsschicht ist dann allein durch den elektrischen Flächenwiderstand der Leitschicht gegeben. Gemäß einer anderen Variante weisen sowohl die Grundschicht als auch die Leitschicht jeweils einen bestimmten elektrischen Flächenwiderstand auf.
• [A3] Die Leitschicht ist durch eine Beschichtung der Grundschicht gebildet.
• [A4] Gemäß der Erfindung bilden die Leitschicht, die Grundschicht und die Isolatorschicht jeder der Schichtenfolgen zusammen jeweils einen flächigen Verbund.
• [A5] Der Absorber kann ferner eine Reflektorschicht aufweisen, welche imstande ist, elektromagnetische Wellen nach Durchlaufen der Schichtenfolgen zu reflektieren.
• [A6] Vorzugsweise befinden sich alle Schichtenfolgen auf ein- und derselben Seite der Reflektorschicht. Die Reflektorschicht kann insbesondere eine äußere Oberfläche des Absorbers bilden.
• [A7] Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt die Stärke der Isolatorschichten von jeder Isolatorschicht zur nächstfolgenden Isolatorschicht bzw. von jeder Schichtenfolge zur nächstfolgenden Schichtenfolge ab.
• [A8] Gemäß einer ebenfalls sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Widerstandsschichten von jeder Widerstandsschicht zur nächstfolgenden Widerstandsschicht bzw. von jeder Schichtenfolge zur nächstfolgenden Schichtenfolge zu und somit der elektrische Flächenwiderstand der Widerstandsschichten von jeder Widerstandsschicht zur nächstfolgenden Widerstandsschicht bzw. von jeder Schichtenfolge zur nächstfolgenden Schichtenfolge ab.
• [A9] Bevorzugt besteht wenigstens eine der Grundschichten, vorzugsweise alle Grundschichten, aus Kunststoff, insbesondere aus PI (Polyimid), PEN (Polyethylennaphthalat), PET, PVT, PA, PP, PE oder PAL.
• [A10] Bevorzugt besteht wenigstens eine der Leitschichten, bevorzugt alle Leitschichten, aus leitfähigem Füllstoff, insbesondere aus Ag-Zeolith, PANI-Zeolith, PANI-Pulver, Metall-Pulver, Sn-Zeolith, Zinnoxid, Kohlefasern, Ferrit-Pulver oder Modifikationen davon, oder aus Graphit. Gemäß einer anderen Variante besteht wenigstens eine der Leitschichten, bevorzugt alle Leitschichten, aus Bindemittel, insbesondere PVAc (Polyvinylacetat), Polyacrylat, Polystyrol, PET-Hydrolysat oder Acrylharz. Gemäß einer weiteren Variante besteht die Leitschicht aus intrinsisch leitfähigem Polymer, insbesondere Polyanilin.
• [A11] Bevorzugt besteht wenigstens eine der Isolatorschichten, bevorzugt alle Isolatorschichten, aus einem Dielektrikum, insbesondere Polystyrolschaum.
• [A18] Gemäß einer sehr vorteilhaften Variante ist der Absorber biegsam bzw. flexibel, so dass er imstande ist, sich an unebene Flächen anzupassen. Bevorzugt bestehen die Isolatorschichten hierbei aus aufgeschäumtem Kunststoff.
• [A12] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist jede der Schichtenfolgen zusätzlich eine elektrisch leitende Schicht, welche insbesondere eine metallisch leitende Schicht sein kann, auf.
• [A13] Bevorzugt ist die Anzahl der hintereinander angeordneten, in Normalenrichtung des Absorbers aufeinander folgenden Schichtenfolgen gleich fünf.
• Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht in der Absorption und damit Umwandlung der EM-Welle in Wärme durch ein Schichtsystem. Das Schichtsystem weist Absorberschichten mit definierten Flächenwiderständen auf. Die Absorberschichten sind, vorzugsweise mit geeigneten Abständen, übereinander bzw. hintereinander angeordnet, überraschenderweise resultiert daraus eine erhöhte Absorption. Durch das Schichtsystem (Multilayerabsorber) kann ein breiter Frequenzbereich mit hoher Absorptionsrate abgedeckt werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Kombination von mehreren Absorberlayern und einer geeigneten Anordnung derer zueinander überraschenderweise einen breitbandigen Flachabsorber mit gesteigerter Absorptionsrate ermöglicht.
• Der Aufbau des Flachabsorbers ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Flächenwiderstand der Absorberlayer und deren Abstände zueinander die EM-Welle optimal absorbieren. Vorzugsweise befindet sich am Ende des Absorbers ein Reflektor für die EM-Welle. Der prinzipielle Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform des Absorbers ist in 2 dargestellt. Dabei sind A₁ bis A_N die Absorberlayer, d₁ bis d_N die Abstände zwischen den Absorberlayern, R der Reflektor und σ₁ bis σ_N die Leitwerte der Absorberlayer. Die Bandbreite und Absorption des Flachabsorbers kann optimiert werden.
• Das System besteht vorzugsweise aus einer nach Frequenzbereich und Dämpfung angeordneten Abfolge von vorzugsweise fünf Absorberlayern. Die Absorberlayer bestehen vorzugsweise aus mit elektrisch leitfähigen Substraten beschichteten Kunststoffen. Die Kunststoffe bestehen vorzugsweise aus PI, PEN, PET, PVC, PA, PP, PE oder PAL.
• Zur Herstellung der definierten elektrischen Leitfähigkeit werden vorzugsweise verwendet:
• - leitfähige Füllstoffe wie Ag-Zeolithe, PANI-Zeolithe, PANI-Pulver, Metall-Pulver, Sn-Zeolithe, Zinnoxide, Kohlefasern, Ferrit-Pulver und Modifizierungen daraus, vorzugsweise Graphit,
• - Bindemittel wie PVAc, Polyacrylate/Polystyrol, PET-Hydrolysat Acrylharze,
• - auf geprimerte und ungeprimerte Kunststofffolien aufpolymerisierte intrinsisch leitfähige Polymere wie Polyanilin.
• Die Abstandshalter werden bevorzugt durch definierte dielektrische Materialien bzw. Polystyrolschaum realisiert.
• Die Abstände und Flächenwiderstände genügen vorzugsweise einer Funktion bzw. einer mathematischen Formel.
• [A14] Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absorbers sind die Stärken dn der Isolatorschichten gegeben
• - durch die Formel (1): d_n = a * cos (π*(n-1) / 2N)
• - oder durch die Formel (1'): d_n = a * cos (π*(n-1) / 2N) ± X% ,
wobei die Zahl N die Gesamtzahl der Schichtenfolgen des Absorbers und die Zahl n die laufende Nummer der betroffenen Schichtenfolge angibt, so dass n=1....N, und wobei a eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Entfernung, z.B. Millimeter oder Mikrometer, und X eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
• Die Zahl X gibt für jede Isolatorschicht einen Bereich für deren Stärke vor.
• [A15] Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absorbers sind die Leitfähigkeiten oder spezifischen Leitfähigkeiten der Widerstands- bzw. Leitschichten gegeben
• - durch die Formel (2): σ_n = b * sin (π*n /2N) / sin (π / 2N)
• - oder durch die Formel (2'): σ_n = b * sin (π*n / 2N) / sin (π /2N) ± Y%,
wobei die Zahl N die Gesamtzahl der Schichtenfolgen des Absorbers und die Zahl n die laufende Nummer der betroffenen Schichtenfolge angibt, so dass n=1....N, und wobei b eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Leitfähigkeit oder spezifischen Leitfähigkeit und Y eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
• Die Zahl b kann insbesondere eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Flächenleitfähigkeit oder spezifischen Flächenleitfähigkeit sein. Die Werte σ_n sind dann spezifische Flächenleitfähigkeiten. Die Zahl Y gibt für jede Widerstands- oder Leitschicht einen Bereich für deren Leitfähigkeit z.B. deren spezifische Flächenleitfähigkeit, vor.
• [A16] Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absorbers weist dieser eine Mehrzahl M von Schichtenfolgen auf, wobei die Stärken der Isolatorschichten dieser Schichtenfolgen
• - entweder der Formel (3): d_m = a * cos (π*(m-1) / 2M)
• - oder der Formel (3'): d_m = a * cos (π*(m-1) / 2M) ± X%
genügen, wobei m eine natürliche Zahl zwischen 1 und M, a eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Entfernung und X eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
• Der Wert der Zahl m ist bevorzugt für jede dieser M Schichtenfolgen ein anderer.
• [A17] Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absorbers weist dieser eine Mehrzahl M von Schichtenfolgen auf, wobei die Leitfähigkeiten oder spezifischen Leitfähigkeiten der Widerstands- bzw. Leitschichten dieser Schichtenfolgen
• - entweder der Formel (4): σ_ρ = b * sin (π*p / 2P) / sin (π / P)
• - oder der Formel (4'): σ_p = b * sin (π*p / 2P) / sin (π / 2P) ± Y%
genügen, wobei p eine natürliche Zahl zwischen 1 und P, b eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Leitfähigkeit oder spezifischen Leitfähigkeit und Y eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
• Der Wert der Zahl p ist bevorzugt für jede dieser P Schichtenfolgen ein anderer. Selbstverständlich kann die Zahl P insbesondere gleich der Zahl M sein.
• Wenn der Absorber gemäß Formel (1) oder (1') oder (3) oder (3') ausgeführt ist, verhält er sich wie eine Bandsperre oder ein Bandfilter, d.h. elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzbereichs werden von dem Absorber stärker gedämpft bzw. absorbiert als elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz außerhalb dieses Bereichs. Die im Zentrum dieses Bereichs liegende Frequenz wird als Mittenfrequenz bezeichnet.
• [A18] Bevorzugt genügt die Konstante a entweder der Formel a = c / (4*f) oder der Formel a = c / (4*f) ± Z%, wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit, f die Mittenfrequenz des Absorbers oder die Frequenz einer von dem Absorber bevorzugt zu absorbierenden elektromagnetischen Welle und Z eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
• [19] Bevorzugt liegt der Flächenwiderstand der am schlechtesten leitenden Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14) oder der am schlechtesten leitenden Leitschicht (1,4,7,10,13) zwischen 300 Ohm und 2000 Ohm.
• Realisierungsbeispiel: Tabelle 1: Realisierungsbeispiel

  n	R sheedn [Ohm]	dn [mm]
  1	1379,3	20
  2	725,1	19
  3	526,8	16,2
  4	448,2	11,8
  5	426,2	6,2

• Die Parameter für ein Realisierungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flachabsorbers mit fünf Absorberlayern, vorgesehen für den Frequenzbereich von 1 bis 6 GHz, sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Zahl n bezeichnet die fortlaufende Nummer der betroffenen Schichtenfolge (n=1...5), R sheed_n bezeichnet den Flächenwiderstand der Widerstandsschicht der betreffenden Schichtenfolge n und d_n bezeichnet die Stärke bzw. Dicke der jeweils zugehörigen als Abstandshalter fungierenden Isolatorschicht. Als Abstandshalter wurde Polystyrol zugrunde gelegt. Die Absorption des Prototypen ist in 3 dargestellt.
• Kurzbeschreibung der Zeichnung, in welcher schematisch gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zeigen:
• 1 einen erfindungsgemäßen Absorber für elektromagnetische Wellen, welcher aus fünf Schichtenfolgen von je drei Schichten und einer Reflektorschicht besteht,
• 2 einen weiteren erfindungsgemäßen Absorber für elektromagnetische Wellen, welcher aus eine Anzahl N von Schichtenfolgen und einer Reflektorschicht besteht, und
• 3 eine gemessene Kurve der Reflexion eines Prototypen eines erfindungsgemäßen Absorbers.
• In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absorbers F' für elektromagnetische Wellen bzw. für elektromagnetische Strahlung schematisch dargestellt. Der Absorber F' besteht aus fünf hintereinander angeordneten, d.h. in Normalenrichtung des Absorbers F' aufeinander folgenden Schichtenfolgen A,B,C,D,E und einer Reflektorschicht R'.
• Im Beispiel von 1 fallen von links elektromagnetische Wellen EM-W auf den Absorber F', welche durch nach rechts weisende Pfeile angedeutet sind, wobei die Richtung der Pfeile die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen angibt.
• Jede der Schichtenfolgen A,B,C,D,E besteht aus einer Widerstandsschicht 1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14, welche mit einen vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand behaftet ist, und einer hinter der Widerstandsschicht 1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14 angeordneten, als Abstandshalter zwischen den Widerstandsschichten fungierenden Isolatorschicht 3,6,9,12,15.
• Jede der Widerstandsschichten 1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14 besteht ihrerseits aus einer nichtleitenden Grundschicht 2,5,8,11,14 und einer jeweils davor angeordneten, auf die betreffende Grundschicht aufgebrachten, mit dem vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand behafteten Leitschicht 1,4,7,10,13.
• Somit besteht im Beispiel des erfindungsgemäßen Absorbers F' von 1 jede der Schichtenfolgen A,B,C,D,E aus je einer Grundschicht 2,5,8,11,14, je einer Leitschicht 1,4,7,10,13 und je einer Isolatorschicht 3,6,9,12,15, wobei sich die Grundschicht jeder Schichtfolge A,B,C,D,E jeweils zwischen der Leitschicht und der Isolatorschicht der betreffenden Schichtenfolge befindet.
• Die Leitschicht 1,4,7,10,13 jeder Schichtenfolge A,B,C,D,E ist durch je eine Beschichtung 1,4,7,10,13 der Grundschicht 2,5,8,11,14 der betreffenden Schichtenfolge A,B,C,D,E gebildet. Die Beschichtung kann z.B. durch Aufdampfen oder Aufpolymerisieren hergestellt sein.
• Grundsätzlich sind alle Materialien, mit denen sich eine Fläche mit endlichem Flächenwiderstand herstellen lässt, als Material für die Leitschicht bzw. Widerstandsschicht geeignet. Der Flächenwiderstand der Leitschicht bzw. Widerstandsschicht braucht prinzipiell nicht über diese gesamte Fläche konstant zu sein.
• Die Leitschicht, die Grundschicht und die Isolatorschicht jeder der Schichtenfolgen A,B,C,D,E bilden zusammen jeweils einen flächigen Verbund aus drei Schichten.
• Der erfindungsgemäße Absorber F' weist im Beispiel von 1 ferner eine Reflektorschicht R' auf, welche imstande ist, elektromagnetische Wellen EM-W nach Durchlaufen der Schichtenfolgen A,B,C,D,E zu reflektieren, wobei sich alle fünf Schichtenfolgen A,B,C,D,E auf ein- und derselben Seite der Reflektorschicht R' befinden, nämlich auf derjenigen Seite, welche der (nicht dargestellten) Quelle der einfallenden elektromagnetischen Wellen EM-W zugewandt ist.
• Die Stärke der Isolatorschichten 3,6,9,12,15 nimmt, im Beispiel von 1 von links nach rechts, in Laufrichtung der einfallenden elektromagnetischen Wellen EM-W, von jeder Isolatorschicht zur nächstfolgenden Isolatorschicht bzw. von jeder Schichtenfolge A,B,C,D,E zur nächstfolgenden Schichtenfolge A,B,C,D,E ab.
• Die elektrische Leitfähigkeit der Leitschichten 1,4,7,10,13 hingegen nimmt, im Beispiel von 1 wieder von links nach rechts, von jeder Leitschicht zur nächstfolgenden Leitschicht bzw. von jeder Schichtenfolge A,B,C,D,E zur nächstfolgenden Schichtenfolge A,B,C,D,E zu. Dies bedeutet, dass der elektrische Flächenwiderstand der Leitschichten 1,4,7,10,13 von jeder Leitschicht zur nächstfolgenden Leitschicht bzw. von jeder Schichtenfolge A,B,C,D,E zur nächstfolgenden Schichtenfolge A,B,C,D,E, in 1 von links nach rechts, abnimmt.
• Diese Veränderungen der Stärke der Isolatorschichten 3,6,9,12,15 und der Leitfähigkeit der Leitschichten 1,4,7,10,13 von einer Schichtenfolge A,B,C,D,E zur nächsten bewirkt vorteilhafterweise eine erhebliche Steigerung der Absorptionsfähigkeit des Absorbers F' für elektromagnetische Wellen.
• Die Grundschichten 2,5,8,11,14 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus PI, PEN, PET, PVT, PA, PP, PE oder PAL.
• Die Leitschichten 1,4,7,10,13 bestehen vorzugsweise aus
• - leitfähigem Füllstoff, insbesondere aus Ag-Zeolith, PANI-Zeolith, PANI-Pulver, Metall-Pulver, Sn-Zeolith, Zinnoxid, Kohlefasern, Ferrit-Pulver oder Modifikationen davon, oder aus Graphit
• - oder aus Bindemittel, insbesondere PVAc, Polyacrylat, Polystyrol, PET-Hydrolysat oder Acrylharz
• - oder aus intrinsisch leitfähigem Polymer, insbesondere Polyanilin.
• Die Isolatorschichten 3,6,9,12,15 bestehen vorzugsweise aus einem Dielektrikum wie z.B. Polystyrolschaum.
• 2 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für einen erfindungsgemäßen Absorber F bzw. Flachabsorber F für elektromagnetische Wellen. Der Absorber F von 2 besteht aus einer Anzahl N von Schichtenfolgen A₁ ,S₁, A₂,S₂, A₃,S₃, ...., A_N,S_N und einer sich an diese Schichtenfolgen rechts anschließenden Reflektorschicht R. Diese besteht bevorzugt aus dünnem leitfähigem Material wie z.B. Aluminiumfolie oder Kupferfolie.
• Die Schichten A₁,A₂,A₃,A_N sind Widerstandsschichten, welche jeweils mit einen vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand behaftet sind und daher spezifische elektrische Leitfähigkeitswerte aufweisen, welche in 2 mit σ1,σ2,σ3,σN. bezeichnet sind. Die Schichten S₁,S₂,S₃,S_N sind als Abstandshalter zwischen den Widerstandsschichten A₁,A₂,A₃,A_N fungierende Isolatorschichten.
• Jede der Widerstandsschichten A₁,A₂,A₃,A_N kann ihrerseits aus einer nichtleitenden Grundschicht und einer darauf aufgebrachten, mit dem vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand behafteten Leitschicht bestehen wie oben unter Bezug auf 1 beschrieben; dies ist in 2 nicht dargestellt.
• Im Beispiel von 2 fallen von links elektromagnetische Wellen auf den Absorber F, welche durch einen mit „em wave“ bezeichneten Pfeil angedeutet sind, wobei die Richtung des Pfeils die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen angibt.
• Der erfindungsgemäße Absorber F weist im Beispiel von 2 ferner eine Reflektorschicht R auf, welche imstande ist, elektromagnetische Wellen nach Durchlaufen der Schichtenfolgen A₁ ,S₁, A₂,S₂, A₃,S₃,...,A_N,S_N zu reflektieren, wobei sich alle Schichtenfolgen A₁ ,S₁, A₂,S₂, A₃,S₃,...,A_N,S_N auf ein- und derselben Seite der Reflektorschicht R befinden.
• Die Stärke der Isolatorschichten S₁,S₂,S₃,S_N nimmt von links nach rechts von jeder Isolatorschicht zur nächstfolgenden Isolatorschicht ab, was in 2 nicht gezeigt ist.
• Die elektrische Leitfähigkeit σ1,σ2,σ3...,σN der Widerstandsschichten A₁,A₂,A₃,...,A_N hingegen nimmt von links nach rechts von jeder Widerstandsschicht zur nächstfolgenden Widerstandsschicht zu.
• 3 zeigt eine in der Praxis gemessene Kurve der Reflexion bzw. des Reflexionskoeffizienten eines Prototypen eines erfindungsgemäßen Absorbers mit fünf Schichtenfolgen in Abhängigkeit von der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen und einer Reflektorschicht, welche aus einer Kunststofffolie mit einer Beschichtung von 8 Mikrometern Aluminium gebildet ist.
• Die Stärken der Isolatorschichten und die Flächenwiderstände der Widerstandsschichten dieses Absorbers entsprechen denen von Tabelle 1.
• Die Ordinate in 3 gibt den Streuparameter S₁₁, d.h, die Reflexion an.
• Gewerbliche Anwendbarkeit:
• Die Erfindung ist gewerblich anwendbar z.B. im Bereich der Nachrichtentechnik, der HF-Technik und der EMV (elektromagnetische Verträglichkeit).
• Bezugszeichenliste

EM-W

elektromagnetische Wellen

A₁,A₂,A₃,A_N

Widerstandsschichten von F

A

erster Verbund

d₁,d₂,d_N

Stärke der Isolatorschichten von F

1

Leitschicht von A

2

Grundschicht von A

3

Isolatorschicht von A

B

zweiter Verbund

4

Leitschicht von B

5

Grundschicht von B

6

Isolatorschicht von B

C

dritter Verbund

7

Leitschicht von C

8

Grundschicht von C

9

Isolatorschicht von C

D

vierter Verbund

10

Leitschicht von D

11

Grundschicht von D

12

Isolatorschicht von D

E

fünfter Verbund

13

Leitschicht von E

14

Grundschicht von E

15

Isolatorschicht von E

F,F'

Absorber

R

Reflektorschicht von F

R'

Reflektorschicht von F'

S₁,S₂,S_N

Isolatorschichten von F

σ1,σ2,σ3,σN

spezifische elektrische Leitfähigkeitswerte von A₁,A₂,A₃,A_N

Claims (17)

1. Absorber für elektromagnetische Wellen, mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten, in Normalenrichtung des Absorbers (F,F') aufeinander folgenden Schichtenfolgen (A,B,C,D,E), wobei jede der Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) - wenigstens eine Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14, A₁,A₂,A₃,A_N) , welche mit einem vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand behaftet ist, und - wenigstens eine vor oder hinter der Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14, A₁,A₂,A₃,A_N) angeordnete, als Abstandshalter fungierende Isolatorschicht (3,6,9,12,15, S₁,S₂,S_N) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14) wenigstens aus einer Grundschicht (2,5,8,11,14) und wenigstens einer davor oder dahinter angeordneten, mit einem endlichen elektrischen Flächenwiderstand behafteten Leitschicht (1,4,7,10,13) besteht, so dass jede der Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) wenigstens je eine Grundschicht (2,5,8,11,14), je eine Leitschicht (1,4,7,10,13) und je eine Isolatorschicht (3,6,9,12,15) aufweist, welche hintereinander angeordnet sind, wobei die Leitschicht (1,4,7,10,13) durch eine Beschichtung (1,4,7,10,13) der Grundschicht (2,5,8,11,14) gebildet ist, und wobei die Leitschicht (1,4,7,10,13), die Grundschicht (2,5,8,11,14) und die Isolatorschicht (3,6,9,12,15) jeder der Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) zusammen jeweils einen flächigen Verbund (A,B,C,D,E) bilden.
2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (F,F') ferner eine Reflektorschicht (R,R') aufweist, welche imstande ist, elektromagnetische Wellen (EM-W) nach Durchlaufen der Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) zu reflektieren.
3. Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) auf ein- und derselben Seite der Reflektorschicht (R,R') befinden.
4. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke (d₁,d₂,d_N) der Isolatorschichten (3,6,9,12,15, S₁,S₂,S_N) von jeder Isolatorschicht zur nächstfolgenden Isolatorschicht bzw. von jeder Schichtenfolge (A,B,C,D,E) zur nächstfolgenden Schichtenfolge (A,B,C,D,E) abnimmt.
5. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische elektrische Leitfähigkeit (σ₁,σ₂,σ₃,σ_N) der Widerstandsschichten (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14, A₁,A₂,A₃,A_N) von jeder Widerstandsschicht zur nächstfolgenden Widerstandsschicht bzw. von jeder Schichtenfolge (A,B,C,D,E) zur nächstfolgenden Schichtenfolge (A,B,C,D,E) zunimmt und somit der elektrische Flächenwiderstand der Widerstandsschichten (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14, A₁,A₂,A₃,A_N) von jeder Widerstandsschicht zur nächstfolgenden Widerstandsschicht bzw. von jeder Schichtenfolge (A,B,C,D,E) zur nächstfolgenden Schichtenfolge (A,B,C,D,E) abnimmt.
6. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Grundschichten (2,5,8,11,14) aus Kunststoff, insbesondere aus PI, PEN, PET, PVT, PA, PP, PE oder PAL, besteht.
7. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Leitschichten (1,4,7,10,13) aus - leitfähigem Füllstoff, insbesondere aus Ag-Zeolith, PANI-Zeolith, PANI-Pulver, Metall-Pulver, Sn-Zeolith, Zinnoxid, Kohlefasern, Ferrit-Pulver oder Modifikationen davon, oder aus Graphit - oder aus Bindemittel, insbesondere PVAc, Polyacrylat, Polystyrol, PET-Hydrolysat oder Acrylharz - oder aus intrinsisch leitfähigem Polymer, insbesondere Polyanilin, besteht.
8. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Isolatorschichten (3,6,9,12,15, S₁,S₂,S_N) aus einem Dielektrikum, insbesondere Polystyrolschaum, besteht.
9. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichtenfolgen zusätzlich eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere metallisch leitende Schicht, aufweist.
10. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der hintereinander angeordneten, in Normalenrichtung des Absorbers (F,F') aufeinander folgenden Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) gleich fünf ist.
11. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärken (dn) der Isolatorschichten (S1,S2,SN) gegeben sind - durch die Formel d_n = a * cos (π*(n-1) / 2N) - oder durch die Formel d_n = a * cos (π*(n-1) / 2N) ± X% , wobei die Zahl N die Gesamtzahl der Schichtenfolgen des Absorbers (F) und die Zahl n die laufende Nummer der betroffenen Schichtenfolge angibt, so dass n=1....N, und wobei a eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Entfernung und X eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
12. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeiten oder spezifischen Leitfähigkeiten der Widerstands- bzw. Leitschichten (A₁,A₂,A₃,A_N) gegeben sind - durch die Formel $${\mathrm{\sigma }}_{\text{n}}=\text{b}*\text{sin}\left(\mathrm{\pi }\text{*n/2N}\right)\text{/sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/2N}\right)$$

    

    - oder durch die Formel $${\mathrm{\sigma }}_{\text{n}}=\text{b}*\text{sin}\left(\mathrm{\pi }\text{*n/2N}\right)\text{/sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/2N}\right)\text{±Y\%}\text{,}$$

    

    wobei die Zahl N die Gesamtzahl der Schichtenfolgen des Absorbers (F) und die Zahl n die laufende Nummer der betroffenen Schichtenfolge angibt, so dass n=1....N, und wobei b eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Leitfähigkeit oder spezifischen Leitfähigkeit und Y eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
13. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (F,F') eine Mehrzahl M von Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) aufweist, wobei die Stärken (d1,d2,dN) der Isolatorschichten (3,6,9,12,15, S₁,S₂,S_N) dieser Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) - entweder der Formel d_m = a * cos (π*(m-1) / 2M) - oder der Formel d_m = a * cos (π*(m-1) / 2M) ± X% genügen, wobei m eine natürliche Zahl zwischen 1 und M, a eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Entfernung und X eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
14. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (F,F') eine Mehrzahl P von Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) aufweist, wobei die Leitfähigkeiten oder spezifischen Leitfähigkeiten der Widerstands- bzw. Leitschichten (A₁,A₂,A₃,A_N) dieser Schichtenfolgen (A,B,C,D,E) - entweder der Formel $${\mathrm{\sigma }}_{\text{p}}=\text{b}*\text{sin}\left(\mathrm{\pi }*\text{p/2P}\right)\text{/sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/P}\right)$$

    

    - oder der Formel $${\mathrm{\sigma }}_{\text{p}}=\text{b}*\text{sin}\left(\mathrm{\pi }*\text{p/2P}\right)\text{/sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/2P}\right)\pm \text{Y\%}$$

    

    genügen, wobei p eine natürliche Zahl zwischen 1 und P, b eine Konstante mit der physikalischen Einheit einer Leitfähigkeit oder spezifischen Leitfähigkeit und Y eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
15. Absorber nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstante a - entweder der Formel a = c / (4*f) - oder der Formel a = c / (4*f) ± Z% genügt, wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit, f die Mittenfrequenz des Absorbers oder die Frequenz einer von dem Absorber bevorzugt zu absorbierenden elektromagnetischen Welle und Z eine Zahl zwischen 0 und 25 ist.
16. Absorber nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenwiderstand der am schlechtesten leitenden Widerstandsschicht (1,2, 4,5, 7,8, 10,11, 13,14) oder der am schlechtesten leitenden Leitschicht (1,4,7,10,13) zwischen 300 Ohm und 2000 Ohm liegt.
17. Absorber nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber biegsam ist.

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