DE69836457T2 - Platten und material zur absorbtion elektromagnetischer wellen - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Platten, die beim Bau von Gebäuden zum Zweck eines Absorbierens elektromagnetischer Wellen, besonders in den Frequenzbereichen von Funkübertragungen, Fernsehübertragungen und Mikrowellen, verwendet werden, und insbesondere auf Platten, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, z.B. Verbundstoff- und mehrschichtige Platten.
  • Seit vielen Jahren erkennt man an, dass eine Reflexion elektromagnetischer Wellen von Gebäuden und anderen Strukturen Probleme verursacht, z.B. Geisterbilder beim Fernsehempfang und Störungen und Rauschen beim Funkempfang. Dies ist in dicht bevölkerten, hochtechnisierten Gesellschaften wie z.B. den Großstädten der Vereinigten Staaten von Amerika, Europa und Japan, ein besonders schwerwiegendes Problem. Beispielsweise wird in Japan in Großstädten eine Erklärung über eine elektromagnetische Beeinträchtigung von Rundfunkfernsehen verlangt, bevor ein großes Gebäude gebaut werden darf, und Baugesetze können erfordern, dass Gebäude so gebaut werden, dass Reflexionen elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von Funk-, Fernseh- und manchen Mikrowellen, d.h. zwischen 80 bis 2400 Megahertz, vermieden werden. Eine Übertragung elektromagnetischer Wellen durch viele Baumaterialien hat in manchen Situationen auch zu Geheimhaltungsproblemen geführt. Aus diesen Gründen wurde bisher umfassend dahin gehend geforscht, Baumaterialien zu finden, die elektromagnetische Strahlung absorbieren. Siehe beispielsweise Investigation on Oblique Incident Characteristics of Ferrite Absorbing Panels For TV Ghost Suppression, Hironobu Ito et al. Japan Broadcasting Corporation et al. (etwa 1994). Wellenabsorptionsplatten zur Verwendung beim Bau von Gebäuden umfassen allgemein eine Trägerschicht aus Beton oder einem anderen elementaren Baumaterial, eine reflektierende Schicht, die üblicherweise ein Metallgitter oder ein anderes leitfähiges Material ist, eine absorbie rende Schicht, die üblicherweise ein Ferrit ist, und eine äußere Schicht wie z.B. eine Silikat-Baufliese, um die absorbierende Schicht vor Umwelteinflüssen zu schützen. Andere Materialien, die als absorbierende Schicht verwendet werden, umfassen leitende Materialien wie z.B. Kohlefasern in einem Harz.
  • Da nahezu jegliche Materie eine charakteristische Frequenz aufweist, bei der sie Strahlung absorbiert, ist es relativ leicht, ein Material zu finden, das elektromagnetische Strahlung über einige schmale Frequenzbereiche hinweg absorbiert. Beispielsweise weisen Ferrite üblicherweise eine Absorptionsspitze von ungefähr zwischen 200 Megahertz und 400 Megahertz auf. Es ist viel schwieriger, wenn nicht unmöglich, ein Material zu finden, das über einen großen Frequenzbereich von mehreren tausend Megahertz oder sogar nur einigen hundert Megahertz hinweg absorbiert. Somit wurden bisher mehrschichtige Strukturen, die Kombinationen von Ferriten, leitenden Fasern in einem Harz umfassen, und andere, ähnliche Strukturen als Wellenabsorber getestet.
  • Es ist bekannt, ein Viertelwellenplättchen zu verwenden, um einen Absorber von elektromagnetischen Wellen zu liefern. Bei einem derartigen Absorber wird eine Materialdicke, die gleich einem Viertel einer Wellenlänge ist, vor einen 100%igen Reflektor, z.B. eine Metallschicht, platziert. Dieses Absorptionsprinzip wurde bisher nicht beim Versuch angewendet, Absorptionsplatten für Gebäude herzustellen, da Wellen im Fernsehfrequenzbereich viele Meter lang sind. Somit wäre ein derartiger Absorber, der einige wenige Meter lang ist, zur Verwendung in einem Gebäude zu dick.
  • Die erfolgreichsten Materialien für Wellenabsorptionsplatten, Ferrite, sind relativ schwer, müssen bis zu einem Zentimeter dick sein, um effektiv zu sein, und sind relativ weich und erfordern somit eine zusätzliche Schicht eines Baumaterials, z.B. Fliesen, um sie vor den Umwelteinflüssen zu schützen. Somit sind Wellenabsorptionsplatten, die in der Technik bekannt sind, sperrig und schwer, und führen dazu, dass die Struktur kostspielig und für eine Verwendung an einem ganzen Gebäude unhandlich ist, oder sie sind nicht in der Lage, über den breiten Frequenzbereich hinweg zu absorbieren, der nötig ist, um alle elektromagnetischen Wellen, die üblicherweise in einem großen Stadtgebiet vorhanden sind, zu umfassen, oder beides. Überdies liegt die Frequenz, bei der herkömmliche Ferrite absorbieren, im Bereich zwischen 200 und 400 Megahertz, während VHF-Fernsehfrequenzen im Bereich zwischen etwa 100 und 250 Megahertz liegen, und UHF-Fernsehfrequenzen im Bereich von etwa 450 Megahertz bis etwa 800 Megahertz liegen. Somit wäre es äußerst wünschenswert, eine Wellenabsorptionsplatte zu haben, die relativ leicht und dünn ist und gleichzeitig über einen breiten Frequenzbereich hinweg, einschließlich bis zu etwa 800 Megahertz, absorbiert.
  • Die Wellenabsorptionsplatten des Standes der Technik sind allgemein lediglich im Frequenzbereich elektromagnetischer Fernsehwellen nützlich, also der Wellen, bei denen die auf eine Reflexion zurückzuführenden Probleme am stärksten verbreitet sind. Jedoch können Probleme bezüglich einer Reflexion von Wellen auch in anderen spezialisierten Bereichen schwerwiegende Konsequenzen aufweisen, z.B. bei Funk-LAN-Systemen, die auf Grund von Reflexionen Daten verlieren können, und bei Flughafen-Funksteuersystemen, bei denen die Eindeutigkeit eines Signals eine Sache von Leben und Tod sein kann. Es wäre äußerst wünschenswert, Absorptionsplatten zu haben, die in den Frequenzbereichen dieser spezialisierten Anwendungsgebiete eine starke Absorption aufweisen.
  • Ferner stellte man fest, dass viele Baustellen auf Grund der Nähe zu Quellen elektromagnetischer Wellen einer schmalen Frequenz in der Praxis lediglich in einem schmalen Frequenzbereich eine negative Auswirkung auf die elektromagnetische Umgebung aufweisen. Diese Bandbreite kann nicht vorausgesagt werden, bevor man die Örtlichkeit eines zu errichtenden Gebäudes kennt. Somit wäre es äußerst sinnvoll, eine Absorberplatte und ein Verfahren zur Herstellung von Absorberplatten zu haben, die ohne weiteres auf eine spezifische Frequenz abgestimmt werden können.
  • Die US 5,296,859 beschreibt eine elektromagnetische Wellen absorbierende Vorrichtung, die eine Breitband-Elektromagnetische-Wellen-Absorptionscharakteristik aufweist. Eine erste dielektrische Schicht, die eine niedrige Permittivität aufweist, ist an einem metallischen Reflektor angeordnet. Auf der ersten dielektrischen Schicht ist eine Ferritschicht vorgesehen, auf der eine zweite dielektrische Schicht mit einer niedrigen Permittivität angeordnet ist. Auf der zweiten dielektrischen Schicht ist ein Magnetkörper vorgesehen, der eine niedrige magnetische Permeabilität aufweist. Der Magnetkörper verwendet Materialien wie z.B. ein Gummiferrit, wohingegen die zweite dielektrische Schicht eine Permittivität von weniger als 70 aufweist.
  • T. Takizawa, IEEE Transaction on Broadcasting, Vol. BC-25, Nr. 4, Dezember 1979, Seiten 143 bis 146, beschreibt eine Platte zum Verringern einer Geisterbildstörung von Gebäuden. Eine erste Betonschicht ist auf einer Metallplatte vorgesehen. Auf der Betonschicht ist eine Ferritschicht angeordnet, auf der eine zweite Betonschicht vorgesehen ist.
  • Die EP 0 353 923 beschreibt einen Absorber von elektromagnetischen Wellen, bei dem eine dielektrische Platte an einer leitfähigen Platte angebracht ist. An der dielektrischen Platte ist eine flache Ferritplatte angebracht, wodurch eine zweischichtige Struktur der dielektrischen Platte und der Ferritplatte definiert ist.
  • Die US 4,012,738 beschreibt einen Mikrowellenstrahlungsabsorber zur Frühwarnung in Radar-Frequenzbereichen. Der Absorber umfasst eine mit Kohlenstoff imprägnierte Gummischicht und eine dünne Ferritschicht. Die Ferritschicht umfasst beispielsweise Magnesium-Zink-, Magnesium-Mangan- oder Nickel-Zink-Mischtypen (Ni0,6Zno0,4) Ofe2O3.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Breitband-Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung in Gebäuden zu liefern, die ohne weiteres auf eine spezifische Frequenz abgestimmt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß den Ansprüchen 1 und 5 gelöst.
  • Die Erfindung löst die obigen Probleme, indem sie Mehrkomponenten-Absorber liefert, die darauf abgestimmt werden können, einen großen Frequenzbereich abzudecken oder in einem spezifischen Bereich eine hervorragende Absorption aufzuweisen, je nach dem durch eine spezifische Baustelle definierten elektromagnetischen Umweltproblem. Die Abstimmung kann erfolgen, indem die spezifischen Materialien in einem Mehrschichtstapel ausgewählt werden, indem spezifische Materialien in einem Verbundstoff ausgewählt werden, indem die Dicke der Schichten in einem Mehrschichtstapel oder die Dicke eines Verbundstoffes variiert wird, indem die Menge jeder Komponente in einem Verbundstoff variiert wird, sowie durch Kombinationen der vorstehenden.
  • Die Erfindung liefert spezifische Kombinationen von Materialien, die sich für die Lösung des Problems der großen Bandbreite oder für ein Abstimmen auf die Lösung spezifischer Probleme anbieten. Beispielsweise liefert die Erfindung eine Kombination eines stark dielektrischen Materials mit einem Ferrit, die über eine moderate Bandbreite von Fernsehfrequenzen ein äußerst effektiver Absorber ist und auf eine spezifische Bandbreite abgestimmt werden kann, indem die spezifischen Materialien ausgewählt und indem die Dicke jeder Komponentenschicht variiert wird. Als weiteres Beispiel liefert eine Kombination aus einer ferroelektrischen Schicht, einer Ferritschicht, einem Polymer und einem reflektierenden Metall über den gesamten Fernsehfrequenzbereich eine hervorragende Absorption. Als weiteres Beispiel kann die Kombination aus einer ersten Ferritschicht und ei ner zweiten Ferritschicht mit einer geringen Veränderung des Betrags des Reflexionsverlustes auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt werden, wenn der Frequenzbereich, über den der Verlust erfolgt, verändert wird.
  • Die Erfindung liefert eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung bei der Errichtung von Gebäuden, wobei die Absorptionsplatte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht umfasst, wobei die erste Schicht näher an dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte angeordnet ist als die zweite Schicht, wobei die dritte Schicht weiter entfernt von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als die zweite Schicht, wobei die zweite Schicht ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante umfasst, wobei die erste Schicht einen Ferrit umfasst und die dritte Schicht ein Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante umfasst. Vorzugsweise umfasst das Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante ein Polymer, und das Material mit hoher Dielektrizitätskonstante ein ferroelektrisches Material.
  • In Bezug auf einen weiteren Aspekt liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung bei der Errichtung von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht näher an dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte angeordnet ist als die zweite Schicht, wobei die erste Schicht einen Ferrit umfasst und die zweite Schicht ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante umfasst. Vorzugsweise umfasst das Ferrit Nickel-Zink-Ferrit, und das Material mit hoher Dielektrizitätskonstante umfasst BST. Vorzugsweise umfasst das Absorberelement ferner eine zwi schen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete dritte Schicht, wobei die dritte Schicht ein Polymer umfasst; und eine zwischen der dritten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete vierte Schicht, wobei die vierte Schicht LSM umfasst. Vorzugsweise umfasst das Absorberelement ferner eine dritte Schicht, die weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als die erste Schicht, wobei die dritte Schicht ein Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante umfasst. Vorzugsweise ist die dritte Schicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet, und die Platte umfasst ferner ein leitfähiges reflektierendes Element, das weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als das Absorberelement. Vorzugsweise umfasst das Absorberelement ferner eine vierte Schicht, die ein dielektrisches Material umfasst.
  • In Bezug auf einen anderen Aspekt liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung bei der Errichtung von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die zweite Schicht weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte entfernt angeordnet ist als die erste Schicht, wobei die erste Schicht ein ferroelektrisches Material umfasst, die zweite Schicht einen Ferrit umfasst. Vorzugsweise umfasst das Absorberelement ferner eine dritte Schicht, die weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als die zweite Schicht.
  • In Bezug auf einen wieder anderen Aspekt liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung bei der Errichtung von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement eine erste Schicht und die zweite Schicht umfasst, wobei die zweite Schicht weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte entfernt angeordnet als die erste Schicht, wobei die erste Schicht einen Ferrit umfasst und die zweite Schicht ein ferroelektrisches Material umfasst.
  • In Bezug auf einen wieder anderen Aspekt liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung bei der Errichtung von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement eine erste Schicht, die ein Polymer umfasst, und die zweite Schicht, die ein Material umfasst, das eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist als das Polymer, umfasst. Vorzugsweise ist die zweite Schicht weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte entfernt angeordnet ist als die erste Schicht. Alternativ dazu ist die erste Schicht weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als die zweite Schicht. Vorzugsweise umfasst die zweite Schicht einen Ferrit und es liegen n der Absorberelemente vor, wobei jedes Absorberelement eine der ersten Schichten und eine der zweiten Schichten umfasst und n eine Ganzzahl zwischen 2 und 100 ist.
  • In Bezug auf weiteren Aspekt liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; ein durch das Trägerelement getragenes reflektierendes Element; und ein durch das Trägerelement getragenes Absorberelement, wobei das Absorberelement näher an dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte angeordnet ist als das reflektierende Element, wobei das Absorberelement eine erste Schicht, die einen Ferrit umfasst, und eine zweite Schicht, die Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante umfasst, umfasst, wobei die zweite Schicht weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt ange ordnet ist als die erste Schicht. Vorzugsweise umfasst die zweite Schicht einen Ferrit und es liegen n der Absorberelemente vor, wobei jedes Absorberelement eine der ersten Schichten und eine der zweiten Schichten umfasst und n eine Ganzzahl zwischen 2 und 100 ist. Vorzugsweise liegen n der Absorberelemente vor, wobei jedes Absorberelement eine der ersten Schichten und eine der zweiten Schichten umfasst und n eine Ganzzahl zwischen 2 und 100 ist.
  • Die Erfindung liefert ferner eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung bei der Errichtung von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement eine zweite Schicht, die ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante umfasst, eine erste Schicht, die ein Material umfasst, bei dem der imaginäre Teil der Permeabilität größer als der oder gleich dem realen Teil der Permeabilität ist, und eine dritte Schicht, die ein Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante umfasst, umfasst, wobei die dritte Schicht weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte entfernt angeordnet ist als die zweite Schicht, wobei die erste Schicht zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die zweite Schicht einen Ferrit und umfasst die Platte ferner ein leitfähiges reflektierendes Element, das weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als das Absorberelement. Vorzugsweise umfasst die dritte Schicht ein Polymer, und die zweite Schicht ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Perowskiten vom ABO3-Typ und geschichteten Übergittermaterialien besteht.
  • Außerdem sieht die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden vor, wobei die Absorptionsplatte über eine Bandbreite von Frequenzen hinweg zu einer effektiven Wellenabsorption in der Lage ist, wobei die Absorptionsplatte ein Mehrkomponenten-Absorberelement umfasst, das einen effektiven realen Teil der Permittivität ∈'eff und einen effektiven realen Teil der Permeabilität μ'eff aufweist, so dass über die Bandbreite von Frequenzen hinweg (∈'effμ'eff)½ ~ 1/f gilt, wobei f die Frequenz der auftreffenden Welle ist.
  • Bezüglich eines weiteren Aspekts sieht die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden vor, wobei die Absorptionsplatte über eine Bandbreite von Frequenzen hinweg zu einer effektiven Wellenabsorption in der Lage ist, wobei die Absorptionsplatte ein Mehrkomponenten-Absorberelement umfasst, das einen effektiven realen Teil der Permittivität ∈'eff aufweist, der mit der Frequenz abnimmt.
  • Die Erfindung löst ferner die obigen Probleme, indem sie Wellenabsorptionsplatten liefert, die Materialien umfassen, z.B. Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, Ferroelektrika, leitende Oxide, Magnetoplumbite, Granate, magnetisierbares Signet-Gut, die nie zuvor zur Verwendung bei derartigen Platten in Betracht gezogen wurden. Diese Materialien können in Verbindung mit Ferriten verwendet werden, die bisher bei den Wellenabsorptionsplatten verwendet wurden, die Erfindung sieht auch einen neuartigen Nickel-Zink-Ferrit vor, der zur Verwendung bei den Wellenabsorptionsplatten besonders effektiv ist, d.h. Ni0,4Zn0,6Fe2O4.
  • Die Erfindung sieht eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden vor, wobei die Absorptionsplatte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante umfasst. Vorzugsweise umfasst das Absorberelement ferner einen Ferrit und ein Polymer. Vorzugsweise umfasst das Material einer hohen Dielektrizitätskonstante ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Perowskiten vom ABO3-Typ, geschichteten Übergittermaterialien, leitenden Oxiden und magnetisierbarem Signet-Gut besteht. Vorzugsweise umfasst das Material einer hohen Dielektrizitätskonstante ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus BST, LSM und Z × BaTiO3 + (100% – Z) × BiFeO3 besteht, wobei 100% > Z > 0%.
  • Bezüglich eines weiteren Aspekts liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Absorptionsplatte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement ein ferroelektrisches Material umfasst. Vorzugsweise umfasst das Absorberelement ferner einen Ferrit und ein Polymer. Vorzugsweise ist das Ferroelektrikum aus der Gruppe ausgewählt, die aus Perowskiten vom ABO3-Typ und geschichteten Übergittermaterialien besteht. Vorzugsweise ist das Ferroelektrikum aus der Gruppe ausgewählt, die aus Bariumtitanat, Strontiumbismuttantalat, Strontiumbismutniobat, Strontiumbismuttitanat, Strontiumbismutzirconat und festen Lösungen derselben besteht.
  • Bezüglich eines wieder anderen Aspekts liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Absorptionsplatte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement einen Verbundstoff eines Polymers und eines zweiten Materials, das aus der aus Folgenden bestehenden Gruppe ausgewählt ist, umfasst: Materialien einer hohen Dielektrizitätskonstante, Ferroelektrika, Granaten, Magnetoplumbiten und magnetisierbarem Signet-Gut. Vorzugsweise umfasst das zweite Material ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel-Zink-Ferrit, BST, LSM, Yttrium-Eisen-Granat, Strontiumbismuttantalat, Strontiumbismutniobat, Strontiumbismuttitanat, Strontiumbismutzirconat und festen Lösungen derselben besteht.
  • Bezüglich eines wieder anderen Aspekts liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Absorptionsplatte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement einen Granat umfasst. Vorzugsweise ist der Granat Yttrium-Eisen-Granat.
  • Bezüglich eines wieder anderen Aspekts liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Absorptionsplatte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement ein magnetoresistives Material umfasst. Vorzugsweise ist das magnetoresistive Material ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus La0,67Sr0,33MnO3, LaxCa(1-x)MnO3 und LaxPb(1-x) MnO3, wobei 0 < x < 1, besteht.
  • Bezüglich eines weiteren Aspekts liefert die Erfindung eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Absorptionsplatte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement; und ein Absorberelement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das Absorberelement Ni0,4Zn0,6Fe2O4 umfasst.
  • Die neuen Materialien führen zu Platten, die leichter und weniger sperrig sind als Platten des Standes der Technik und die ferner über größere Frequenzbereiche hinweg absorbieren. Außerdem hat eine Analyse der Funktionsweise der neuen Materialien zu einem tieferen Verständnis des Wellenabsorptionsprozesses geführt.
  • Die Erfindung liefert nicht nur neue Mehrkomponenten-Strukturen für Wellenabsorptionsplatten, die leichter, we niger sperrig sind und über größere Frequenzbereiche hinweg absorbieren als bisherige Strukturen, die zur Wellenabsorption beim Bau von Gebäuden verwendet wurden, sondern eine Untersuchung dieser Strukturen führte zu einem tieferen Verständnis dessen, wie die Wellen absorbiert werden, z.B. der Rolle, die die Dielektrizitätskonstante bei Absorptionsplatten spielen kann, und sie führte auch zu einem Prozess eines Entwerfens einer Platte, bei dem zuerst eine Struktur gefunden wird, die grob in dem Bereich, in dem eine Absorption gewünscht wird, absorbiert, und bei dem anschließend die Zusammensetzung des Absorbers dahin gehend abgestimmt wird, eine Dielektrizitätskonstante und andere Parameter zu liefern, die einem Viertelwellenplättchen näher entsprechen, und bei dem die Dicke der Materialien dahin gehend abgestimmt wird, das Absorptionsband dahin gehend zu bewegen, den gewünschten Frequenzbereich abzudecken. Zahlreiche andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
  • 1 zeigt eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht einer verallgemeinerten Wellenabsorptionsplatte gemäß der Erfindung;
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Wellenabsorptionsplatte gemäß der Erfindung, die durch die Linie 2-2 der 1 genommen ist;
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Wellenabsorptionsschicht der Platte der 1;
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiels der Wellenabsorptionsschicht der Platte der 1;
  • 5 zeigt Reflexionsverlust-Gegenüber-Frequenz-Kurven für drei unterschiedliche Wellenabsorptionsfliesen einer hohen Dielektrizitätskonstante/eines Ferrits gemäß der Erfindung;
  • 6 zeigt Reflexionsverlust-Gegenüber-Frequenz-Kurven für sechs verschiedene feste Nickel-Zink-Ferrit-Lösungen;
  • 7 zeigt den realen und den imaginären Teil der Permittivität als Funktion der Frequenz für den Ferrit Ni0,4Zn0,6Fe2O4;
  • 8 zeigt den realen und den imaginären Teil der Permeabilität als Funktion der Frequenz für den Ferrit Ni0,4Zn0,6Fe2O4;
  • 9 bis 15 zeigen Querschnittsansichten alternativer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Wellenabsorptionsschicht der Platte der 1;
  • 16 zeigt Reflexionsverlust-Gegenüber-Frequenz-Kurven für fünf unterschiedliche Dickenkombinationen eines Mehrschichtwellenabsorbers, der aus einer Schicht aus Manganferrit und einer Schicht aus Nickel-Zink-Festlösung-Ferrit hergestellt ist;
  • 17 zeigt eine Computersimulation des Reflexionsverlustes gegenüber der Frequenz für eine Absorptionsplatte, die 1 mm einer 50/50-Festlösung aus BaTiO3 + BaFeO3, 5 mm Ni0,4Zn0,6Fe2O4 und 5 mm TeflonWz umfasst;
  • 18 zeigt eine Computersimulation des Reflexionsverlustes gegenüber der Frequenz für eine Absorptionsplatte, die eine Ferrit/Polymer-Absorptionsschicht einer hohen Dielektrizi tätskonstante umfasst, die 5 mm Ni0,4Zn0,6Fe2O4, 4 mm Polycarbonat und 1 mm 70/30-BST aufweist;
  • 19 zeigt eine Computersimulation des Reflexionsverlustes gegenüber der Frequenz für eine Absorptionsplatte, die eine Polymer/Keramik-Verbundstoff-Absorptionsplatte umfasst, die 13 mm 50% Polycarbonat und 50% (BaTiO3 + 4BiFeO3) umfasst;
  • 20 zeigt einen computersimulierten Graphen des Reflexionsverlustes gegenüber der Frequenz für einen Ferrit/Hohe-Dielektrizitätskonstante-Wellenabsorber, der Ni0,4Zn0,6Fe2O4 als Ferrit und BST als Dielektrikum 182 umfasst und keine reflektierende Schicht aufweist;
  • 21 mit 24 zeigen Querschnittsansichten von alternativen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Wellenabsorptionsschicht der Platte der 1;
  • 25 zeigt einen computersimulierten Graphen des Reflexionsverlustes gegenüber der Frequenz für verschiedene Dicken eines Ferrit/Polymer/LSM/Hohe-Dielektrizitätskonstante-Absorbers;
  • 26 zeigt einen computersimulierten Graphen des Reflexionsverlustes gegenüber der Frequenz für verschiedene Dicken eines mehrschichtigen Ferrit/Polymer-Absorbers;
  • 27 zeigt einen computersimulierten Graphen des Reflexionsverlustes gegenüber der Frequenz für einen Absorber, der 50 Ferrit/Polymer-Schichten für verschiedene Dicken der Ferrit/Polymer-Kombination aufweist;
  • 28 zeigt ein Flussdiagramm des Prozesses zum Herstellen eines Polymer/Keramik-Verbundstoff-Materials gemäß der Erfindung;
  • 29 zeigt ein Flussdiagramm des Prozesses zum Herstellen eines Keramikmaterials gemäß der Erfindung; und
  • 30 zeigt eine Querschnittsansicht eines alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiels der Wellenabsorptionsschicht der Platte der 1.
  • 1 und 2 zeigen eine verallgemeinerte Wellenabsorptionsplatte gemäß der Erfindung. In 1 ist eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht gezeigt, und in 2 ist eine Querschnittsansicht gezeigt. Zuallererst sollte man verstehen, dass 1 und 2 und die anderen Figuren, die Querschnitte eines Absorbers 106 gemäß der Erfindung zeigen, nicht tatsächliche Platten oder Absorber zeigen, sondern vereinfachte Darstellungen sind, die dahin gehend entworfen sind, die Erfindung deutlicher darzustellen, als dies bei einer Zeichnung einer tatsächlichen Platte möglich wäre. Beispielsweise sind manche Schichten im Vergleich mit anderen Schichten so dünn, dass, würden alle Schichten in der korrekten relativen Dicke gezeigt, viele Figuren zu groß wären, um auf eine einzige Seite zu passen. Die Platte 100 umfasst vier Hauptelemente: ein Trägerelement 102, ein reflektierendes Element 104, ein Absorberelement 106 und ein externes Schutzelement 108. Vorzugsweise umfasst jedes der Elemente 102, 104, 106 und 108 eine Schicht aus Material, wobei die Schichten im Wesentlichen parallel zueinander sind. Das Trägerelement 102 ist aus einem Baustrukturmaterial wie z.B. Beton hergestellt. Die reflektierende Schicht 104 ist allgemein eine Schicht aus einem leitfähigen Material, z.B. einem Metall. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist sie eine Schicht aus Eisengewebe oder einem Eisengitter 104, das in dem Beton 102 eingebettet ist und ferner dazu dient, den Beton zu stär ken, wie man in der Betontechnik weiß. Allgemein ist das Gewebe 104 ein bis fünf Zoll tief in dem Beton 102 verborgen. Da die elektromagnetischen Wellen, die absorbiert werden sollen, eine Länge der Größenordnung von einem Meter bis zu hunderten von Metern aufweisen, „sehen" sie das Gewebe als im Wesentlichen fest, und sie werden reflektiert. Das Absorberelement 106 ist in 1 und 2 nur allgemein gezeigt. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Schicht 106 werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Wie man sehen wird, umfasst jedes Ausführungsbeispiel des Absorbers 106 mehrere Komponenten, entweder in dem Sinn, dass es zwei gesonderte Materialkomponenten, z.B. ein Polymer und ein zweites Material, wie bei einem Polymer/Keramik-Verbundstoff, umfasst, oder in dem Sinn, dass es zwei oder mehr gesonderte Schichten unterschiedlicher Materialien umfasst. Aus dem Obigen sollte man erkennen, dass der Begriff „Mehrkomponenten-" in dieser Offenbarung nicht eine einzige chemische Verbindung umfasst, auch wenn die Verbindung mehr als ein Element enthält. Das Schutzelement 108 ist allgemein aus einem herkömmlichen Baumaterial, z.B. einer Fliese auf Siliziumbasis, hergestellt, das auch dekorativ beschaffen und wetterbeständig sein kann. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das Schutzfliesenelement 108 bei manchen Ausführungsbeispielen optional ist, oder bezüglich eines Aspekts einen Bestandteil des Absorberelements 106 bildet. Das heißt, dass manche der absorptiven Materialien der Erfindung, z.B. die Materialien einer hohen Dielektrizitätskonstante (siehe unten), auch Keramik oder andere gehärtete Materialien sind, die äußerst wetterbeständig sind. Das reflektierende Element 104 ist ebenfalls optional. In manchen Fällen kann es in ein Trägerelement 102 integriert sein, das dick genug ist, zu verhindern, dass Strahlung durch dasselbe gelangt. In manchen Fällen kann das Trägerelement 102 dasselbe sein wie das Absorberelement 106, wenn dieses Element stark genug ist, um die nötige Stütze für die Wand oder andere Struktur, von der sie einen Bestandteil bildet, zu liefern. Obwohl die bevorzugten Ausführungsbeispiele allgemein auf Beton- oder ande re Gebäude bezogen sind, bei denen das reflektierende Element 104 ein fester Bestandteil ist, mag ein reflektierendes Element bei manchen Anwendungen nicht wünschenswert sein, wenn Reflexionen auf einem Mindestmaß gehalten werden sollen. Das heißt, dass das Geisterbild-Problem in manchen Fällen überhaupt nur dadurch lösbar sein kann, dass überhaupt keine Reflexionen erzeugt werden. Bei den nachfolgend erörterten Ausführungsbeispielen ist das reflektierende Element 104 vorhanden, wenn nichts anderes angegeben ist. Da die Erfindung insbesondere die Materialien und die Struktur des absorptiven Elements 106 beinhaltet, werden wir uns in der restlichen Offenbarung auf dieses Element konzentrieren. Bei 2 und jedem nachfolgend gezeigten Ausführungsbeispiel des Absorbers 106 trifft die Strahlung 110 von der linken Seite der Figur auf. Dies ist wichtig, da die Reihenfolge der mehreren absorptionsfähigen Schichten ab dem Auftreffpunkt 109 der Strahlung 110 bedeutend ist, um die optimale Absorption zu liefern.
  • Die Tatsache, dass es schwierig ist, Absorberplatten 100 zu bauen und zu testen, war bisher ein beträchtliches Hindernis, das dem Fortschritt in dieser Technik im Wege stand. Testplatten 100 sind sperrig und sind nicht leicht in vielen unterschiedlichen Konfigurationen herzustellen. Ferner ist es schwierig, eine Teststruktur zu erzeugen, die die Proben auf zufrieden stellende Weise testet. Dies wurde bei der vorliegenden Offenbarung überwunden, indem ein komplexes Computersystem geschaffen wurde, das in der Lage ist, verschiedene Konfigurationen der Platte 100 zu simulieren. Viele tatsächliche Ausführungsbeispiele der Platte 100 wurden gebaut und mit den Ergebnissen des Computersimulationssystems verglichen, um eine Perfektionierung des Simulationssystems zu unterstützen. In der nachfolgenden Erörterung stammen die angegebenen Messungen von tatsächlichen Proben, die gemäß der nachfolgenden Erörterung erstellt wurden, es sei denn, es ist spezifisch angegeben, dass die Messungen von dem Computersimulationssystem stammen.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Absorberelements 106A gemäß der Erfindung. Bei der eigentlichen Herstellung und bei dem eigentlichen Testen des Absorbers 106, sowohl für das Ausführungsbeispiel 106A der 3 als auch die anderen, nachstehend erörterten tatsächlich hergestellten Ausführungsbeispiele, wurde der Absorber anhand eines nachfolgend erörterten Prozesses hergestellt und an einem Metallträger in einer koaxialen Halterung angebracht. Das heißt, dass der Träger 102 und die externe Fliese 109 auf Grund der offensichtlichen Schwierigkeiten beim Testen nicht mit einbezogen wurden. Da jedoch eine elektromagnetische Welle von einer leitfähigen Metallschicht zu 100% abreflektiert wird, und da Tests zeigen, dass die externe Fliese 109 den Absorber nicht beträchtlich beeinflusst, sind die hier erörterten experimentellen Ergebnisse eine gute Annäherung an die tatsächliche Platte 100. Das Absorberelement 106A umfasst ein Material 112, das vorzugsweise ein dielektrisches Material ist, jedoch auch ein Beliebiges der Materialien in Tabelle 1 sein kann. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 können Beliebige der in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Dielektrika verwendet werden, obwohl das Dielektrikum 112 bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante ist. Die Schicht 114 ist ein Ferrit. Sie kann ein beliebiger Ferrit sein, obwohl sie vorzugsweise ein Nickel-Zink-Ferrit, ein Kupfer-Zink-Ferrit oder ein Kobalt-Zink-Ferrit und am stärksten bevorzugt Ni0,4Zn0,6Fe2O4 ist. Vorzugsweise ist das dielektrische Material 112 bedeutend dünner als der Ferrit 114, besonders wenn es sich um ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante handelt. Wenn das Material 112 ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante ist, ist es allgemein 2 bis 10 Mal dünner, und am stärksten bevorzugt etwa 3 bis 6 Mal dünner, als der Ferrit 114. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist das Material 112 weiter von dem Reflektor 104 entfernt und näher am Äußeren der Platte 100 angeordnet. Ferner hat man festgestellt, dass Materialien einer hohen Dielektrizitätskonstante bei Wellenabsorp tionsplatten allgemein äußerst wünschenswert sind, unabhängig von ihrer relativen Position bezüglich anderer Absorbermaterialien. In dieser Offenbarung bedeutet „hohe Dielektrizitätskonstante" eine Dielektrizitätskonstante von 50 oder mehr, und „Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante" bedeutet ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante von 10 oder weniger. Vorzugsweise können Materialien einer niedrigen Dielektrizitätskonstante Siliziumglas oder ein Kunststoff, z.B. TeflonWz, ein Polycarbonat, ein Polyvinyl oder ein anderes Polymer sein. Aluminiumoxid kann ebenfalls verwendet werden. Das Material 112 einer hohen Dielektrizitätskonstante kann ein Metalloxid sein, das bei einer gewissen Temperatur ferroelektrisch ist, obwohl es bei Raumtemperatur eventuell nicht ferroelektrisch ist. Beispiele von Materialien einer hohen Dielektrizitätskonstante, die bei Wellenabsorptionsplatten nützlich sind, sind die Perowskite vom ABO3-Typ, einschließlich Dielektrika und Ferroelektrika, z.B. Bariumstrontiumtitanat (BST), Bariumtitanat und die geschichteten Übergittermaterialien, die ebenfalls sowohl Dielektrika als auch Ferroelektrika umfassen, z.B. Strontiumbismuttantalat, Strontiumbismuttantalniobat und Bariumbismutniobat. Die Perowskite vom ABO3-Typ werden bei Franco Jona und G. Shirane, Ferroelectric Crystals, Dover Publications, New York, S. 108 ff., erörtert. Die geschichteten Übergittermaterialien werden in der US-Patentschrift Nr. 5,519,234, die am 21. Mai 1996 erteilt wurde, erörtert. Andere Materialien, die mit dem Ferrit 114 geschichtet sein können, umfassen leitende Oxide wie z.B. La(1-x)SrxMnO3 (LSM) und Fe3O4, magnetoresistive Materialien, einschließlich einiger Formulierungen von LSM, z.B. La0,67Sr0,33MnO3, sowie LaxCa(1-x)MnO3 und LaxPb(1-x)MnO3, magnetisierbares Signet-Gut wie z.B. BaTiO3 + BiFeO3, Magnetoplumbite wie z. B. BaO, 6Fe2O3, Granate, z. B. Yttrium-Eisen-Granat (3Y2O3, 5Fe2O4 oder Y6Fe10O24) und viele andere.
  • Eine Zusammenfassung der verschiedenen Klassen von Materialien, die verwendet werden können, wie bei dem Ausführungs beispiel der 3 sowie bei allen anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung, die hierin offenbart sind, ist in Tabelle 1 angegeben. Man sollte verstehen, dass die Charakteristika verallgemeinert sind und sich manchmal bezüglich eines einzelnen Materials in der gegebenen Klasse unterscheiden können.
  • Figure 00210001
  • Figure 00220001
    Tabelle 1
  • Man beachte, dass eine Periode in einer Formel zwei Teile eines Materials, die in unterschiedlichen Anteilen vorliegen können, trennt; beispielsweise bedeutet BaO, 6Fe2O3 eine Kombination einer Einheit von BaO und 6 Einheiten von Fe2O3, was eine herkömmliche Schreibweise von Materialien wie z.B. Magnetoplumbite und magnetisierbares Signet-Gut ist. Tabelle 1 listet „Verbundstoffe" als eine Art von Dielektrikum auf. Zahlreiche derartige Verbundstoffe werden nachfolgend erörtert. Bei dieser Offenbarung bedeutet ein „Verbundstoff" ein Material, das aus einem einheitlichen Gemisch zumindest zweier gesonderter Materialien besteht, z.B. einem Keramikpulver, das gleichmäßig in einem Polymer verteilt ist.
  • 5 zeigt das Absorptionsverhalten dreier unterschiedlicher Mehrschicht-Absorptionsfliesen 106A, die aus einem Material einer hohen Dielektrizitätskonstante und einem Ferrit hergestellt sind. Jede der Kurven 117, 118 und 119 zeigt den Reflexionsverlust in Dezibel (dB) als Funktion der Frequenz in Gigahertz (GHz). Reflexionsverlust ist der Verlust, der gemessen wird, indem die auf der Seite 109 auftreffende Strahlungsmenge mit der Strahlungsmenge, die von der Seite 109 abreflektiert wird, verglichen wird. Alle Kurven wurden bei Raumtemperatur gemessen. Die Kurve 117 ist der Reflexionsverlust als Funktion der Frequenz für eine Fliese 106A, bei der die Schicht 112 1 Millimeter (mm) Strontiumtantalat (SrTa2O6) ist und die Schicht 114 5 mm Nickel-Zink-Ferrit (Ni0,4Zn0,6Fe2O4) ist, die eine feste Lösung zweier Ferrite ist: NiFe2O4 und ZnFe2O4. Die Kurve 118 ist der Reflexionsverlust als Funktion der Frequenz für eine Fliese 106A, bei der die Schicht 112 1 Millimeter (mm) Strontiumtantalat (SrTa2O6) ist und die Schicht 114 4 mm Nickel-Zink-Ferrit (Ni0,4Zn0,6Fe2O4) ist. Die Kurve 119 ist der Reflexionsverlust als Funktion der Frequenz für eine Fliese 106A, bei der die Schicht 112 1 Millimeter (mm) Strontiumtantalat (SrTa2O6) ist und die Schicht 114 5 mm Manganferrit (MnFe2O4) ist. Die Dielektrizitätskonstante des SrTa2O6 betrug etwa 90, wohingegen die Dielektrizitätskonstante des Ni0,4Zn0,6Fe2O4 etwa 10 betrug (siehe 7). Auf dem Gebiet von Wellenabsorptionsplatten wird ein Material, das einen Reflexionsverlust von 20 dB oder mehr der einfallenden Strahlung aufweist, allgemein als guter Absorber erachtet. Eine Absorption von 20 dB ist eine Verringerung, die umfassend genug ist, um bezüglich der elektromagnetischen Wirkung eines Gebäudes einen beträchtlichen Unterschied auszumachen, da es eine ausreichende Verringerung darstellt, bei der elektronische Schaltungen, die sich auf dem neuesten Stand der Technik befinden, unerwünschte Reflexionen filtern können. Die Absorption für die 1mm/5mm-Strontiumtantalat/Nickel-Zink-Ferrit-Kurve 119 liegt in der Bandbreite, dass er ein akzeptabler Absorber über eine Bandbreite von etwa 0,1 GHz bis 0,3 GHz (100 Megahertz bis 300 Megahertz) wäre. Ein Verringern der Dicke des Nickel-Zink-Ferrits um einen Millimeter führt zu einer Fliese, die zwischen 0,25 GHz und 0,5 GHz ein hervorragender Absorber ist, wie in Kurve 118 gezeigt ist. Ein Verändern des Ferrits zu einem Mangan-Ferrit führt zu einer Fliese, die im Bereich zwischen etwa 0,5 GHz und 0,65 GHz ein hervorragender Absorber ist. Dies wäre eine hervorragende Wahl für ein Gebäude, dessen elektromagnetische Wirkung zeigte, dass eine Absorption in diesem Bereich entscheidend ist. Allgemein weisen Ferrite eine niedrige Dielektrizitätskonstante, ∈', einen niedrigen oder mäßigen imaginären Teil der Permeabilität, ∈'', einen geringen realen Teil der Permeabilität, μ', und einen hohen imaginären Teil der Permeabilität, μ'', auf.
  • Die vielleicht wichtigste Tatsache, die aus den Kurven der 5 abgelesen werden kann, besteht darin, dass die Absorptionsspitzenfrequenz und die Breite der Absorptionsspitze durch geringe Veränderungen der Dicke und durch Materialveränderungen stark beeinflusst werden. Somit kann der Hohe-Dielektrizitätskonstante-/Ferrit-Absorber entwurfsgemäß dahin gehend abgestimmt sein, fast überall in dem ganzen Fernsehfrequenzbereich, d.h. von etwa 0,1 GHz bis etwa 8 GHz, einen Bereich von etwa 200 Megahertz abzudecken.
  • Ein Wellenabsorberelement 106B, das eine feste Lösung von zwei oder mehr Ferriten umfasst, ist in 4 veranschaulicht. Man hat festgestellt, dass eine derartige feste Lösung an sich einem einzelnen Ferrit überlegen ist, insbesondere wenn ein spezifischer Frequenzbereich von entscheidender Bedeutung ist. Die Spitzenabsorptionsfrequenz und die Breite der Absorptionsspitze hängen stark von dem Verhältnis der jeweiligen Ferrite in der festen Lösung und der Dicke des Absorbers ab. Dies ist in 6 veranschaulicht, die das Absorptionsverhalten sechs unterschiedlicher fester Nickel-Zink-Ferrit-Lösungen zeigt. Die chemische Formel der festen Lösungen und die Dicke jeder Fliese sind in der Tabelle 2 angegeben.
  • Figure 00240001
    Tabelle 2
  • Aus den in 6 gezeigten Ergebnissen geht deutlich hervor, dass die feste Lösung, wie die geschichtete Fliese der
  • 3, sich für den Entwurf einer Absorptionsfliese eignet, die über einen gewünschten Frequenzbereich hinweg absorbiert. Zusammen liefern die festen Ni0,4Zn0,6Fe2O4, Ni0,50Zn0,50Fe2O4-Lösungen einen Reflexionsverlust von 20 dB oder mehr über den gesamten Fernsehfrequenzbereich, wobei Ni0,4Zn0,6Fe2O4 besonders für VHF geeignet ist und Ni0,50Zn0,50Fe2O4 besonders für UHF geeignet ist. Die Fähigkeit eines Ferrits, als Wellenabsorber zu fungieren, ist auf die Permittivität und die Permeabilität des Materials als Funktion der Frequenz bezogen. Wenn wir in dieser Offenbarung auf die „Permittivität" Bezug nehmen, meinen wir einen Parameter, der bezüglich seiner Einheiten der Dielektrizitätskonstante entspricht. Das heißt, dass der reale Teil der „Permittivität" mit der Dielektrizitätskonstante identisch ist. 7 und 8 zeigen die Permittivität ∈ bzw. die Permeabilität μ für das Feste-Lösung-Ferrit Ni0,4Zn0,6Fe2O4. In 7 sind ∈', der reale Teil der Permittivität, und ∈'' der imaginäre Teil der Permittivität, als Funktion der Frequenz in Gigahertz gezeigt. In 8 sind μ', der reale Teil der Permeabilität (Dielektrizitätskonstante), und μ'', der imaginäre Teil der Permeabilität, als Funktion der Frequenz in Gigahertz gezeigt. Diese Kurve ist ziemlich aufschlussreich. Bei den meisten Materialien sind der imaginäre Teil der Permittivität, ∈'', und der imaginäre Teil der Permeabilität, μ'', viel kleiner als die realen Teile der entsprechenden Parameter. Jedoch ist bei dem Nickel-Zink-Ferrit der imaginäre Teil der Permeabilität, μ'', größer als der reale Teil der Permeabilität, μ'. Der imaginäre Teil der Permeabilität, μ'', ist bei diesem Ferrit ungewöhnlich hoch.
  • Eine andere Art und Weise, wie man Ferrite „mischen" kann, um ein Absorberelement 106 zu entwerfen, besteht darin, Mehrschicht-Ferrit-Absorber herzustellen. Ein derartiger Mehrschicht-Ferrit-Absorber 106C ist in 9 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Absorberelement 106C zwei oder mehr Schichten 150 und 152 von Ferritmaterialien, wobei die Schicht 150 ein anderer Ferrit ist als die Schicht 152. Wiederum variieren die Spitzenabsorptionsfrequenz und die Breite der Absorptionskurve je nach dem spezifischen Ferrit in den Schichten 150, 152 und der Dicke jeder Schicht. In 16 ist der Reflexionsverlust in dB als Funktion der Frequenz in GHz für fünf unterschiedliche Dickenkombinationen eines mehrschichtigen Absorbers 106C gezeigt, der aus einer Schicht 150 aus Manganferrit und einer Schicht 152 des Nickel-Zink-Feste-Lösung-Ferrits hergestellt ist. Die Dicke jeder der Mangan-Ferrit- und Nickel-Zink-Ferrit-Mehrschichtkombinationen ist in Tabelle 3 angegeben.
  • Figure 00260001
    Tabelle 3
  • Einzeln betrachtet liefert jeder der mehrschichtigen Ferritabsorber einen Reflexionsverlust von mehr als 20 dB über einen großen Bereich hinweg, der etwa 2/3 des gesamten TV-Spektrums abdeckt. Beispielsweise zeigt die Kurve 152 für einen Mehrschichtabsorber, der eine 1,5 mm dicke Schicht aus MnFe2O4 mit einer 4,5 mm dicken Schicht aus Ni0,4Zn0,6Fe2O4 kombiniert, das dieser Absorber 106C hochgradig effektiv darin wäre, das gesamte VHF-Frequenzspektrum zu absorbieren. Als Gruppe betrachtet, geht aus den in 16 gezeigten Ergebnissen klar hervor, dass der Mehrschichtabsorber 106C, der aus mehreren Ferritschichten zusammengesetzt ist, dahin gehend entworfen sein kann, die Frequenzspitze zu einer beliebigen spezifischen Frequenz über einen relativ großen Frequenzbereich im Herzen des Fernsehspekt rums zu verschieben, ohne eine bedeutende Veränderung des absoluten Betrags des Reflexionsverlusts.
  • 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel 106D des Absorberelements 106 gemäß der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst ein Material 160 einer hohen Dielektrizitätskonstante, einen Ferrit 162 und ein Material 164 einer niedrigen Dielektrizitätskonstante. Das Material 160 einer hohen Dielektrizitätskonstante ist vorzugsweise ein ferroelektrisches Keramikmaterial wie z.B. Bariumtitanat (BaTiO3), obwohl es auch ein anderes Material einer hohen Dielektrizitätskonstante wie z.B. BST oder andere Perowskite vom ABO3-Typ oder andere geschichtete Supergittermaterialien oder magnetisierbares Signet-Gut, z.B. BaTiO3 + BaFeO3, sein kann. Eine vollständige Beschreibung geschichteter Supergittermaterialien entnehme man der US-Patentschrift Nr. 5,519,234, die am 21. Mai 1996 an Araujo et al. erteilt wurde. Magnetisierbares Signet-Gut umfasst BaTiO3 + BaFeO3, BaTiO3 + BiFeO3 und BaO, 3BaTiO3, 3Fe2O3. Ferrit 162 ist vorzugsweise Ni0,4Zn0,6Fe2O4, obwohl er ein Beliebiger der anderen oben erörterten Ferrite sein kann. Das Material 164 einer niedrigen Dielektrizitätskonstante ist vorzugsweise ein Polymer, z.B. TeflonWz, ein Polycarbonat oder ein Polyvinyl wie z.B. ButvarWz, kann jedoch auch andere Kunststoffe oder ein ein relativ geringes Gewicht aufweisendes Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante sein.
  • 17 zeigt eine Computersimulation des Reflexionsverlusts in dB gegenüber der Frequenz in Gigahertz für eine Absorptionsplatte 100, die ein Absorberelement 106D aufweist, das 1 mm einer 50/50-Festlösung von BaTiO3 + BaO, 6Fe2O3, 5 mm Ni0,4Zn0,6Fe2O4 und 5 mm TeflonWz umfasst. Diese Platte liefert einen Reflexionsverlust von etwa 30 dB über das gesamte Fernsehfrequenzspektrum, was der beste bisher bekannte Reflexionsverlust einer Absorptionsplatte in diesem Frequenzbereich ist. Dies ist auch insofern ein hervorragender Absorber für Flughäfen, als er im Frequenz bereich von Flughafenkontrollsystemen, d.h. etwa 0,1 Gigahertz bis etwa 0,4 Gigahertz, gut absorbiert.
  • 11 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel 106E des Absorberelements 106, bei dem ein Ferrit 166 und ein Material 170 einer hohen Dielektrizitätskonstante ein Polymer 168 zwischen sich aufweisen. Die bevorzugten Materialien für dieses Ausführungsbeispiel sind dieselben wie die für das Ausführungsbeispiel der 10, allerdings in einer anderen Reihenfolge. 18 zeigt eine Computersimulation des Reflexionsverlusts in dB gegenüber der Frequenz in GHz für eine Absorptionsplatte 100, die ein Ferrit/Polymer/Hohe-Dielektrizitätskonstante-Absorberelement 106E aufweist, das 5 mm Ni0,4Zn0,6Fe2O4, 4 mm Polycarbonat und 1 mm 70/30 BST, d.h. Ba0,7Sr0,3TiO3, aufweist. Dieses Ausführungsbeispiel weist im Frequenzbereich von 800 MHz–900 MHz eine hervorragende Absorption auf und liefert somit eine hervorragende Absorptionsplatte, wenn die Absorption in diesem Bereich entscheidend ist, z.B. wenn die elektromagnetische Welle, die absorbiert werden muss, ein lokales Funknetzwerksystem (LAN-System) ist.
  • 12 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel 106F eines Wellenabsorberelements 106. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst eine Polymer/Keramik-Verbundstoff-Schicht 176. Das bevorzugte Polymer ist Polycarbonat oder Polyvinyl, obwohl es auch TeflonWz oder ein beliebiges anderes relativ starkes Polymer eines geringen Gewichts sein kann. Eine pulverisierte Form eines Beliebigen der oben erwähnten Keramikmaterialien kann in dem Polymer eingebettet sein. Bevorzugte Keramikmaterialien sind in Tabelle 4 zusammen mit den Mittelwerten der realen und imaginären Teile der Dielektrizitätskonstante, ∈' und ∈'', und der realen und imaginären Teile der Permeabilität, μ' und μ'', zwischen 100 MHz und 1 GHz für jedes Material gezeigt.
  • Figure 00280001
  • Figure 00290001
    Tabelle 4
  • Experimentelle Daten für das bevorzugte Polycarbonat-Polymer und Verbundstoffe mancher der Keramikmaterialien der Tabelle 4 mit dem Polycarbonatpolymer sind in Tabelle 5 gezeigt. Wiederum sind die Mittelwerte der realen und imaginären Teile der Dielektrizitätskonstante, ∈' und ∈'', und die realen und imaginären Teile der Permeabilität, μ' und μ'', zwischen 100 MHz und 1 GHz für das Polymer und für jedes Verbundstoffmaterial angegeben.
  • Figure 00290002
  • Figure 00300001
    Tabelle 5
  • 19 zeigt eine Computersimulation des Reflexionsverlustes in dB gegenüber der Frequenz in GHz für eine Absorptionsplatte 100, die ein Polymer/Keramik-Verbundstoff-Absorberelement 106F umfasst, das 13 mm 50% Polycarbonat und 50% (0,25BaTiO3 + 0,75BiFeO3) umfasst. Dies zeigt ein gutes Absorptionsvermögen im Hochfrequenz-Funkspektrum.
  • 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel 106G des Absorbers 106 gemäß der Erfindung, das einen Ferrit 180 und ein Material 182 umfasst. Dieses Ausführungsbeispiel ist dasselbe wie das Ausführungsbeispiel der 3, mit der Ausnahme, dass die Positionen des Ferrits 180 und des Materials 182 bezüglich der auftreffenden Strahlung 110 umgekehrt sind. Der Ferrit 180 kann ein Beliebiger der in der Tabelle 1 aufgeführten oder in der Erörterung der 3 erwähnten Ferrite sein. Für die Fernsehanwendungen ist ein Nickel-Zink-Ferrit, und insbesondere Ni0,4Zn0,6Fe2O4, bevorzugt. Das Material 182 kann ein Beliebiges der in Tabelle 1 aufgelisteten oder in der Erörterung der 3 erwähnten Materialien sein. Wiederum sind dielektrische Materialien bevorzugt, obwohl manche der anderen Materialien, z.B. LSM, in manchen Frequenzbereichen bessere Ergebnisse liefern als die Dielektrika. Bei diesem Ausführungsbeispiel stellte man fest, dass sowohl ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante als auch ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gute Ergebnisse liefert, je nach dem Ferrit. Es ist zu beachten, dass in Situationen, bei denen das dielektrische Material näher bei der einfallenden Strahlung 110 liegt, d.h. bei dem Ausführungsbeispiel der 3, ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante bevorzugt ist, wohingegen in Situationen, bei denen das dielektrische Material zwischen dem Ferrit und dem Metall 104 liegt, z.B. 13, ein Material einer niedrigen Die lektrizitätskonstante, d.h. ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante von bis zu 10, ebenfalls hervorragende Ergebnisse liefern kann. Obwohl Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante an sich im Megahertz-Frequenzbereich keine guten Absorber sind, wenn sie als Zwischenschicht zwischen einem Ferrit und dem Metall verwendet werden, verbessern sie das Absorptionsverhalten des Systems 100 insgesamt beträchtlich.
  • 20 zeigt einen computersimulierten Graphen des Reflexionsverlustes in dB gegenüber der Frequenz in GHz für fünf unterschiedliche Dicken eines Wellenabsorbers 106G aus Ferrit/einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, der Ni0,4Zn0,6Fe2O4 als Ferrit und BST als Dielektrikum 182 umfasst. Bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel liegt kein reflektierendes Element 104 vor. Die Dicke der Ferritschicht 180 für jede Kurve ist in Tabelle 6 gezeigt. Die Dicke des Dielektrikums 182 war ausreichend, so dass keine Strahlung durch die Probe gelangte, oder war, für Computersimulationszwecke, unendlich. In der Praxis führen einige wenige Zentimeter der meisten Materialien dazu, dass keine Strahlung durch die Probe gelangt. Da keine Strahlung durch die Probe gelangt, wird sie entweder absorbiert oder reflektiert, und somit ist der Reflexionsverlust wiederum ein geeignetes Maß der Absorptionseigenschaften, wie zuvor.
  • Figure 00310001
    Tabelle 6
  • Wie aus der Figur hervorgeht, ist die Absorption bei einer Dicke des Dielektrikums hoch und andernfalls relativ nied rig. Somit scheint die Dicke des Wellenabsorberelements 106G sogar noch wichtiger zu sein, wenn kein reflektierendes Element 104 vorliegt. Ein anderer computersimulierter Graph für ein Ausführungsbeispiel 106G eines Wellenabsorbers wurde für eine Probe hergestellt, bei der der Ferrit 180 Ni0,4Zn0,6Fe2O4 war, das Material 182 LSM war und eine Metallrückwand 104 enthalten war. Dies lieferte ähnliche Ergebnisse wie die Kurven der 20, die Absorption betrug jedoch etwa 32 dB, und die Absorption war nicht so stark von der Dicke abhängig. Die höchste Absorption lag bei einem Ausführungsbeispiel vor, bei dem der Ferrit 180 eine Dicke von 5 mm aufwies und das LSM eine Dicke von 5 mm aufwies. Ein weiterer computersimulierter Graph für ein Ausführungsbeispiel 106G eines Wellenabsorbers wurde für eine Probe erstellt, bei dem der Ferrit 180 Ni0,4Zn0,6Fe2O4 war, das Material 182 ein Magnetoplumbit, Ba4Ti3Fe6O19, war, und eine Metallrückwand 104 enthalten war. Dies lieferte ähnliche Ergebnisse wie die Kurven der 20, jedoch betrug die geringste Absorption etwa –29 dB, und die Absorption war nicht so stark von der Dicke abhängig. Die höchste Absorption lag bei einem Ausführungsbeispiel vor, bei dem der Ferrit eine Dicke von 5 mm aufwies und das Magnetoplumbit eine Dicke von 5 mm aufwies. Ein vierter computersimulierter Graph für ein Ausführungsbeispiel 106G eines Wellenabsorbers wurde für eine Probe erstellt, bei der der Ferrit Ni0,4Zn0,6Fe2O4 war, das Material 182 Aluminiumoxid (Al2O3) war und eine Metallrückwand 104 enthalten war. Aluminiumoxid weist eine Dielektrizitätskonstante von etwa 9 auf. Dies lieferte ähnliche Ergebnisse wie die Kurven der 20, jedoch betrug die geringste Absorption etwa –39 dB, d.h. die Absorption war ein wenig größer als die in 20 gezeigte Absorption, und die Absorption war nicht so stark von der Dicke abhängig. Die höchste Absorption lag bei einem Ausführungsbeispiel vor, bei dem der Ferrit 180 eine Dicke von 5 mm aufwies und das Aluminiumoxid eine Dicke von 1 mm aufwies. Das Aluminiumoxid kann anhand eines Flüssigkeitsaufbringungsprozesses hergestellt werden, der in mancherlei Hinsicht einfacher ist als der Keramikher stellungsprozess für andere hierin offenbarte Dielektrika und Ferrite, und somit weist dieses Ausführungsbeispiel mit Aluminiumoxid gegenüber den Anderen Vorteile auf.
  • 14 und 15 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele von stark abstimmbaren Absorbersystemen. Bei 14 umfasst ein Absorber 106H eine Schicht 186 aus Polymer und eine Schicht 188 aus einem anderen dielektrischen Material. Bei 15 umfasst ein Absorber 106I eine Schicht 190 eines dielektrischen Materials und eine Schicht 192 eines Polymers. Vorzugsweise weist das dielektrische Material 188 und 190 bei jedem der Ausführungsbeispiele eine höhere Dielektrizitätskonstante auf als das Polymer 186 bzw. 192. Obwohl diese Ausführungsbeispiele eine hervorragende Abstimmbarkeit zeigen und der Reflexionsverlust in manchen Frequenzbereichen deutlich über 20 dB liegt, wiesen keine der getesteten Kombinationen von tatsächlichen Materialien so gute Absorptionscharakteristika auf wie die Ausführungsbeispiele der 3, 10 und 11. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist das bevorzugte Polymer Polycarbonat oder Polyvinyl, und das bevorzugte dielektrische Material ist BST, obwohl auch andere Polymere und Dielektrika verwendet werden können. Die Absorber 106H und 106I sind von besonderer Bedeutung, da sie problemlos hergestellt werden können und ein relativ geringes Gewicht aufweisen.
  • 21 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel 106J eines Absorbers 106, das gute Ergebnisse liefert. Das Absorberelement 106J umfasst eine Schicht 194 eines Ferrits, eine Schicht 196 eines Materials mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine Schicht 198 eines Materials einer hohen Dielektrizitätskonstante. Dieses Ausführungsbeispiel 106J ist dasselbe wie das Ausführungsbeispiel der 11, mit der Ausnahme, dass es dahin gehend verallgemeinert wurde, jegliches Material 196 einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, nicht nur ein Polymer, zu umfassen. Siliziumglas ist ein geeignetes Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, während die bevorzugten Ferrite 194 und das Material 198 einer hohen Dielektrizitätskonstante der Erörterung in Verbindung mit 11 entsprechen. Dieses Ausführungsbeispiel 106J kann dahin gehend abgestimmt werden, im Großen und Ganzen dasselbe Verhalten zu liefern wie das Ausführungsbeispiel 106E der 11. Für einen Absorber 106J, bei dem der Ferrit 194 Ni0,4Zn0,6Fe2O4 war, das Dielektrikum 196 Siliziumglas war und das Dielektrikum 198 BST war, wurden computersimulierte Reflexionsverlustkurven erstellt. Die beste Absorption erfolgte bei einem Absorber 106J, bei dem die Schicht 194 5 mm dick war, die Schicht 196 4 mm dick war und die Schicht 198 1 mm dick war. Der Reflexionsverlust lag bei diesem Absorber für das gesamte TV-Spektrum oberhalb von 20 dB, wobei eine Spitzenabsorption nahe bei 35 dB lag.
  • 22, 23 und 24 zeigen Beispiele dafür, wie die Lehren der obigen Schichtungsprinzipien auf vielschichtige Absorber 106 erweitert werden können. Bei dem Ausführungsbeispiel 106K der 22 liegen eine Ferritschicht 210 und drei dielektrische Schichten 212, 214 und 216 vor. Jegliche der oben erörterten Ferrite können als Ferrit 210 verwendet werden, und als Dielektrika können jegliche der oben erörterten Dielektrika verwendet werden, wobei es sich versteht, dass sich das Dielektrikum 214 von den Dielektrika 212 und 216 unterscheidet. Ein Beispiel eines derartigen Ausführungsbeispiels ist ein Absorber 106K, bei dem der Ferrit 210 Ni0,4Zn0,6Fe2O4 ist, das Dielektrikum 212 ein Polymer ist, das Dielektrikum 214 LSM ist und das Dielektrikum 216 BST ist. Ein Graph des Reflexionsverlustes in dB gegenüber der Frequenz in GHz gemäß einer Computersimulation für verschiedene Dicken der Materialien ist in 25 gezeigt. Die Dicken der Materialien sind in Tabelle 7 angegeben.
  • Figure 00340001
  • Figure 00350001
    Tabelle 7
  • Die Erfindung erwägt, dass viel mehr Dielektrikum-Schichten verwendet werden können. Da die dielektrischen Schichten relativ dünn sind, ist es relativ einfach, derartige mehrschichtige Platten zu bilden.
  • Ein Ausführungsbeispiel 106L der 23 zeigt einen Absorber 106, der eine Schicht 220 aus Ferrit, eine Schicht 222 eines Polymers, eine zweite Schicht 224 eines Ferrits, eine zweite Schicht 226 eines Polymers und eine dritte Schicht 228 aus Ferrit umfasst. Wiederum kann jeglicher bzw. jegliches oben erörterte Ferrit bzw. Polymer verwendet werden. 26 zeigt einen Graphen des Reflexionsverlustes in dB gegenüber der Frequenz gemäß einer Computersimulation für einen Absorber 106L, bei dem die Ferrite 220, 224 und 228 Ni0,4Zn0,6Fe2O4 waren und die Polymere 222 und 226 ein Polycarbonat mit den in Tabelle 5 gezeigten Eigenschaften waren. Die Dicken jeder Schicht für jede Kurve sind in der Tabelle 8 angegeben.
  • Figure 00350002
    Tabelle 8
  • Das Ausführungsbeispiel 106M der 24 veranschaulicht einen Absorber 106, der n Ferrit/Polymer-Schichten umfasst, wobei n größer als 1 und vorzugsweise 100 oder weniger ist. Das heißt, dass das grundlegende Absorberelement-Ausführungsbeispiel 106M eine Schicht aus Ferrit 230 und eine Schicht aus Polymer 231 ist. Das grundlegende Absorberelement, das durch die Zahl 1 angegeben ist, wird n Mal wiederholt, wie gezeigt ist. Der Ferrit kann ein Beliebiger der oben erörterten Ferrite sein, und das Polymer kann ein Beliebiges der oben erörterten Polymere sein. Vorzugsweise sind der Ferrit und das Polymer bei dem Absorberelement identisch, obwohl die Erfindung in Betracht zieht, dass ein oder alle der Absorberelemente 1 mit n aus unterschiedlichen Materialien aus den anderen Elementen hergestellt sein können. 27 zeigt einen Graphen des Reflexionsverlustes in dB gegenüber der Frequenz gemäß einer Computersimulation für einen Absorber 106M, bei dem die Ferrite 230 Ni0,4Zn0,6Fe2O4 waren, die Polymere 231 ein Polycarbonat mit den in Tabelle 5 gezeigten Eigenschaften waren und n = 50. Die Dicken des Ferrits 230 und des Polymers 231 für das grundlegende Absorberelement für jede Kurve sind in der Tabelle 9 angegeben.
  • Figure 00360001
    Tabelle 9
  • Eine Analyse aller oben erörterten Ergebnisse gibt an, dass vielleicht der beste Absorber 106 ein in 30 gezeigtes Ausführungsbeispiel 106N ist. Dieser Absorber 106N umfasst ein Material 302 mit hohem μ'', das zwischen einem Material 300 einer hohen Dielektrizitätskonstante und einem Material 304 einer niedrigen Dielektrizitätskonstante angeordnet ist. Vorzugsweise befindet sich das Material der hohen Dielektrizitätskonstante am nächsten bei der Einfallsseite der Strahlung 110, und das Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante befindet sich vorzugsweise am nächsten bei der Trägerstruktur 100 und dem Metallreflektor 104. Vorzugsweise ist der imaginäre Teil der Permeabilität, μ'', der Mittelschicht 302 nicht nur hoch, sondern auch höher als der Realteil der Permeabilität, μ'. Vorzugsweise weist das Material einer hohen Dielektrizitätskonstante eine Dielektrizitätskonstante von 100 oder mehr auf, und das Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante weist eine Dielektrizitätskonstante von 5 oder weniger auf.
  • Die obigen Fortschritte in der Technik beruhen auf empirischen Ergebnissen. Allgemein gehen die Erfinder davon aus, dass die guten Ergebnisse für manche Materialien, z.B. die Ferrite, auf die hohe μ'' dieser Materialien zurückzuführen sind. Jedoch ist es bei vielen guten Ergebnissen, die erhalten wurden, schwierig, eine Erklärung zu finden, insbesondere da viele der verwendeten Materialien keinerlei ohne weiteres identifizierbare Eigenschaft aufweisen, die die Ergebnisse erklären würde. Eine sorgfältige Analyse der oben offenbarten Ergebnisse und der Eigenschaften der Materialien wurde durchgeführt, und nun weiß man, dass manche der guten Absorptionseigenschaften mit dem Prinzip des Viertelwellenplättchens zusammenhängen. Bei einem Viertelwellenplättchenabsorber wird eine Dicke eines Materials, die gleich einem Viertel einer Wellenlänge ist, vor einen hundertprozentigen Reflektor, z.B. eine Metallschicht, platziert. Das heißt, dass dieses Absorptionsprinzip nur für eine Dicke effektiv ist, die durch t = λeff/4, (1)gegeben ist, wobei λeff = λ/(∈' μ')½ und λ die Wellenlänge der einfallenden Welle ist. Auf den ersten Blick scheint es nicht, als könne dies für die oben erörterten, relativ breiten Absorptionen gelten, da die verwendeten Materialien viel dünner sind als ein Viertel einer typischen Fernsehfrequenzwellenlänge, und Gleichung 1 kann nur für einen extrem schmalen Wellenlängenbereich wahr sein. Bei Materialien einer hohen Dielektrizitätskonstante ist jedoch die Wellenlänge einer Welle einer gegebenen Frequenz viel kürzer, als sie in Luft ist. Außerdem gilt, dass, wenn für eine bestimmte Absorber106-Struktur ∈'μ' eine Funktion der Frequenz ist, so dass f = 1/(∈'μ')½, (2)wobei f die Frequenz der Welle der Wellenlänge λ ist, die Struktur über den gesamten Frequenzbereich, für den die Gleichung (2) wahr ist, ein guter Absorber ist. Wenn eine Absorberstruktur eine effektive ∈'μ' aufweist, die über einen relativen breiten Frequenzbereich hinweg der Gleichung (2) gehorcht, das heißt falls (∈'effμ'eff)½ ~ 1/f, (3)oder neff ~ 1/f, (4)wobei neff der effektive Brechungsindex ist, für einen breiten Frequenzbereich, dann wäre diese Struktur ein guter Absorber. Bei Betrachtung der obigen Tabellen 4 und 5 erkennen wir, dass für viele der Materialien der Erfindung gilt, dass μ'eff = 1 oder dass μ'eff sehr nahe bei eins liegt. Strukturen, die aus mehreren dieser Materialien hergestellt sind und für die (∈'eff)½ ~ 1/f (5)über einen spezifizierten Frequenzbereich hinweg gilt, sind über diesen Frequenzbereich hinweg gute Absorbierer.
  • Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass jegliches Material oder jegliche Struktur, das bzw. die eine effektive ∈'μ' aufweist, die mit der Frequenz über einen Frequenzbereich hinweg abnimmt, oder das bzw. die eine effektive Dielektrizitätskonstante aufweist, die mit der Frequenz über einen Frequenzbereich abnimmt, und eine μ' aufweist, die über diesen Bereich hinweg 1 oder etwa 1 beträgt, über zumindest einen Teil dieses Bereichs hinweg allgemein ein guter Absorber ist, vorausgesetzt, dass die Dicke nahe bei der durch Gleichung (1) gegebenen Dicke liegt. Das heißt, dass die Tatsache, dass ∈' mit der Frequenz abnimmt, erhöht den Bereich, über den die Viertelwellenbeziehung (1) ungefähr wahr ist, und erhöht somit den Bereich, über den hinweg das Material oder die Struktur ein effektives Viertelwellenplättchen ergibt. Je näher sich die Abnahme der effektiven Dielektrizitätskonstante über diesen Bereich hinweg an die Gleichung (5) annähert, desto größer ist der Bereich, über den hinweg die Struktur einen guten Absorber abgibt. Angesichts dieser Tatsache legt eine erneute Überprüfung der 7 und 8 nahe, warum Nickel-Zink-Ferrit über einen großen Frequenzbereich hinweg ein guter Absorber ist, insbesondere wenn er mit einem Material einer hohen Dielektrizitätskonstante kombiniert wird.
  • Ein weiterer Faktor, der beim Bereitstellen einer guten Absorption wichtig ist, ist die Impedanzanpassung benachbarter Schichten. Das heißt, dass die Impedanz benachbarter Schichten etwa gleich sein sollte. In Bezug auf die Schicht, die am nächsten bei der äußeren Oberfläche der Platte 100 liegt, bedeutet dies, dass die Impedanz 1 betragen oder nahe bei 1 liegen sollte, da die Impedanz der Luft 1 ist. Wenn die Impedanz benachbarter Schichten sehr unterschiedlich ist, so wird eine elektromagnetische Welle tendenziell an der Grenzfläche der zwei Schichten reflektiert, und die innere Schicht nimmt nicht wesentlich an der Absorption teil. Impedanz ist als z = ([μ' – iμ'']/[∈' – i∈''])½ definiert. Obwohl dies ein komplexer Ausdruck ist, dessen Verhalten man schwer auf intuitive Weise erkennen kann, kann er etwas vereinfacht werden, indem man erkennt, dass ∈'' und μ'' im Wesentlichen Verluste sind und somit (μ'/∈')½ der Hauptparameter ist, der angepasst werden muss. Die Impedanz der Luft ist 1. 7 und 8 zeigen, dass über einen bedeutenden Frequenzbereich nahe bei 200 MHz μ' = 0' für Ni0,4Zn0,6Fe2O4 und somit (μ'/∈')½ nahe bei 1 liegt. Diese Tatsache, zusammen mit der Tatsache, dass dieser Ferrit auch die Bedingungen des vorherigen Absatzes erfüllt, gibt an, warum dieses Material ein guter Absorber ist.
  • Aus dem Obigen kristallisiert sich ein bevorzugtes Verfahren zum Entwerfen einer Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte heraus. Als Erstes wird eine Kombination von Materialien gefunden, die einen Brechungsindex aufweist, der mit der Frequenz abnimmt und über einen Frequenzbereich in der Nähe des Frequenzbereichs, dessen Absorption gewünscht wird, gut absorbiert. Dann wird die Kombination so abgestimmt, dass ihr Brechungsindex sich näher an die ideale Gleichung (4) annähert, was den Absorptionsbereich vergrößert. Die Materialien und die relativen Dicken der Materialien können auch dahin gehend abgestimmt werden, die Spitzenabsorptionsfrequenz zu verschieben, falls gewünscht, und soweit wie möglich Impedanzen benachbarter Schichten anzupassen, und in einem Wiederholungsprozess kann die sich ergebende Kombination dann erneut dahin gehend abgestimmt werden, sich stärker an die Gleichung (4) anzunähern.
  • Es hat sich herausgestellt, dass Materialien mit einer abnehmenden effektiven Dielektrizitätskonstante insbesondere sehr effektiv als Vorderschicht, d.h. als die Schicht, die näher bei der einfallenden Strahlung 110 liegt, bezüglich eines Verbesserns der Wellenabsorptionscharakteristika eines mehrschichtigen Absorbersystems sind.
  • Bei der obigen Erörterung umfassten viele der Ausführungsbeispiele eine Polymer/Keramik-Zusammensetzung. Ein Flussdiagramm des Prozesses zum Herstellen dieser Zusammensetzungen ist in 28 gezeigt. Zuerst werden im Schritt 284 ein Pulver 280 des gewünschten Keramikmaterials, ein Poly merpulver 281 und ein Lösungsmittel 282, das das Polymer auflöst, gemischt. Wenn das Polymer beispielsweise ButvarWz ist, dann ist ein geeignetes Lösungsmittel Tetrahydrofuran (THF). Die Keramik wird in der Lösung suspendiert. Die resultierende Lösung wird gemischt, bis sie homogen ist, und anschließend bei Schritt 286 in eine Form gegossen. Der Verbundstoff wird anschließend einen geeigneten Zeitraum lang bei einer geeigneten Temperatur ausgehärtet. Beispielsweise ist für ButvarWz eine geeignete Temperatur die Raumtemperatur, und ein geeigneter Zeitraum beträgt zwölf Stunden.
  • Aus dem Obigen ergibt sich, dass die Polymer/Keramik-Verbundstoffe mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Absorbern aufweisen. Sie weisen nicht nur ein geringes Gewicht auf, sondern können auch ohne weiteres bei Raumtemperatur hergestellt werden. Sie ermöglichen eine problemlose Kombination mehrerer Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. eines Ferroelektrikums und eines Ferrits oder eines Materials einer hohen Dielektrizitätskonstante und eines Ferrits, wodurch das Abstimmen eines Materials auf ein spezifisches Reflexionsfähigkeitsproblem ermöglicht wird. Überdies ist der resultierende Absorber 106 relativ flexibel, wodurch eine Handhabung und ein allgemeiner Aufbau leichter werden.
  • Viele der bei den Absorbern 106 gemäß der Erfindung verwendeten Dielektrika, Ferroelektrika, Ferrite usw. sind Keramiken. All diese Keramiken wurden anhand des in dem Flussdiagramm der 29 veranschaulichten Prozesses hergestellt. Bei Schritt 291 wird ein Pulver 290 des gewünschten Keramikmaterials in eine Form platziert. Vorzugsweise besteht die Form aus Edelstahl. Bei Schritt 292 wird das Pulver isostatisch in die Form gepresst, vorzugsweise bei einem Druck von 50.000 Pfund pro Quadratzoll (PSI – pounds per square inch). Bei Schritt 296 wird das Keramik anschließend aus der Form entnommen und gesintert, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1.100°C. Die Probe wurde anschließend weiter geformt, falls notwendig, und getestet. Wenn der Test ein dielektrischer Test ist, war die plattenförmige Probe, wie sie aus der Form genommen wurde, geeignet. Für die Magnettests wurde ein Loch in die Proben gebohrt, um ihnen vor dem Testen eine Donut-Form zu verleihen.
  • Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass viele der geschichteten Absorber gemäß der Erfindung viel weniger sperrig und leichter sind als Absorber des Standes der Technik. Beispielsweise ist die bevorzugte Dicke der oben erwähnten Materialien einer hohen Dielektrizitätskonstante zwei- bis zehnmal geringer als die bevorzugte Dicke von bekannten Ferriten gemäß der Erfindung. Überdies sind viele der Materialien einer hohen Dielektrizitätskonstante, z.B. BST, gehärtete Keramiken, die wetterbeständig sind. Somit können die äußeren Schutzfliesen 109 eliminiert werden oder eine geringere Dicke aufweisen.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass man festgestellt hat, dass das Material umso dünner sein kann, und in Verbindung mit anderen Materialien trotzdem noch eine gute Absorption liefern kann, je höher die Dielektrizitätskonstante des Materials ist.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass für die Materialien und Strukturen der Erfindung eine kritische Dicke, tc, bezüglich eines optimalen Absorptionsverhaltens vorliegt, und allgemein eine Bandbreite an Dicken um diese kritische Dicke herum, für die ein gutes Absorptionsverhalten vorliegt.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass Materialien, die eine Dielektrizitätskonstante ∈' aufweisen, die als Funktion der Frequenz variiert, gute Absorber liefern, insbesondere wenn sie mit anderen Materialien kombiniert werden, die den Frequenzbereich, über den die effek tive Dielektrizitätskonstante der Materialien der Formel (3) gehorcht, vergrößern.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass praktisch alle Ausführungsbeispiele der Erfindung relativ leicht auf eine bestimmte Frequenz innerhalb der Fernseh- und höherfrequenten Funkwellenlängen abgestimmt werden können. Dies kann entweder erfolgen, indem die Komponenten jedes Ausführungsbeispiels variiert werden, indem die Dicke jeder Komponente variiert wird, oder indem, wenn ein Verbundstoff oder eine feste Lösung beinhaltet ist, die Menge jeder Komponente variiert wird, oder mehrere der Vorstehenden. Somit eignen sich die Absorberplatten der Erfindung zur Lösung spezifischer elektromagnetischer Umweltprobleme für spezifische Baustellen.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Nickel-Zink-Ferrit bezüglich der Absorption der Beste der Ferrite ist, und die Ni0,4Zn0,6Fe2O4-Stöchiometrie dieses Materials die am stärksten Bevorzugte ist. Oben wurden mehrere unterschiedliche stöchiometrische Formulierungen erörtert. Der Nickel-Zink-Ferrit kann auch dotiert werden, z.B. mit Magnesium oder einem anderen Metall, jedoch hat sich der nicht-dotierte Ferrit im Fernseh-Frequenzbereich als der Beste erwiesen.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass, obwohl Materialien einer niedrigen Dielektrizitätskonstante im MHz-Frequenzbereich keine guten Absorber sind, sie das Absorptionsverhalten des Wellenabsorptionsplattensystems insgesamt bedeutend verbessern, wenn sie als Zwischenschicht zwischen einem Ferrit und einem Metall verwendet werden.

Claims (13)

  1. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte (100) zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement (102); und ein Absorberelement (106), das durch das Trägerelement getragen wird, wobei die Wellenabsorptionsplatte dadurch gekennzeichnet ist, dass das Absorberelement eine erste Schicht (166, 186, 210) und eine zweite Schicht (170, 182, 216) umfasst, wobei die erste Schicht näher an dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte angeordnet ist als die zweite Schicht, wobei die erste Schicht ein Ferrit umfasst und die zweite Schicht ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante umfasst, das eine Dielektrizitätskonstante von 50 oder mehr aufweist.
  2. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 1 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das Absorberelement eine dritte Schicht (168, 212) umfasst, die weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als die erste Schicht, wobei die dritte Schicht ein Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante umfasst, das eine Dielektrizitätskonstante von 10 oder weniger aufweist.
  3. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 2 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das Absorberelement eine vierte Schicht (214) umfasst, die zwischen der dritten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die vierte Schicht La(1-x)SrxMnO3 umfasst.
  4. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 3 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die dritte Schicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist.
  5. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte (100) zur Verwendung beim Bau von Gebäuden, wobei die Platte folgende Merkmale aufweist: ein Gebäudeträgerelement (102); ein durch das Trägerelement getragenes reflektierendes Element (104); und ein durch das Trägerelement getragenes Absorberelement (106), wobei das Absorberelement näher an dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle auf der Platte angeordnet ist als das reflektierende Element, wobei die Wellenabsorptionsplatte dadurch gekennzeichnet ist, dass das Absorberelement eine erste Schicht (162, 166, 220), die ein Ferrit umfasst, und eine zweite Schicht (164, 168, 222), die Material einer niedrigen Dielektrizitätskonstante umfasst, das eine Dielektrizitätskonstante von 10 oder weniger aufweist, umfasst, wobei die zweite Schicht weiter von dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Welle entfernt angeordnet ist als die erste Schicht, und dass das Absorberelement ferner eine dritte Schicht (160, 170) umfasst, die ein Material einer hohen Dielektrizitätskonstante umfasst; das eine Dielektrizitätskonstante von 50 oder mehr aufweist.
  6. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 5 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Mehrzahl der Absorberelemente vorliegt, wobei jedes Absorberelement eine der ersten Schichten (230) und eine der zweiten Schichten (231) umfasst.
  7. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 5 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass n der Absorberelemente (160M) vorliegen, wobei n eine Ganzzahl zwischen 2 und 100 ist.
  8. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Material einer hohen Dielektrizitätskonstante aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus geschichteten Übergittermaterialien, magnetisierbarem Signet-Gut sowie Z × BaTiO3 + (100% – Z) × BiFeO3, wobei 100% > Z > 0%, besteht.
  9. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Absorberelement (106) ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Granat, magnetoresistiven Materialien, geschichteten Übergittermaterialien, Magnetoplumbiten, magnetisierbarem Signet-Gut, La(1-x)-SrxMnO3, Fe3O4 und Ni0,4Zn0,6Fe2O4 besteht.
  10. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 9 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das Material Yttrium-Eisen-Granat umfasst,
  11. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 9 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das magnetoresistive Material ein Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus La0,67Sr0,33MnO3, LaxCa(1-x)MnO3 und LaxPb(1-x)MnO3, wobei 0 < x < 1, besteht.
  12. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der das Absorberelement (176) eine Mischung aus einem Polymer und einem aus der Gruppe ausgewählten Material umfasst.
  13. Eine Elektromagnetische-Wellen-Absorptionsplatte gemäß Anspruch 8 oder 9 und die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das geschichtete Übergittermaterial ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Strontiumbismuttantalat, Strontiumbismutniobat, Strontiumbismuttitanat, Strontiumbismutzirkonat und festen Lösungen derselben besteht.
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