DE60007877T2

DE60007877T2 - Niederfrequente Elektromagnetische Absorptionsoberfläche

Info

Publication number: DE60007877T2
Application number: DE60007877T
Authority: DE
Inventors: Chris Robert Farnborough LAWRENCE; John Roy Sambles; Alistair Paul Hibbins
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: GB2353638A; CA2380744A1; EP1206814A1; GB2370420A; ATE258338T1; AU6461800A; GB2370420B; CA2380744C; GB9920009D0; WO2001015274A1; JP2003508945A; DE60007877D1; GB0201077D0; US6642881B1; EP1206814B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf niederfrequente elektromagnetische Absorptionsoberflächen.
Oberflächenplasmon-Polartionen (SPPs) sind Ladungsdichteoszillationen, die auf der Oberfläche eines Metalls an einer Metall-Dielektrikum-Grenzfläche induziert werden, wenn Photonen in der richtigen Weise an die Mode gekoppelt werden. Der Impuls der auftreffenden Photonen muss verstärkt werden, falls die Resonanzbedingung zu erfüllen ist, wobei dies erreicht werden kann, indem das Metall gewellt wird, um ein Beugungsgitter zu bilden. Die Energie wird, zurückzuführen auf die Ladungsdichteoszillation (d. h., die Kollisionen der Ladungen führen zur Erwärmung in dem Metall), durch das Metall absorbiert, wobei folglich die Plasmonen nicht zurück in Photonen für die erneute Emission umgesetzt werden können. In dieser Weise ist das Reflexionsvermögen des Metalls verringert, wenn die Photonen absorbiert werden. Dieses Phänomen ist bei sichtbaren Frequenzen wohl bekannt, wobei es die Grundlage für viele Sensorkonstruktionen bildet.
Bei Mikrowellenfrequenzen breiten sich alle SPPs, die auf der Oberfläche des Metalls angeregt werden, ohne Verlust aus, weil die Ladungsdichteoszillationen praktisch ungedämpft sind (d. h., die Photonenenergie kann nicht absorbiert werden). Anstatt absorbiert zu werden, gleiten die SPPs über die Oberfläche, bis sie an einem beugenden Merkmal, wie z. B. einer Kante, einer Kurve oder dem ursprünglichen Beugungsgitter, zurück in Photonen umgesetzt werden. Folglich wird die Strahlung schließlich erneut emittiert, möglicherweise zurück in Richtung auf die Strahlungsquelle. Um diese Streuemissionen zu verringern, werden verlustbehaftete Materialien als Oberflächenbeschichtungen verwendet, um alle SPPs zu absorbieren, die angeregt worden sind, wobei Verfahren gesucht werden, um die Anregung der Moden zu verhindern.
Eine flache Metallplatte ist ein im hohen Grade effizienter Mikrowellenreflektor, der normalerweise keine SPPs unterstützt. Wenn es gewünscht wird, dass die Platte alle Energie absorbieren soll, die auf sie fällt, dann werden absorbierende Materialien als Oberflächenbeschichtungen verwendet. Elektrisch absorbierende Materialien müssen in spezifischen Entfernungen vom Metall angeordnet werden, deren kürzeste ein Viertel der zu absorbierenden Wellenlänge ist. Im Fall magnetischer Absorber werden diese direkt auf der Metallplatte angeordnet, sie sind aber weit schwerer als elektrische Absorber. Folglich müssen Gewichts- und Volumenbetrachtungen berücksichtigt werden.
Die Geometrie der Gitterkopplung des Standes der Technik verwendet eine gewellte Metall/Dielektrikum-Grenzfläche, und wenn das Gitter in dieser Weise gekoppelt wird, breitet sich das SPP längs dieser gewellten Grenze aus. Weil die periodische Oberfläche die der Mode zugeordnete Energie in die Beugungsordnungen streuen kann, ist die Ausbreitungslänge der Mode verringert. Der Nachteil ist, dass komplizierte Profile nicht leicht auf einer Metallschicht hergestellt werden können, wobei teure und komplizierte Techniken der maschinellen Bearbeitung des Metalls erforderlich sind. Außerdem kann das SPP, das sich längs der texturierten Oberfläche ausbreitet, nur strahlend gedämpft werden, weil die Medien auf beiden Seiten der Grenze normalerweise nicht absorbierend sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen relativ dünnen leichten Breitband-Absorber zu schaffen, der relativ einfach zu fertigen ist und einen zweiten Dämpfungsmechanismus enthält, durch den das SPP zerfallen kann.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein niederfrequenter Mikrowellen- oder Radarstrahlungsabsorber ein Substrat mit freien Ladungen und eine dielektrische Schicht, die auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen ist, wobei die dielektrische Schicht eine texturierte gemusterte Oberfläche besitzt, die so konfiguriert ist, dass sie eine Absorption der auftreffenden Mikrowellen- oder Radarstrahlung bewirkt.
Vorzugsweise ist das Substrat metallisch. Normalerweise ist das Substrat im Wesentlichen planar, wobei sich die texturierte Oberfläche auf der oberen Oberfläche der dielektrischen Schicht befindet.
Derartige dielektrische Gitter (Wachs), die auf der Metallplatte angeordnet sind, regen SPPs an. Das Gitter kann potentiell weit dünner als ein Viertel einer Wellenlänge sein, wobei es sogar in der Form von Klebestreifen in einem eingestellten Abstand aufgetragen sein kann. Komplizierte Profile können leicht in weiche dielektrische Schichten (z. B. Wachs) geschnitten werden.
In den Strahlungsabsorbern gemäß der Erfindung gibt es zwei unabhängige Dämpfungsprozesse, die auf das SPP wirken, wie es sich längs der Grenze ausbreitet. Erstens erlaubt der Mechanismus, der erlaubt, dass die Strahlung in das SPP (d. h. das Gitter) koppelt, außerdem, dass die Mode strahlend zerfällt. Obwohl die oberen und unteren halbunendlichen Medien (Luft bzw. Metall) bei diesen Frequenzen effektiv nicht absorbierend sind, kann dies zweitens für Dielektrika, wie z. B. Wachs, nicht zutreffen. Weil die der SPP-Mode zugeordneten abklingenden Felder in das Wachs eindringen, tragen alle Verlustmechanismen innerhalb dieser Überschicht einen Term zur Dämpfung der Mode bei. Beide Dämpfungsterme tragen zur Breite der Oberflächenplasmon-Resonanz bei, wobei sie außerdem eine ähnliche Wirkung auf alle geführten Moden besitzen, die sich in dem System ausbreiten.
Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht mit einem geeigneten absorbierenden Material (z. B. Ferrit-Teilchen, Kohlenstoff-Faser) dotiert. In diesem Fall werden die SPPs durch das Gitter anstatt durch das Metall absorbiert, wobei die Absorption über einen Bereich der Wellenlängen auftritt.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Reduzieren der niederfrequenten Mikrowellen- oder Radarstrahlung, die von einem Objekt reflektiert/zurückgesendet wird, die folgenden Schritte: Bewirken, dass die niederfrequente Strahlung auf einen Gegenstand auftrifft, der ein texturiertes/gemustertes Dielektrikum aufweist, das auf ein Substrat mit freien Ladungen aufgetragen ist; Verstärken des Impulses der auftreffenden Photonen der Strahlung, um an der Substrat/Dielektrikum-Grenzfläche Oberflächenplasmon-Polaritonen zu bilden; Absorbieren der Energie der auftreffenden Photonen durch Dämpfungsmechanismen.
Die Verstärkung des Impulses der auftreffenden Photonen tritt zurückzuführen auf die texturierte/gemusterte Oberfläche des Dielektrikums auf. Die Dämpfungsmechanismen enthalten einen Mechanismus, der der Strahlung erlaubt, in das SPP zu koppeln, und die Verlustmechanismen innerhalb der dielektrischen Schicht.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, worin
1 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein Metallsubstrat umfasst, das eine dielektrische Schicht aus Mineralölparaffin mit einer profilierten Oberfläche besitzt.
2 zeigt eine Anordnung, die verwendet wird, um das Reflexionsvermögen von der Probe aufzuzeichnen.
3 veranschaulicht eine polare Grauskalen-Abbildung der normierten R_pp-, R_ps- und R_ss-Signale von der Probe als eine Funktion der Frequenz und des Azimutalwinkel des Einfalls.
1 zeigt das Substrat 1, das eine dielektrische Schicht aus Mineralölparaffin 2 mit einer profilierten Oberfläche besitzt. Dieses Profil ist gewellt (sinusförmig), wobei es ein Grundmaß p, eine Amplitude a und eine elektrische Dicke t besitzt. Das sinusförmige obere Grenzflächenprofil ist A(x) = αcosΠx/λ_g, wobei t ≈ 2,6 mm, a ≈ 1,5 mm und λ_g = 15 mm gilt.
Die Probe wird vorbereitet, indem eine metallische quadratische Schale mit einer Seite von etwa 400 mm und einer Tiefe von 5 mm mit heißem Wachs gefüllt und abkühlen gelassen wird. Ein metallischer "Kamm" des gewünschten sinusförmigen Grenzflächenprofils wird unter Verwendung einer rechnergestützten Konstruktions- und Fertigungstechnik hergestellt. Er wird verwendet, um unerwünschtes Wachs von der Probe zu entfernen, indem er sorgfältig über die Oberfläche gezogen wird, bis das gewünschte Gitterprofil erhalten worden ist.
2 zeigt eine Anordnung, die verwendet wird, um das Reflexionsvermögen von der Probe aufzuzeichnen. Ein Sendehorn 3 ist im Brennpunkt eines Spiegels 4 mit einer Brennweite von 2 m angeordnet, um den Strahl von ihm zu kollimieren. Ein zweiter Spiegel 5 ist positioniert, um den spiegelnd reflektierten Strahl vom Gitter zu sammeln und ihn auf dem Detektor 6 zu fokussieren. Das dielektrische Gitter auf dem metallischen Substrat ist gezeigt, wobei sie zusammen durch das Bezugszeichen 7 bezeichnet sind. Die Variation der Größe der auftreffenden Welle – des Vektors in der Ebene des Gitters kann erreicht werden, indem entweder die Wellenlänge (λ) oder der Einfallswinkel (θ, φ) abgetastet wird. Die Daten des Reflexionsvermögens werden als eine Funktion der Wellenlänge zwischen 7,5 und 11 mm und über den Bereich des Azimutwinkels (φ) von 0° bis 90° bei einem festen Polwinkel des Einfalls θ ≈ 47° aufgezeichnet. Die Quellen- und Empfangs-Hornantennen sind eingestellt, um entweder die p-Polarisationen (die transversal magnetischen bzw. TM-Polarisationen) oder die s-Polarisationen (die transversal elektrischen bzw. TE-Polarisationen) durchzulassen, die in Bezug auf die Einfallsebene definiert sind. Dies ermöglicht die Messung der RPP-, R_ps-, R_ss- und R_sp-Reflexionsvermögen. Die resultierenden wellenlängen- und winkelabhängigen Reflexionsvermögen von der Probe werden durch Vergleich mit dem reflektierten Signal von einer flachen Metallplatte normiert.
3 veranschaulicht eine polare Grauskahlen-Abbildung der normierten R_pp-, R_ps- und R_ss-Signale von der Probe als eine Funktion der Frequenz und des Azimutalwinkels des Einfalls. Weil das Profil des Gitters keinen bestimmten Bereich maximaler Intensität besitzt, sind die Ergebnisse aus den zwei Polarisationsumsetzungsabtastun gen völlig gleich, wobei folglich das R_sp-Verhalten nicht veranschaulicht ist.
4 zeigt eine Folge von experimentellen Datensätzen des Reflexionsvermögens gegen den Azimutalwinkel () bei Wellenlängen von (a) 7,5 mm, (b) 8,5 mm, (c) 9,5 mm und (d) 10,5 mm, wobei sie die R_pp-, R_ss-, R_ps- bzw. R_ss-Signale zeigt.
5 und 6 veranschaulichen die Wirkung des Imaginärteils der Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Schicht an dem modellierten R_ss-Verhalten und den Absorptionsgrad der Probe bei einer Wellenlänge von 11 mm.
Die Variablen der Frequenz, der dielektrischen Dicke und der Profilform können gewählt werden, um die Kopplungsstärke (der auftreffenden Strahlung mit dem Oberflächenplasmon) zu steuern. Die gewellte Luft-Dielektrikum-Grenze regt Beugungsordnungen an, die den erforderlichen verstärkten Impuls bereitstellen, um die Strahlung an das der Wachs-Grenzfläche zugeordnete SPP zu koppeln.
Die gebeugten SPP-Moden (TM) breiten sich längs der Metall-Wachs-Grenzfläche aus. Es wird angemerkt, dass die Kopplungsstärke der SPP auf null abnimmt, wenn φ = 0° erreicht wird. Dies ist so, weil das auftreffende TE-Feld keine Komponente des elektrischen Feldes besitzt, die senkrecht zur Gitteroberfläche wirkt, wobei es folglich nicht die notwendige Oberflächenladung erzeugen kann. Mit anderen Worten, die Anregung der Moden ist in dem Fall einer einfachperiodischen texturierten Oberfläche polarisationsabhängig.
Die dem SPP zugeordneten abklingenden Felder tasten die Wachs schicht ab, wobei sie in den Luft-Halbraum eindringen. Deshalb ist die Dispersion des SPP von einem effektiven Brechungsindex (n^eff _wax) abhängig, weil der Grad des Eindringens in die Luft durch die Dicke der Wachs-Überschicht gesteuert wird. Außerdem wird die Anregung der geführten Moden innerhalb der dielektrischen Schicht außerdem möglich, wobei im Gegensatz zum SPP die Dispersion dieser Moden durch den wahren Brechungsindex der Schicht n_wax gesteuert wird, wobei n_airk_o < k_GM < n_waxk_o gilt. In einer zum SPP ähnlichen Weise bewegt sich die geführten Mode außerdem weg von der pseudokritischen Kante, wie die Wachsdicke vergrößert wird.
4 zeigt eine Folge experimenteller Datensätze des Reflexionsvermögens gegen den Azimutalwinkel () bei Wellenlängen von (a) 7,5 mm, (b) 8,5 mm, (c) 9,5 mm und (d) 10,5 mm, wobei sie die R_pp-, R_ss-, R_ps- bzw. R_ss-Signale zeigt. Die ausgezogenen Kurven sind die theoretischen Anpassungen, die sich mit den experimentellen Daten in guter Übereinstimmung befinden. Während des Anpassungsprozesses ist erlaubt, dass die Amplitude der Wellung, die Dicke und der Realteil der Dielektrizitätskonstanten des Wachses und der Polwinkel des Einfalls alle von ihren gemessenen Werten abweichen. Der Imaginärteil der Dielektrizitätskonstanten des Wachses ist anfangs als null angenommen worden, das Grundmaß des Gitters beträgt λ_g = 15 mm, wobei die Dielektrizitätskonstanten des Metalls und der Luft als ε_metal = –10⁶ + 10⁶i bzw. ε_air = 1,0 + 0,0i angenommen werden. Es ist außerdem eine Verzerrung des Gitterprofils (a₂, a₃) eingeführt worden, dies verbessert jedoch nicht die durchschnittliche Qualität der Anpassungen.
Eine Oberfläche gemäß der Erfindung schafft ein radarabsorbierendes Material für Tarnkappen-Anwendungen und mit kommerziellen Anwendungen in Bereichen wie z. B. der Kraftfahrzeug- und Flughafen-Radarsteuerung. In den beschriebenen Absorbern des Standes der Technik ist eine ausreichend große Gittertiefe erforderlich, um die Lebensdauer der Mode zu verkürzen und die Resonanz ausreichend zu verbreiten, sodass sie leicht beobachtet werden kann. Unter Verwendung einer gewellten dielektrischen Überschicht mit von null verschiedenem ε_i, die auf einer planaren Metalloberfläche abgeschieden worden ist, wird ein zweiter Dämpfungsmechanismus, durch den das SPP zerfallen kann, eingeführt, wobei der Bedarf an derartigen großen Wellungsamplituden verringert wird.
5 und 6 veranschaulichen die Wirkung des Imaginärteils der Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Schicht an dem modellierten R_ss-Verhalten und den Absorptionsgrad der Probe bei einer Wellenlänge von 11 mm. Dies zeigt, dass sich die Position der Moden im Impulsraum nicht ändert, sondern dass die Breite dieser Resonanzen vergrößert wird. Außerdem verkleinert eine absorbierende Überschicht die Kopplungsstärke des SPP, weil die Größe der abklingenden Felder auf der Metalloberfläche verringert wird. Die Einführung der Absorption in das Dielektrikum verkleinert das Niveau des Hintergrund-Reflexionsvermögens, der Absorptionsgrad bei der Resonanz einer gut gekoppelten Mode wird jedoch im hohen Maße verbessert. 11 veranschaulicht außerdem den Absorptionsgrad auf einer planaren Probe der gleichen mittleren Dicke.
Selbstverständlich kann die dielektrische profilierte Oberfläche in alternativen Weisen geschaffen werden. Das Profil ist vorzugsweise wellenförmig, was sinusförmige, sägezahnförmige, dreieckige und rechteckige Signalformen umfasst. Die Amplitude und das Grundmaß des Gitters würden entsprechend den zu absorbierenden Wellenlän gen angepasst, sie würden aber wahrscheinlich zwischen dem 0,5- und 2,0fachen der geeigneten Wellenlänge liegen. Was die Dicke des Profils anbelangt, ist sie vorzugsweise kleiner als ein Viertel einer Wellenlänge.
Die profilierte dielektrische Schicht kann parallele Streifen aus einem geeigneten dünnen Bandmaterial umfassen. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, dass die dielektrische Schicht einfach auf vorhandene Oberflächen aufgebracht werden kann.
Andere Variationen enthalten die dielektrische Schicht, die ein Schachbrettmuster besitzt. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass sie ein regelmäßiges Muster in zwei senkrechten Achsen in der Ebene auf der Oberfläche schafft.
Das Gitter kann alternativ ein hexagonales Gitter aus 'Punkten' oder irgendeine andere Geometrie umfassen. Der Vorteil höherer Symmetriegruppen ist, dass sie eine Verringerung in der azimutalen Empfindlichkeit und der Polarisationsempfindlichkeit ergeben. Die Wiederholungsperiode könnte einzeln, mehrfach oder variabel sein, um einen Breitband-Betrieb zu sichern, wobei die ganze Oberfläche mit einem Dielektrikum mit einer anderen Dielektrizitätskonstanten 'bedeckt' sein könnte, um eine obere Schutzschicht zu bilden, die eine planare oberste Oberfläche darstellt.

Claims

Niederfrequenter Mikrowellen- oder Radarstrahlungsabsorber, der ein Substrat (1) mit freien Ladungen, die in Bewegung versetzt werden können, damit sie Resonanzladungsdichte-Oszillatoren bilden, und eine dielektrische Schicht (2), die auf die Oberfläche des Substrats (1) aufgetragen ist, umfasst, wobei die dielektrische Schicht (2) eine texturierte/gemusterte Oberfläche besitzt, die so konfiguriert ist, dass sie eine Absorption der auftreffenden Mikrowellen- oder Radarstrahlung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein im Wesentlichen planares metallisches Substrat ist und die texturierte Oberfläche sich auf der oberen Oberfläche der dielektrischen Schicht (2) befindet.
Niederfrequenter Strahlungsabsorber nach Anspruch 1, bei dem die texturierte Oberfläche wellenförmig ist.
Niederfrequenter Strahlungsabsorber nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die dielektrische Schicht (2) mehrere Bandstreifen aufweist.
Niederfrequenter Strahlungsabsorber nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die dielektrische Schicht (2) wenigstens längs zweier Achsen über die Oberfläche eine Symmetrie besitzt.
Niederfrequenter Strahlungsabsorber nach einem vorhergehen den Anspruch, bei dem das dielektrische Material (2) Dotierstoffe enthält.
Niederfrequenter Strahlungsabsorber nach einem vorhergehenden Anspruch, der ferner eine Beschichtung auf dem dielektrischen Material (2) mit einer anderen Dielektrizitätskonstante aufweist.
Gebäude, das einen Strahlungsabsorber nach einem der obigen Ansprüche aufweist.
Fahrzeug oder Flugzeug, das einen Strahlungsabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Solartafel, die einen Strahlungsabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Verfahren zum Reduzieren der niederfrequenten Mikrowellen- oder Radarstrahlung, die von einem Objekt reflektiert/zurückgesendet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Bewirken, dass die niederfrequente Strahlung auf einen Gegenstand auftrifft, der ein texturiertes/gemustertes Dielektrikum (2) aufweist, das auf ein im wesentliches planares Substrat (1) mit freien Ladungen aufgetragen ist; Verstärken des Impulses der auftreffenden Photonen der Strahlung, um an der Substrat/Dielektrikum-Grenzfläche Oberflächenplasmon-Polaritonen zu bilden; Absorbieren der Energie der auftreffenden Photonen durch Dämpfungsmechanismen.