DE1035710B - Schicht zur Ausschliessung der Reflexion elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Description

Um im Gebiet der elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Zentimeterwellengebiet, Gegenstände nichtreflektierend zu machen, ist es bekannt, bestimmte Absorptionsstoffe miteinander zu mischen, deren Dielektrizitätskonstante ε, Leitfähigkeit K und magnetische Permeabilität μ in bestimmten Verhältnissen stehen, die sich aus den Maxwellschen Gleichungen unter Vernachlässigung einzelner Größen ergeben. Da diese elektrischen Konstanten aber klein sind, gelingt die Auslöschung nur in größeren Schichtdicken.

Es sind andererseits Interferenzabsorber bekannt, bei denen die Gesamtdicke der Schicht im Verhältnis zur Wellenlänge festgelegt ist. Sie können aus mehreren hintereinander angeordneten, verschiedenen Teilschichten bestehen. Dabei ist keine Vorsorge für eine Anpassung des Wellenwiderstandes der Luft an den Wellenwiderstand des Mediums zur Vermeidung von Reflexionen getroffen. Die Wirkungsweise ist stark frequenzabhängig.

Es ist auch bekannt, für Zwecke der magnetischen Abschirmung von Abschirmtöpfen mehrere aufeinanderfolgende Schichten aus abwechselnd ferromagnetischem und dielektrischem Material aneinanderzufügen. Entsprechend dem angestrebten Zweck ist aber dabei keine Vorsorge dafür getroffen, daß die Gesamtschicht an das Ausbreitungsmedium angepaßt ist und in sich alsKontinuum wirkt.

Bei der Schicht zur Ausschließung der Reflexion elektromagnetischer Wellen ist der Wellenwiderstand des gemischten Mediums

dann dem des Vakuums

angepaßt, wenn für — der Wert 1 gewählt ist, um eine

reflexionsfreie Übertragung der einfallenden Welle in das absorbierende Medium zu erhalten. Hierbei bedeuten μ, μ₀, ε und ε₀ in üblicher Weise die Permeabilität und die Dielektrizitätskonstante des betreffenden Stoffes bzw. des Vakuums. Um mit einer sehr dünnen Schicht wirksame Absorptionen zu erhalten, ist dabei schon vorgeschlagen worden, eine Schicht mit derart hohen und annähernd gleichen Werten der magnetischen Permeabilität und der Dielektrizitätskonstanten vorzusehen, daß bei einer Schichtdicke, die nur einen Bruchteil der Wellenlänge der Strahlung im umgebenden Medium beträgt, mehrere Wellenlängen in der Schichtdicke auftreten.

In sich einheitliche Materialien, die jenen Bedingungen genügen, sind indessen kaum gegeben. Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung dieses Gedankens und besteht darin, daß die Schicht aus in sich zusammenhängenden,

Schicht zur Ausschließung der Reflexion
elektromagnetischer Wellen

Anmelder:

ELECTROACUSTIC Gesellschaft m.b.H., Kiel, Westring 425/429

Dr. Dr. h. c. Heinrich Hecht, Kiel,
ist als Erfinder genannt worden

abwechselnd ferromagnetischen und dielektrischen Schichten solcher Dicke und Permeabilität bzw. Dielektrizitätskonstante besteht, daß sie als an das Ausbreitungsmedium angepaßtes Kontinuum wirkt. Man hat es dabei in der Hand, durch Wahl von ferromagnetischen Stoffen genügend hoher Permeabilität einerseits und von dielektrischen Stoffen mit genügend hoher Dielektrizitätskonstante andererseits für die einzelnen Schichten eine zusammengesetzte Schicht aufzubauen, die gegenüber der einfallenden elektromagnetischen Strahlung sich wie ein nichtreflektierender, einheitlicher Körper mit hoher Permeabilität und hoher Dielektrizitätskonstante verhält, wie dies im folgenden noch näher erläutert werden soll. Geeignete Substanzen sind bekannt, z. B. als ferromagnetischer Stoff Mumetall und als dielektrischer Stoff Bariumtitanat.

Für eine senkrecht auf die Absorptionsschicht einfallende Welle liegen, wie auch die Polarisationsebene des einfallenden Strahls sein mag, die Vektoren der magnetischen Feldstärke, der magnetischen Induktion, der dielektrischen Verschiebung und infolgedessen auch der elektrischen Feldstärke in der Ebene der j eweiligen Schicht.

Für die Dicke der ferromagnetischen bzw. dielektrischen Teilschichten sind zwei Gesichtspunkte von grundlegender Bedeutung.

Im Gebiet der Zentimeterwellen darf man Eisendrähte oder Eisenfolien zur Vermeidung von Wirbelströmen nicht über 0,001 mm Dicke anwenden. Dies ist also eine erste Bedingung für den oberen Wert der Dicke der ferromagnetischen Schicht.

Daher bestehen die einzelnen Schichten aus Material mit höchsterreichbaren Werten der Permeabilität und der Dielektrizitätskonstante. Die obere Grenzfrequenz der gesamten Absorptionsschicht ist gegeben durch

fg =

π]/μ ε ά_μ d_c

809 580/3*1

3 4

worin C₀ eine Konstante, ά_μ und d, die Dicken der ferro- Dies ist die obere Grenzfrequenz der Kette. Die Kette

magnetischen und dielektrischen Teilschichten sind. läßt also nur elektrische Energie für die Frequenzen f

Für die Dicke der magnetischen Schicht ist dabei zu durch, für welche
beachten, daß wegen des Skineffektes die Dicke der

magnetischen Schicht nur einen Bruchteil der Dicke der 5 γ

dielektrischen Schicht beträgt. Eine zweite Bedingung f < (6)

entsteht aus der Forderung, daß die elektromagnetischen ^π γ L ' C
Wellen ungehindert, d. h. reflexionsfrei, aus der Luft nach

der ersten ferromagnetischen Schicht, von der ersten ist.

ferromagnetischen Schicht nach der ersten dielektrischen io An dem Bild der elektrischen Kette gemäß Fig. 1 erSchicht, von der ersten dielektrischen Schicht zur zweiten kennt man sehr anschaulich die beiden grundsätzlich verferromagnetischen Schicht usw. fortschreiten können. schiedenen Möglichkeiten, elektromagnetische Schwin-

Der Vorgang des Eintritts der elektromagnetischen gungsenergie zu absorbieren.

Schwingungsenergie aus der Luft in die erste Schicht und Die erste Möglichkeit besteht darin, daß man den

das Fortschreiten der Energie von ferromagnetischer 15 Ohmschen Widerstand R am Kettenende unmittelbar

Schicht zu dielektrischer Schicht und von dielektrischer ohne jede Kette an den Widerstand der Energiequelle,

Schicht zu ferromagnetischer Schicht stellt man sich am im vorliegenden Falle z. B. der Luft, anpaßt. Diese Art

anschaulichsten durch den Vorgang auf einem elektrischen der Anpassung mit Hilfe von rein Ohmschen Widerständen

Kettenleiter dar. steht hier nicht zur Diskussion, da für den vorliegenden

In Fig. 1 ist ein elektrischer Kettenleiter, insbesondere ao Zweck geeignete einheitliche Substanzen mit den erfor-

ein Tiefpaß, der elektrische Schwingungsenergie von den derlichen Eigenschaften nicht existieren,

tiefsten Frequenzen bis zu einer bestimmten Höchst- Die zweite Möglichkeit der Absorption elektromagne-

frequenz ungehindert passieren läßt, dargestellt. tischer Wellen besteht in einer Anordnung, die aus der

Von dem Kettenleiter sind drei Glieder gezeichnet, die Luft einfallende elektromagnetische Schwingungsenergie

durch punktierte Kreisumschlingungen mit den Ziffern 25 von einem künstlichen, schwingungsfähigen Medium, der

1, 2 und 3 bezeichnet sind. Jedes Glied besteht aus einer Absorptionsschicht, übernehmen zu lassen und in diesem

Serieninduktivität L und je einer Parallelkapazität -£■ ^aus vielen einzelnen Teilabschnitten bestehenden Medium

^r 2 zu absorbieren.

am Anfang und am Ende jeder Induktivität. Am Ketten- Zu diesem Zweck müssen die einzelnen ferromagne-

anfang und am Kettenende liegen also je eine Kapazität 30 tischen und dielektrischen Schichten, die den L- und

^. Zwischen je zwei Kettengliedern Hegt die aus der %®^ *? ^Fi* ^ί _R ^entsP«*hen. selbst gedämpft sein 2 ^J es Diese Dampfung muß so groß sein, daß die Energie auf

™ ll il Shih d

„ „,.ι. · rr -i-i j Air _x ^c dem Wege über alle einzelnen Schichten der gesamten

Parallelschaltung von zwei Kapazitäten des Wertes — ., _Α.^& ,.,,,. _x . ■ ,, , ·\

^r 2 Absorptionsschicht bis auf einen nicht mehr mteressie-

gebildete Gesamtkapazität C. Der Kettenanfang ist mit 35 renden Rest gesenkt wird. Diese Bedingung zwingt dazu,

A-A und das Kettenende mit E-E bezeichnet. Am Ketten- den elektromagnetischen Schwingungsvorgang über eine

anfang liegt die erregende Elektrizitätsquelle Q und am mehrere Wellenlängen lange Kette zu leiten, deren Länge

Kettenende der rein Ohmsche Widerstand R. zu etwa zehn Wellenlängen anzunehmen ist, da ein Ab-

Die von der Elektrizitätsquelle Q gelieferte Energie sinken der Schwingungsenergie pro Wellenlänge auf ein

geht am Kettenanfang A-A reflexionsfrei auf die Kette 40 Zehntel des Anfangs- oder Eintrittswertes den eigent-

über, wenn der Wellenwiderstand der Kette gleich dem liehen Schwingungsvorgang noch kaum beeinträchtigt. Da

inneren Widerstand der Quelle Q ist. Die über die Kette die Dämpfung in diesem Falle nur 0,04 ist, so stellt die

gewanderte Energie geht reflexionsfrei vom Kettenende Forderung, daß die Dicke der Absorptionsschicht zehn

auf den Widerstand R über, wenn dieser Widerstand R Wellenlängen betragen soll, eine obere Grenze dar.

gleich dem Wellenwiderstand der Kette ist. 45 In Fig. 2 ist das Grundschema für eine aus einzelnen

Der Wellenwiderstand Z der Kette ist für Ketten ge- ferromagnetischen und dielektrischen Schichten beste-

ringer Dämpfung durch die Größe der Induktivität L im hende Schichtanordnung gezeichnet, und zwar sind nur

einzelnen Kettenglied und durch die Größe der beiden eine ferromagnetische und nur eine dielektrische Schicht

parallel liegenden Teilkapazitäten — zwischen zwei ~° , i, ■, τ-ι» ι. τ. λ au α.· ι ·■

* ^{b ν} 2 5° Senkrecht zu der Flache a · δ des Absorptionskorpers

Kettengliedern, deren resultierender Wert C ist, zu fallen die elektromagnetischen Wellen in der Richtung

des Pfeils 4 ein. Die Dicke der ferromagnetischen Schicht

,, ^ ,sei du,, die der dielektrischen Schicht sei d_s.

Z=M —=- (4)

Sowohl der Vektor S3 der magnetischen Induktion wie 55 der Vektor S der elektrischen Feldstärke stehen auf der gegeben. Eine solche Kette überträgt die elektrische durch den Pfeil 4 bezeichneten Einfallsrichtung senk-Schwingungsenergie von der Quelle Q auf den Widerstand recht. Wir nehmen an, daß der Induktionsvektor in die R in vollkommener Weise bis zu derjenigen Frequenz f_g, Richtung δ und der Vektor der elektrischen Feldstärke die durch die Eigenschwingungszahl der einzelnen Ketten- in die Richtung α fällt.

glieder bestimmt ist. 60 Die Linien der magnetischen Induktion in der ferro-

Ein einzelnes Kettenglied besteht aus der Serienschal- magnetischen Schicht stehen senkrecht auf der Fläche

tung der Induktivität L und zweier Kapazitäten vom a · ά_μ und haben die Länge δ. Infolgedessen ist die Induk-

■o . C ,. JTJ.. C , tivität L der einzelnen ferromagnetischen Schicht

Betrage —, die zusammen den Betrag — ergeben. °

Infolgedessen ist die Resonanzfrequenz f„ eines Ketten- 65 u u ad

gliedes bestimmt durch die Gleichung L = J-^ —. (7)

(2nf )^a L · —- = 1 . (5) Die elektrischen Feldlinien in der dielektrischen Schicht

4 70 stehen senkrecht auf der Fläche δ ■ d_s und haben die

Länge α. Infolgedessen ist die Kapazität C der einzelnen dielektrischen Schicht

Die Eigenschwingungszahl eines solchen aus einer ferromagnetischen Schicht und aus einer dielektrischen Schicht bestehenden Gliedes innerhalb eines aus vielen solchen Gliedern bestehenden Absorptionskörpers ist also entsprechend Gleichung 5 gegeben zu

fl μμ_οεε_οά_μd_e = — . (9)

Da wir Werte der Permeabilität und der Dielektrizitätskonstante von 1000 benötigen, um wertvolle Absorptionsschichten von insgesamt 1 mm Dicke aufbauen zu können, erhalten wir aus (9)

= 0,6 · 10^βm/s .
Wird die Wellenlänge in Luft

statt der Frequenz f_Q eingeführt, wobei C₀ die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft ist, so ergibt sich aus (10), ■daß das Verhältnis des geometrischen Mittels ~]/d_ud_s der beiden einzelnen Schichten zur Grenzwellenlänge X_g der elektromagnetischen Welle in Luft

= 0,3 · ΙΟ-³

(12)

ist, so daß wir als Bedingungsgleichung für die Fortleitung der elektromagnetischen Wellen durch die zusammengesetzte Schicht schreiben können:

^ 0,3 · ΙΟ-³ X₃

(13)

Der nächstliegende Gedanke wäre nun, die beiden Einzelschichten, die ferromagnetische und die dielektrische Schicht, gleich dick zu machen, so daß ά_μ = d_e = d wird. Es würde dann für eine Grenzwellenlänge von beispielsweise Xg = 1 cm die Grenze für d zu 0,003 mm folgen.

Aus den Bestimmungen über die Grenzfrequenz in dünnen Eisenlamellen folgt aber, daß man mit Rücksicht auf den Skineffekt im Eisen bei der einer Wellenlänge X_g = 1 cm entsprechenden Frequenz höchstens bis zu 0,001 mm dicken Eisenlamellen gehen kann. Tut man dies, d. h. wählt man ά_μ in (13) zu 0,001 mm, dann folgt für d_e der Wert d, 0,01 mm. In diesem Falle hat also die dielektrische Schicht die zehnfache Dicke der ferromagnetischen Schicht.

Von dieser Möglichkeit, die Dicke der dielektrischen Schicht bis auf dieses Maß zu erhöhen, wird man Gebrauch machen, um in der dielektrischen Schicht einen Skineffekt nach Möglichkeit zu unterdrücken.

Ein solcher Skineffekt in der dielektrischen Schicht kommt auf folgende Weise zustande:

Die mit 6 bezeichneten und gestrichelt gezeichneten elektrischen Feldlinien in Fig. 2 werden von magnetischen Induktionslinien umschlungen, die nun ihrerseits als Rückwirkung wieder elektrische Feldlinien hervorrufen, die aber zu den primären elektrischen Feldlinien entgegengesetzt gerichtet sind und diese aus dem Kern der dielektrischen Schicht in ihre Randgebiete zu verdrängen

ίο suchen. Damit nun die um die primären elektrischen Feldlinien sich bildenden magnetischen Feldlinien nicht den Weg durch die benachbarten ferromagnetischen Schichten gehen können, sondern gezwungen sind, im Innern der dielektrischen Schicht zu verbleiben, ist es wünschenswert, die dielektrische Schicht möglichst dick zu machen. Aus diesem Grunde wird man von der in (13) formulierten Erlaubnis Gebrauch machen, die Dicke d_s der dielektrischen Schicht größer als die Dicke ά_μ der ferromagnetischen Schicht zu machen, wenn für

ao die letztere aus der Bedingung für den magnetischen Skineffekt ein Wert folgt, der kleiner ist als der geometrische Mittelwert auf der rechten Seite der Gleichung (13).

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schicht zur Ausschließung der Reflexion elektromagnetischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus in sich zusammenhängenden, abwechselnd ferromagnetischen und dielektrischen Schichten solcher Dicke und Permeabilität bzw. Dielektrizitätskonstante besteht, daß sie als an das Ausbreitungsmedium angepaßtes Kontinuum wirkt.

2. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilschichten aus Material mit höchsterreichbaren Werten der Permeabilität und der Dielektrizitätskonstante bestehen.

3. Schicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der magnetischen Schicht nur einen Bruchteil der Dicke der dielektrischen Schicht beträgt.

4. Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen und dielektrischen Stoffe hinsichtlich ihrer Dämpfung so gewählt sind, daß die Amplitude der elektromagnetischen Wellen nach einfachem Durchlaufen einer der Teilschichten auf etwa ein Zehntel ihres Eintrittswertes absinkt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Schweizerische Patentschrift Nr. 234 445;
Ridenour, Louis. N., Radar System Engineering, New York und London, 1947, S. 69 bis 73.

In Betracht gezogene ältere Patente:

Deutsche Patente Nr. 765 298, 919 717.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen