DE977516C

DE977516C - Duennwandige Breitbandinterferenzschichten als Absorber fuer Funkwellen

Info

Publication number: DE977516C
Application number: DEE15090A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr Wesch
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1957-12-13
Filing date: 1957-12-13
Publication date: 1966-11-03
Also published as: DE1234281B; NL270938A; GB1074899A; GB1074897A; US3315261A; FR1484602A

Description

Auf dem Gebiet der Radartarnung gelingt es, stark absorbierende Breitbandinterferenzschichten herzustellen, die bei extrem herabgesetzten Schichtdicken (i bis 5 mm im Radarbereich von 0,5 bis 10 cm Wellenlänge) einen größeren Frequenzbereich sperren. Der Sperrbereich wird festgelegt durch die relative Bandbreite—^-, die im Falle

des Beispiels der Abb. 1 bei 5 db Dämpfung gemessen wird, wobei X₀ die mittlere Wellenlänge im freien Raum und AX₀ die Breite des Absorptionsbereiches bedeutet. kann beispielsweise Werte

von 0,05 bis 0,8 bei einem normalen Interferenzabsorber annehmen. Für die Kurven der Abb. 1 ergeben sich annähernde Werte von 0,3 (links) und 0,66 (rechts). Soll die Dämpfung einer Schicht zwischen 5 und 40 db liegen, so zeigt sich in der Praxis, daß für die höchste Dämpfung sämtliche Daten des Absorbers (Schichtdicken und Hochfrequenzkonstanten) genauestens aufeinander abgepaßt sein müssen.

Ein solcher Absorber, bestehend aus mehreren Teilschichten, geht aus Abb. 2 im Querschnitt hervor und liegt nicht vorveröffentlichten älteren Vorschlägen zugrunde. Er kann auf festen oder biegsamen metallischen Unterlagen, welche durchbrochen sein können, angebracht sein und enthält eine dünne phasendrehende Schicht mit geringen Verlusten, welche die Phase der an der metallischen Unterlage reflektierten Welle derart dreht, daß mit der an der Außenfläche des Absorbers reflektierten Welle Auslöschung durch Interferenz entsteht. Über der phasendrehenden Schicht liegt dann die

eigentliche dünne und meist biegsame Absorber- und/oder streuende Schicht, welche die zur Auslöschung der Teilwellen erforderliche Amplitudengleichheit herbeiführt. Die Schichtkombination kann auf dem Untergrund aufgespritzt, aufgestrichen oder aufgepreßt sein.

Wenn auch bei dem beschriebenen Absorber normalerweise der Wert

Al₀

mit wachsender Wellen-

ίο länge größer, das Band also breiter wird (Abb. i), so werden trotzdem die in der Praxis gewünschten Bandbreiten für eine allumfassende Tarnung mit großer Dämpfung und geringen Schichtdicken nicht erreicht. Wie aus Abb. ι hervorgeht, ergibt sich eine hohe Dämpfung nur für eine einzige Wellenlänge.

Erfindungsgemäß werden dünnwandige Breitbandinterferenzschichten als Absorber für Funkwellen dadurch erhalten, daß die Absorberfläche in zwei oder mehrere Bereiche unterteilt und jeder einzelne Bereich im Sinne der Erlangung der gewünschten Breitbandigkeit auf eine andere Wellenlänge abgestimmt wird. Die absorbierende Wirkung der einzelnen Bereiche nimmt dabei mit zunehmendem Abstand von der Abstimmfrequenz ab, aber nicht so, daß sie etwa in eine nachteilige reflektierende Wirkung umschlagen würde.

Es sind zwar schon Mehrkreisabsorber bekanntgeworden, welche ebenfalls eine breitbandige Absorption ermöglichen. Dabei handelt es sich jedoch um einen räumlich — also in Wellenfortpflanzungsrichtung — gekoppelten Absorber mit einer Zusammenschaltung von Parallelresonanzkreisen oder von Reihen- und Parallelresonanzkreisen. Entweder werden hier entsprechend dicke Zwischenschichten mit vorgesetzten Dipolgittern oder mehrere aufeinanderfolgende Leitfähigkeitsfolien gestaffelten Flächenwiderstandes verwendet.

Die Erfindung betrifft dagegen einen oberflächengekoppelten Absorber mit Parallelresonanzkreisen, der wesentlich dünner ausgebildet werden kann.

Es wird dabei eine Gesamtdämpfung erreicht, die über ein breites Band Werte zwischen 5 und 40 db bringt und den Charakter des Absorbers als Dünnwandabsorber aufrechterhält. Eine Kurve, die durch Aufteilung der Fläche in mehrere Bereiche mit verschiedener Abstimmung erfindungsgemäß erzielt wird, ist in Abb. 3 (gestrichelte Kurve) wiedergegeben. Dabei wird em-~j^A£n2 erzielt. Die Aufteilung einer solchen Fläche geht aus Abb. 4 hervor. In Abb. 4 ist zunächst der einfachste Fall eines Mehrbereichsabsorbers wiedergegeben, der in zwei Bereiche aufgeteilt ist. Die Abb. 4 zeigt die Bereiche 51, 511, B¹I, B'II, und zwar ist die Fläche in Längsstreifen aufgeteilt, die aus technologischen Gründen gleiche Breite c und gleiche Länge d besitzen. Der Abstand der Bereiche e ist im einfachsten Fall gleich Null.

In Abb. 5 ist der Bereich 51 (mit zugehörigem 5'I) und 511 (mit zugehörigem 5'II) im Schnitt gezeigt, und aus der verschiedenen Dicke h 1 und h 2 der Schichten läßt sich die entsprechende Abstimmung erkennen. Die Dicke einer Schicht ergibt sich zu

wobei

η — ι, 2, 3, 4 ...,
λ₀ = Wellenlänge im freien Raum, ε = Dielektrizitätskonstante, μ = Permeabilität.

Zwecks voller Anpassung müssen dabei die Verlustfaktoren der Gleichung

(211— ι) π

- (2) μ

genügen (δ_ε ist der dielektrische, δ_μ der magnetische Verlustfaktor).

Sehr häufig ist es technologisch nicht möglich, ·" die Verluste der Schicht so mit der Dielektrizitätskonstante und Permeabilität in Einklang zu bringen, daß vollkommene Anpassung und damit höchste Dämpfung herrscht. Aus diesem Grund wird — wie bereits vorgeschlagen worden ist — unter "° die Interferenzschicht eine zusätzliche Schicht geschaltet, die es ermöglicht, die abweichenden Verluste auszugleichen. Diese zusätzliche Schicht (1, in Abb. 2) hat die Aufgabe, die Phase der zur Metalloberfläche hin- und zurücklaufenden Welle (W₂ und ^S5 W₂ in Abb. 2) so einzustellen, daß die Welle W₂' mit der an der Oberfläche des Absorbers reflektierten Welle W₁' (von W₁ herrührend) interferiert. Die Dicke d der reinen Absorberschicht (3, in Abb. 2) ergibt sich aus

d =

— i) λ

(3)

Hierin bedeutet

λ¹= Wellenlänge im Material, <3ε₀, δ_μο = Verlustfaktoren, welche nach Formel 2 das Material besitzen müßte, wenn der phasendrehende Untergrund (1 in Abb. 2) nicht vorhanden wäre, δ_ε, δ_μ = Verlustfaktoren, die das Absorbermaterial tatsächlich besitzt.

Die Formel 3 erweist sich immer als richtig, wenn die tatsächlichen Materialverluste höher liegen als die theoretisch geforderten Verluste ohne phasendrehenden Untergrund.

Damit setzt sich die Gesamtschichtdicke h des Absorbers zusammen aus

(4)

wobei d = Schichtdicke der Absorber schicht,

g = Schichtdicke des phasendrehenden Untergrundes.

Dabei ist vorausgesetzt, daß beim phasendrehenden Untergrund das ε und μ nicht viel von ι abweicht und die Verlustfaktoren kleiner als ι sind. Zweckmäßig ist es, Materialien zu verwenden, für die eine oder mehrere der Konstanten ε, μ, δε und δμ mit der Frequenz gleitend abnehmen, vorzugsweise mit dem Quadrat der Frequenz.

Es ist ohne weiteres möglich, die phasendrehende Schicht ι und die absorbierende Schicht 3 in meh-

to rere Teilschichten (beispielsweise 2 und 4 in Abb. 2) aufzuspalten, so daß ein Schichtaufbau nach Abb. 6 mit den Teilschichten 1 bis 6 entsteht, bei dem sich phasendrehende Schicht und Absorberschicht jeweils abwechseln. Schichtaufbauten dieser Art sind an sich bereits vorgeschlagen worden.

Im Beispielsfall (Abb. 3) ist die Schicht des Bereichs BI auf die Wellenlänge 2,5 cm und die des Bereichs BII auf die Wellenlänge 4 cm abgestimmt. Abb. 3 zeigt dafür in ausgezogenen Kurven die

ao Dämpfungscharakteristiken. Dadurch ergibt sich eine Breitbandschicht, die von 2,0 bis 5,5 cm Wellenlänge reicht und in ihrer relativen Breite —j-²-über die Einbereichsschichten wesentlich hinaus

geht. Das

en

dieser beispielsmäßigen Schichtkombination ist ι. Es ist auch möglich, an Stelle zweier abgestimmter Bereiche mehr als zwei verschieden abgestimmte Schichten BI, BII, BIII.. . B'I, B'II, B'III. . . nebeneinander folgen zu lassen. Damit wird erreicht, daß die Bandbreite

noch weiter steigt. Der Wert -~- nähert sich damit ohne weiteres dem Grenzwert 2.

Wie man aus der Abb. 3 erkennen kann, werden zwischen den einzelnen abgestimmten Bereichen flache Minima erhalten, und die gesamte Dämpfungskurve über den Wellenlängenbereich unterliegt gewissen Schwankungen. Diese Schwankungen sind um so größer, je weiter die Bereiche in der Wellenlänge auseinanderliegen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung lassen sich diese Minima dadurch abflachen, daß ein Bereich, beispielsweise 5III, in seiner Grundwellenabstimmung so gewählt wird, daß seine Oberwelle in den dazwischenliegenden Bereich hineinfällt. Nach den Formeln 1, 2 und 3 herrscht nämlich nicht nur Anpassung für η = ι, sondern auch für die Oberwellen w = 2, 3 .. . Wenn also ein Bereich BIII auf die Wellenlänge 8 cm abgestimmt ist, so ergibt sich auch starke Dämpfung in dem Wellenlängengebiet mit η = 2, d. h. gemäß Formel 1

h-4~]/2· μ

= 2,66 cm. 3

Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Lücken .zwischen den Bereichen, insbesondere bei niedrigen Wellenlängen (hohen Frequenzen), durch Oberwellenanpassung auszugleichen und bei hohen Frequenzen die Abstimmung der einzelnen Bereiche weiter auseinanderfallen zu lassen. Abb. 3 zeigt als Beispiel die punktierte Kurve für die Oberwelle von BIII.

In den Abb. 4, 5 und 6 wurde von einer Aufgliederung der Absorberflächen in einzelne Streifen ausgegangen. Diese Aufgliederung bringt Schwierigkeiten im praktischen Anwendungsfall, insbesondere dann, wenn von polarisierten Wellen ausgegangen wird oder der Vektor des elektrischen Feldes sich dreht. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es günstiger, die einzelnen Bereiche nicht als Streifen auszubilden, sondern in Form von Kreisflächen. Diese Kreisflächen können sich nach Abb. 7 fast berühren und gleich groß sein. Es ist jedoch günstig, wenn der Radius je nach dem Bereich wechselt. Bei der Wahl der Bereiche in Kreisform bleibt, wie aus der Abb. 7 hervorgeht, eine Restfläche BIV übrig. Diese Restfläche BIV wird tunlichst so ausgebildet, daß sie auf diejenige Wellenlänge 2₄ abgestimmt wird, für die die größte Dämpfung in dem gesamten zu sperrenden Bereich erhalten werden soll.

Es ist aber auch möglich, diese Fläche mit der Abstimmung I₄ an das Ende des gesamten zu sperrenden Bereichs zu legen, beispielsweise auf 24 cm Wellenlänge, um dadurch noch zusätzlich die Sperrwirkung der Oberwellen mit » = 2, 3, 4 . . . auszunutzen.

In Abb. 8 ist ein Schnitt durch die Bereiche BI, BII, BHI und .5IV gezeichnet. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichten besteht darin, den phasendrehenden Untergrund gleichmäßig dick für alle Bereiche auszubilden und nur für die Langwellenbereiche durch Verwendung \-on Schablonen im Spritzverfahren oder durch die Verwendung von Preßformen im Fall von gummiartigen, bitumenartigen Schichten die Dicke zu variieren.

Es ist ohne weiteres möglich, an Stelle der kreisrunden Flächen auch rautenartige Flächen oder Karoflächen oder elliptische Flächen miteinander zu kombinieren. Durch die Variation der Flächengestalt ist es ohne weiteres gelungen, Schwankungen in der Absorberkurve auszugleichen.

Weiterhin kann man bei Anforderungen mit Maximaldämpfungen von 15 db und darunter an Stelle der genauen Abstimmung der Bereiche BI, BII, BHI und BIV dazu übergehen, den metallischen Untergrund aufzurauhen oder ihm verschiedene Formen zu geben. Damit entstehen beim Aufbringen der Kunststoffe im Spritz- oder Streichverfahren variable Schichtdicken, die eine automatische Verlagerung der Abstimmung ergeben.

Die größte Ausdehnung der Oberflächenbezirke

wird tunlichst zwischen — und 5 λ gewählt. Ferner

hat es sich gezeigt, daß dann die günstigste Wirkung erzielt wird, wenn die Bereiche BI, BII... einen Mindestabstand voneinander besitzen und durch andere Bereiche getrennt sind. Die zwischen den Bereichen entstehenden Spalte bedingen eine Beugung der in den Absorber eindringenden Welle, so daß ein großer Teil der Energie im Material ohne Interferenz vernichtet wird. Es hat sich gezeigt, daß die Wirkung solcher beliebig geformter Spalte für die hin- und rücklaufende Welle einer

Herabsetzung der Oberflächenreflexion in einem breiten Wellenlängengebiet gleichkommt. Damit braucht an die Güte der Einzelbereiche keine allzu hohe Anforderung gestellt zu werden. Die Trennlänge e zwischen den Bereichen kann zwischen -το

und 5 λ liegen, wobei λ die Wellenlänge im Material bedeutet und auf die Bandmitte des zu sperrenden Gesamtbereichs (Gesamtbandbreite) bezogen ist.

ίο Die Abstimmung der Oberflächenbezirke auf verschiedene Wellenlängen ergibt eine verschiedene Höhe dieser Bezirke, und deshalb hat es sich ergeben, daß eine bevorzugte Ausführungsform des Absorbers dadurch entsteht, daß die an der Oberfläche vorhandenen Verbindungen mit einem Material ausgefüllt werden, welches möglichst niedrige Dielektrizitätskontante, Permeabilität und möglichst niedrige Verluste besitzt. Sehr häufig hat es sich gezeigt, daß nach der Herstellung des Absorbers der Schwerpunkt der Absorption in ein bestimmtes Wellenlängengebiet verschoben werden soll. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich der Schwerpunkt der Abstimmung durch das Aufbringen einer Schlußschicht, welche über alle Oberflächenbezirke gelegt wird, verändern, wobei die

Dicke der Schlußschicht nicht wesentlich über —

der eigentlichen Absorberschicht hinausgehen soll. Über diesen Breitbandabsorber lassen sich noch

zusätzlich weitere Schichten, deren Dicke unter —

IO

der Gesamtschicht bleiben soll, legen, wobei die Verluste dieser Schichten wesentlich unter 1 bleiben sollen. Sie können die Funktion der Infrarotabsorption oder Infrarotreflexion übernehmen und/oder gleichzeitig eine sichtbare Tarnung ermöglichen.

Die Breitbandinterferenzschichten können im Lackierverfahren oder Flammspritzverfahren auf metallische Gegenstände aufgebracht werden, oder es können auf flexiblen, beliebigen metallischen Unterlagen diese Breitbandschichten aufgebracht und nachträglich zur Tarnung eines Gegenstandes verwendet werden. Die Schichten lassen sich unter Beachtung der angegebenen Formeln mit jeglichem Material ausführen, insbesondere auf der Basis natürlicher oder künstlicher Dielektrika unter Verwendung von Kunststoffen, Gummi oder gummiartigen Stoffen, von Zementen oder zementähnlichen Anstrichen von Bitumen oder Anstrichen auf Bitumenbasis.

Claims

Patentansprüche:

i. Dünnwandige Breitbandinterferenzschichten als Absorber für Funkwellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Absoirberfläche in zwei oder mehrere Bereiche unterteilt und jeder einzelne Bereich im Sinne der Erlangung der gewünschten Breitbandigkeit auf eine andere Wellenlänge abgestimmt ist.
2. Breitbandinterferenzschichten nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schichtdicke und die Verlustfaktoren den folgenden Gleichungen genügen:

{μη- 1)

A*

h =

δ. +δ_μ ■= -7^-—)— ■ SI* Sotg

wobei

h = gesamte Schichtdicke, X₀ = Wellenlänge im freien Raum, ε = Dielektrizitätskonstante, μ = Permeabilität,
4 = dielektrischer Verlustfaktor, δ_μ = magnetischer Verlustfaktor, w= i, 2, 3 ...
3. Breitbandinterferenzschichten nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den metallischen Untergrund und die Absorberschicht eine phasendrehende Schicht gelegt und die Dicke der eigentlichen Absorberschicht nach folgender Gleichung bemessen ist:

_ (2H- i) λ

^J/'O

wobei

i£ = Dicke der Absorberschicht, χ = Wellenlänge im Material, 3_μα — Verlustfaktoren, welche bei Wegfall

der phasendrehenden handen sein müßten,

Schicht vor< 3« δ

_β = Verlustfaktoren, welche wendete Material besitzt, η = ι, 2, 3 ...

das ver
4. Breitbandinterferenzschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Konstanten ε, μ, δε und δμ der verwendeten Materialien mit der Frequenz gleitend abnehmen, vorzugsweise mit dem Quadrat der Frequenz.
5. Breitbandinterferenzschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Ausdehnung der Oberflächenbezirke zwischen — und 5 λ gewählt ist, wobei

λ die Wellenlänge im Material bedeutet.
6. Breitbandinterferenzschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächenbezirke gleicher Abstimmung

einen Abstand besitzen, der zwischen -^- bis 5 λ

beträgt, wobei λ die Wellenlänge im Material bedeutet.
7. Breitbandinterferenzschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächenbezirke mit gleicher Abstimmung durch eine oder mehrere verschieden abgestimmte Oberflächenbezirke getrennt sind.
8. Breitbandinterferenzschichten nach einem der Ansprüche ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhendifferenz, welche durch die verschieden abgestimmten Oberflächenbezirke auftritt, durch ein Material ausgefüllt ist, welches möglichst niedrige Dielektrizitätskonstante, Permeabilität und Verlustfaktoren besitzt.
g. Breitbandinterferenzschichten nach einem der Ansprüche ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Untergrund in den einzelnen Oberflächenbezirken derart unterschiedlich aufgerauht oder verschiedenartig geformt ist, daß bei der Herstellung der Schichten Differenzen in deren Dicke auftreten und damit eine durch die Form des Untergrundes gesteuerte, verschiedenartige Abstimmung erreicht wird.
10. Breitbandinterferenzschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über alle Oberflächenbezirke eine gleichmäßige Abschlußschicht gelegt ist, welche den frequenzmäßigen Schwerpunkt der Absorption festlegt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift für angewandte Physik, 8 (März 1956), S. 105 bis 114.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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