DE3131137A1 - Vorrichtung zur abschirmung und absorption von elektromagnetischen feldern, insbesondere im hochfrequenten bereich, unter verwendung von metallfaserbeton - Google Patents

Vorrichtung zur abschirmung und absorption von elektromagnetischen feldern, insbesondere im hochfrequenten bereich, unter verwendung von metallfaserbeton

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DE3131137A1 DE19813131137 DE3131137A DE3131137A1 DE 3131137 A1 DE3131137 A1 DE 3131137A1 DE 19813131137 DE19813131137 DE 19813131137 DE 3131137 A DE3131137 A DE 3131137A DE 3131137 A1 DE3131137 A1 DE 3131137A1
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Bernhard Prof. Dr.-Ing. Maidl
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/002Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems using short elongated elements as dissipative material, e.g. metallic threads or flake-like particles

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Building Environments (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)

Description

  • Beschreibung:
  • Die Erfindung betrifft-eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1.
  • Vorrichtungen zur Dämpfung hochfrequenter Felder sind heute vielfach bekannt. Ublicherweise werden zu diesem Zweck ferrit-oder kohlenstoffhaltige Materialien (z.B. Graphit), meist mit geringer mechanischer Festigkeit, verwendet. Diese Materiali-en sind witterungsempfindlich, nicht Immer temperaturfest und relativ teuer. Zur Abschirmung von hochfrequenten Feldern wird eine Metallfolie verwandt, die die auftreffenden Wellen völlig reflektiert. Ein weiterer wesentlicher Nachteil der herkömmlichen Abschirmungen besteht darin, daß sie als Zusatzkonstruktionen ausgeführt werden müssen.
  • Das Prinzip der Erfindung besteht darin, daß Metallteile, die in einem dielektrischen Material angeordnet sind, für elektromagnetische Wellen, die durch dieses dielektrische Material hindurch gehen, bei bestimmten Frequenzen in Resonanz geraten und dann je nach Leitfähigkeit mehr oder weniger stark absorbieren. Dieses Prinzip wird in der vorliegenden Erfindung auf ein mit Metallteilen versehenen Beton angewandt. Ein solcher Beton ist beispielsweise unter dem Namen Stahlfaserbeton seit einiger Zeit bekannt. Stahlfaserbeton hat in Abhängigkeit vom Fasergehalt, von der Form und der Lage der Fasern eine mehr oder weniger große Mikrowellen- bzw. Hochfrequenzdämpfung, die selbstverständlich auch frequenzabhängig sein kann. Um ein möglichst breites Frequenzspektrum beim Durchgang von elektromagnetischen Wellen durch Stahlfaserbeton zu absorbieren, ist es aus physikalischen Gründen naheliegend, die Länge der Fasern ebenfalls über einen großen Bereich zu variieren, so daß in etwa der Fall realisiert ist, daß die Fasern als Dipole, die auf halber Wellenlänge der betreffenden Wellenlänge im Material liegen, In Resonanz geraten und dadurch besonders hohe Verluste aufweisen.
  • Diese Verluste sind abhängig von der Leitfähigkeit der Fasern bzw. der Metallteile sowie der komplexen Dielektrizitätszahl der Umgebung.
  • Neben dem bereits bekannten Stahlfaserbeton lassen sich auch Betone in anderer Zusammensetzung verwenden, wenn keine sehr hohen oder zusätzlichen Anforderungen an die Festigkeit des Werkstoffs gestellt werden. In diesen Fällen werden dem Normalbeton Metallteile mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zugegeben oder auch nichtmetallische Fasern, die eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen, wie z.B. Fasern aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen.
  • Da Fasern einer bestimmten Länge vorwiegend Wellen einer entsprechenden Frequenz absorbieren bzw. reflektieren, muß die Länge der Fasern bzw. Metallteile variiert werden.
  • Die untere sinnvolle Grenze der Faserlänge dürfte bei ca.
  • 5 mm liegen, da eine starke Absorption von Frequenzen höher als 30 GHz ohnehin im Normal beton erfolgt. Da die Metallteile theoretisch zwar beliebig lang produziert werden können, dies bei der technischen Anwendung aber auf Probleme stößt, werden die Metallteile nicht nur als gerade Fasern (13, 15, 16), sondern auch als gebogene Stäbe (14, 17), Scheiben-und Spiralen (18) hergestellt und eingebaut. So kann die effektive Länge erhöht werden, ohne daß die äußeren Abmessungen beim Einbau stören. Dazu können auch Spulen in Verbindung mit Kondensatoren verwendet werden, um relativ niedrige Frequenzen zu absorbieren.
  • Durch eine statistische Verteilung der Metallfasern ist gewährleistet, daß die elektromagnetischen Wellen unabhängig von ihrer Einfall richtung näherungsweise isotrop absorbiert werden (l). Die quer zum E-Vektor der einfallenden Welle liegenden Teile tragen praktisch nicht zur Absorption bei.
  • Durch eine gezielte Anordnung bzw. Ausrichtung der Fasern (2 und 3) können aber bewußt elektromagnetische Wellen bestimmter Polarisationsrichtungen unterschiedlich beeinflußt werden, d.h. daß die Anordnung der Metallteile polarisationsselektiv wirkt. Durch die zusätzliche Variation der geometrischen Länge der Metallteile läßt sich die frequenzmäßige Lage der Absorptionsspektren beeinflussen.
  • Wie oben schon gesagt, ist es sinnvoll, um ein weites Frequenzband zu absorbieren, die Metallteile In unterschiedlichen Längen einzubauen (4). Ebenso können aber auch bewußt nur Metallteile einer oder mehrerer bestimmten Längen (1) eingebaut werden, um nur vorgegebene Spektralbereiche selektiv zu absorbieren.
  • Bisher wurde die Vorrichtung nur in Bezug auf ihre Absorption von durch die Materie gehende Wellen beschrieben (Transmissionsdämpfung). Die Vorrichtung kann damit auch zur Reflexionsdämpfung von Mikrowellen verwandt werden. In diesem Fall wird die Wand, welche die Reflexionsdämpfung bewirken soll, aus dem oben beschriebenen Material hergestellt, wobei die Oberfläche zweckmäßigerweise in Form von Keilen oder Pyramiden gestaltet wird (11). Dieses Prinzip der Oberflächenausbildung für Mikrowellenabsorber ist bekannt und die Pyramiden bestehen dann in der Regel aus Schaumstoff. Durch Verwendung von Beton mit Metallteilen sind diese Wände witterungs- und temperaturbeständig, so daß sie auch ohne Schwierigkeiten im Freien verwendet werden können. Ein Schutz gegen Wasseraufnahme ist jedoch sinnvoll. Zur Steigerung der Reflexionsdämpfung der Betonabsorber ist es zweckmäßig, die Dichte der Metallteile,ausgehend von der Absorberspitze in Richtung der tragenden Konstruktion beginnend,bei Null bis zu einem Maximalwert zu steigern.
  • Durch Verwendung von Beton nach diesem Verfahren anstelle von Normal beton für abzuschirmende Bauten, können erhebliche Baukosten eingespart werden. Metall faserbeton kann auch nachtäglich schichtweise auf vorhandene Bauteile aufgebracht werden (5,6,7,8) und zur Abschirmung beitragen. Das nachträgliche Aufbringen hat gegenüber anderen Verfahren,wie z.B. Metallfolien den Vorteil, daß es keine bauphysikal ischen Probleme beinhaltet (z.B. Feuchtigkeitsstau).
  • Um auch sehr niedrige Frequenzen abschirmen zu können, wird der Werkstoff nach dem oben genannten Verfahren mit dem statisch erforderlichen Bewehrungsgitter kombiniert (9 und 10).
  • Durch dieses Stahigitter, dessen Maschenweite variiert werden kann, ist es möglich, auch niedrige Frequenzen abzuschirmen, für die die Länge der einzubauenden Stahl fasern nicht ausreicht. Durch diese Kombination läßt sich außerdem noc-h die Festigkeit des Bauteils wesentlich erhöhen.
  • Mit dieser Vorrichtung lassen sich Geräte und Einrichtungen abschirmen, die besonders störanfällig gegen elektromagnetische Felder sind, wie z.B. EDV-Anlagen und elektronische Steueranlagen. Hierzu zählen wegen der hohen Sicherheitsanforderungen besonders die Steuerungen von kernphysikal ischen Prozessen.
  • Geräte und Versuchseinrichtungen, die mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen arbeiten und diese aussenden, können mit dieser Vorrichtung versehen werden.
  • Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bietet sich beim Schutz von Metallkörpern gegen die Ortung durch Radarwellen. Sind die Metallkörper hinter einer nach dem oben angegebenen Verfahren hergestellten Schicht positioniert, so wird die ankommende Radarwelle durch den Faserbeton weitgehend absorbiert und es kann nicht oder nur sehr schwer eine Aussage über dahinterliegende metallische Gegenstände gemacht werden.
  • Ferner sind Räume, die von einer Schicht aus Metallfaserbeton umgeben sind, in gewissem Maße geschützt vor impulsartigen Störungen (EMP) d.h. vor elektrischen Interferenzen wie sie bei der Detonation nuklearer Sprengsätze erzeugt werden.
  • Außerdem sind solche Räume nur erschwert unter Verwendung von Hochfrequenzen bzw. Mikrowellen abhörbar.
  • Als Betone kommen die Betongüten nach DIN 1045, aber auch Sonderbetone mit speziellen Zuschlagstoffen und Korngrößen sowie künstlich hergestellte, künstlich gebrochene oder natürliche Zuschlagstoffe (z.B. Granit, Kalkstein, Magnetit u.s.w.) infrage.
  • Das Bindemittel kann sowohl hydraulisch abbindend sein (z.B.
  • Zement, Kalk, Gips) als auch aus Kunststoff oder ähnlichen Materialien bestehen.
  • Dem Beton können auch Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel wie z.B. Betonverflüssiger, Erstarrungsverzögerer, Luftporenbildner, Betondichtungsmittel u.s.w. zugegeben werden.
  • Der Durchmesser der Metallteile kann zwischen 0,1 bis 200 mm variieren je nach den Erfordernissen und ihre geometrische Ausbildung von runden Teilen, viereckigen Teilen bis zu n-eckigen Teilen reichen.
  • Leerseite

Claims (9)

  1. Bezeichnung: Vorrichtung zur Abschirmung und Absorption von elektromagnetischen Feldern, insbesondere im hochfrequenten Bereich,unter Verwendung von Metallfaserbeton Patentansprüche: 1) Vorrichtung zur Abschirmung und Absorption von elektromagnetischen Feldern,insbesondere im hochfrequenten Bereich unter Verwendung von Metallfaserbeton, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Metallteile unterschiedlicher Länge und Form, nach einer vorgegebenen Verteilungsfunktion bezüglich ihrer Länge und Orientierung im Beton angeordnet sind.
  2. 2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als einzelne Metallteile Stahifasern und/oder unterschiedliche Metallfasern und/oder allgemein elektrisch leitende Fasern verwendet werden.
  3. 3) Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als einzelne Metallteile gerade, gekröpfte, gebogene Stäbe, Scheiben und Spiralen (auch konisch) verwendet werden oder auch elektromagnetische Schwingkreise aus konzentrierten Bauelementen (Spule-Kondensator) verwendet werden.
  4. 4) Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile a) bezüglich ihrer räumlichen Dichte statistisch verteilt sind b) in ihrer räumlichen Orientierung statistisch verteilt sind oder c) bezüglich ihrer räumlichen Orientierung eine Vorzugsrichtung erhalten und somit polarisierend wirken.
  5. 5) Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile eine feste Länge haben und damit bestimmte Frequenzen selektiv absorbieren.
  6. 6) Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Metallteile zur breitbandigen Absorption in einem vorzugebenden Bereich variiert.
  7. 7) Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Reflexionsdämpfung von Mikrowellen an Wänden und Bauwerken,bestehend aus Metallfaserbeton, die für Abschirmzwecke verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche in Form von Keilen und Pyramiden gestaltet wird.
  8. 8) Vorrichtung zur elektromagnetischen Abschirmung von Bauwerken, dadurch gekennzeichnet, daß Beton nach Anspruch 1 als Zusatzschicht auf vorhandene Bauteile, z.B. Metall oder gewöhnliche Betonwände aufgebracht wird.
  9. 9) Vorrichtung zur elektromagnetischen Abschirmung von Bauwerken, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Frequenzbereiches, in dem die Abschirmung wirksam ist, in Richtung niedriger Frequenzen Beton nach Anspruch 1 mit einem Metallgitter oder einer Stahlbewehrung (auch zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit) verwendet wird.
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