RU180959U1

RU180959U1 - DEVICE FOR REDUCING REFLECTION OF RADIO WAVES BASED ON METAMATERIALS

Info

Publication number: RU180959U1
Application number: RU2018112107U
Authority: RU
Inventors: Светлана Алексеевна Позднякова; Вера Геннадьевна Булгакова; Антон Викторович Матвеенцев; Алексей Александрович Ржевский
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2018-07-02

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники и представляет собой многослойное радиопоглощающее покрытие, обеспечивающее снижение уровня отраженного электромагнитного излучения от морских технических объектов в широкой полосе частот. Устройство для снижения отражения радиоволн на основе частотно-селективных метаповерхностей представляет собой многослойную конструкцию из склеенных между собой пяти слоев, состоящую из: входного наружного слоя, выполненного из магнитного материала, двух внутренних частотно-селективных метаповерхностей периодических массивов из резистивных квадратных элементов, характеризуемых определенным размером, периодом и удельным поверхностным сопротивлением, и двух промежуточных слоев из диэлектрического материала. Технический результат заключается в уменьшении коэффициента отражения радиоволн в X и Kдиапазонах и расширении полосы рабочих частот поглощаемого радиоизлучения. 2 ил.The utility model relates to the field of radio engineering and is a multilayer radar absorbing coating that provides a reduction in the level of reflected electromagnetic radiation from marine technical objects in a wide frequency band. A device for reducing the reflection of radio waves based on frequency-selective metasurfaces is a multilayer structure of five layers glued together, consisting of: an input outer layer made of magnetic material, two internal frequency-selective metasurfaces of periodic arrays of resistive square elements characterized by a certain size , period and surface resistivity, and two intermediate layers of dielectric material. The technical result consists in reducing the reflection coefficient of radio waves in the X and K bands and expanding the operating frequency band of the absorbed radio emission. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и представляет собой многослойное радиопоглощающее покрытие, обеспечивающее снижение уровня отраженного электромагнитного излучения от морских технических объектов в широкой полосе частот.The utility model relates to the field of radio engineering and is a multilayer radar absorbing coating that provides a reduction in the level of reflected electromagnetic radiation from marine technical objects in a wide frequency band.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство немагнитного широкодиапазонного поглотителя радиоволн, ослабляющее отраженное излучение, обеспечивающее поглощение радиоволн по уровню -10 дБ в диапазоне от 8 до 18 ГГц (X и K_u диапазоны), и предназначенное для использования в качестве радиопоглощающего покрытия в авиа- и морской технике «Radar stealth and mechanical properties of a broadband radar absorbing structure)) C. Wang, M. Chen, H. Lei, K. Yao, H. Li, W. Wen, D. Fang, Composites Part B, Vol.123, pp. 19-27, 2017.The closest in technical essence to the claimed device is the selected device as a prototype non-magnetic wide-band absorber, attenuating reflected radiation, providing absorption of radio waves at a level of -10 dB in the range from 8 to 18 GHz (X and K _u ranges), and intended for use as a radar absorbing coating in aircraft and marine engineering (Radar stealth and mechanical properties of a broadband radar absorbing structure)) C. Wang, M. Chen, H. Lei, K. Yao, H. Li, W. Wen, D. Fang, Composites Part B, Vol. 123, pp. 19-27, 2017.

Известное устройство представляет собой пятислойную конструкцию, состоящую из последовательно чередующихся и склеенных между собой слоев диэлектрического материала (три слоя) и частотно-селективных метаповерхностей (два слоя). В качестве диэлектрических слоев используется материал со диэлектрической проницаемостью от 4,6 до 4,8 в диапазоне от 2 до 18 ГГц. Частотно-селективные метаповерхности представляют собой периодический массив резистивных квадратных элементов («патчей»). Каждая частотно-селективная метаповерхность характеризуется различной величиной удельного поверхностного электрического сопротивления и размером «патчей». Отдельные диэлектрические слои в известном устройстве характеризуются различной толщиной.The known device is a five-layer structure, consisting of sequentially alternating and glued together layers of dielectric material (three layers) and frequency-selective metasurfaces (two layers). As dielectric layers, a material with a dielectric constant from 4.6 to 4.8 in the range from 2 to 18 GHz is used. Frequency-selective metasurfaces are a periodic array of resistive square elements (“patches”). Each frequency-selective metasurface is characterized by a different specific surface electric resistance and the size of the “patches”. The individual dielectric layers in the known device are characterized by different thicknesses.

Существенным недостатком прототипа является высокий входной импеданс структуры, что увеличивает коэффициент отражения и ограничивает ширину полосы рабочих частот устройства.A significant disadvantage of the prototype is the high input impedance of the structure, which increases the reflection coefficient and limits the bandwidth of the operating frequencies of the device.

Задачей заявляемого технического решения является снижение коэффициента отражения падающей по нормали к поверхности радиоволны в частотном диапазоне от 8 до 18 ГГц (X и K_u диапазоны) и расширение полосы рабочих частот устройства.The objective of the proposed technical solution is to reduce the reflection coefficient of the incident normal to the surface of the radio wave in the frequency range from 8 to 18 GHz (X and K _u ranges) and to expand the operating frequency band of the device.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов состоящем из многослойной конструкции, содержащей склеенные между собой входной наружный слой, две внутренние частотно-селективные метаповерхности - периодических массивов из резистивных квадратных элементов, характеризуемые определенным размером, периодом и удельным поверхностным сопротивлением; два промежуточных слоя из диэлектрического материала, имеется следующее отличие - для обеспечения лучшего согласования поверхностного импеданса структуры со свободным пространством, что приводит к снижению коэффициента отражения радиоволн от входной поверхности конструкции и расширению полосы частот поглощаемого радиоизлучения, входной наружный слой выполнен из магнитного материала. Радиопоглощающие свойства устройства проявляются при креплении устройства на металлическую (высокопроводящую) поверхность защищаемого объекта.The specified technical result is achieved due to the fact that in the device for reducing the reflection of radio waves based on metamaterials consisting of a multilayer structure containing an input outer layer glued together, two internal frequency-selective metasurfaces - periodic arrays of resistive square elements, characterized by a certain size, period and surface resistivity; two intermediate layers of dielectric material, there is the following difference - to ensure better matching of the surface impedance of the structure with free space, which leads to a decrease in the reflection coefficient of radio waves from the input surface of the structure and the expansion of the frequency band of the absorbed radio emission, the input outer layer is made of magnetic material. The radio-absorbing properties of the device are manifested when the device is mounted on a metal (highly conductive) surface of the protected object.

Использование в качестве материала входного слоя магнитного материала со значением магнитной проницаемости более 1 приведет к уменьшению входного импеданса структуры, что обеспечит «мягкий» электродинамический вход радиоволн и, как следствие, снижение коэффициента отражения радиоволн от входной поверхности конструкции и расширение полосы рабочих частот. При этом значение суммарной толщины всей пятислойной конструкции не превышает толщину конструкции, составленной только из диэлектрических слоев.Using as the material an input layer of magnetic material with a magnetic permeability value of more than 1 will lead to a decrease in the input impedance of the structure, which will provide a “soft” electrodynamic input of radio waves and, as a result, a decrease in the reflection coefficient of radio waves from the input surface of the structure and the expansion of the operating frequency band. In this case, the value of the total thickness of the entire five-layer structure does not exceed the thickness of the structure composed only of dielectric layers.

Устройство для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов представляет собой многослойную конструкцию на основе метаматериалов, состоящую из пяти слоев: входной наружный слой конструкции выполнен из магнитного материала, внутренние поглощающие слои, представляющие собой частотно-селективные метаповерхности, соединены промежуточными слоями, выполненными из диэлектрического материала.A device for reducing the reflection of radio waves based on metamaterials is a multilayer construction based on metamaterials, consisting of five layers: the input outer layer of the structure is made of magnetic material, the internal absorbing layers, which are frequency-selective metasurfaces, are connected by intermediate layers made of dielectric material.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.The essence of the proposed utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена схема устройства для снижения отражения радиоволн в широкой частотной полосе где:In FIG. 1 is a diagram of a device for reducing the reflection of radio waves in a wide frequency band where:

1 - входной наружный слой,1 - input outer layer,

2 и 4 - частотно-селективные метаповерхности;2 and 4 — frequency selective metasurfaces;

3 и 5 - промежуточные слои;3 and 5 - intermediate layers;

6 металлическая (высокопроводящая) поверхность.6 metal (highly conductive) surface.

Первый слой конструкции - входной наружный слой 1 выполнен из магнитного материала, значения магнитной и диэлектрической проницаемости которого меняются в пределах от 1,7 до 1,0 и от 4,6 до 4,8 в диапазоне частот от 3 до 25 ГГц соответственно. Толщина магнитного слоя составляет от 0,3 до 0,6 мм.The first layer of the structure - the input outer layer 1 is made of magnetic material, the values of the magnetic and dielectric constant of which vary from 1.7 to 1.0 and from 4.6 to 4.8 in the frequency range from 3 to 25 GHz, respectively. The thickness of the magnetic layer is from 0.3 to 0.6 mm.

Второй слой - частотно-селективная метаповерхность 2, представляющая собой массив резистивных квадратных «патчей» со стороной квадрата а=5 мм и периодом Т=12 мм и удельным поверхностным сопротивлением «патчей» от 500 до 700 Ом.The second layer is a frequency-selective metasurface 2, which is an array of resistive square “patches” with a square side of a = 5 mm and a period of T = 12 mm and a specific surface resistance of “patches” from 500 to 700 Ohms.

Третий слой - промежуточный слой 3 толщиной 2 мм -диэлектрический материал с диэлектрической проницаемостью от 4,0 до 5,0 в рассматриваемом частотном диапазоне.The third layer is an intermediate layer 3 with a thickness of 2 mm, a dielectric material with a dielectric constant from 4.0 to 5.0 in the considered frequency range.

Четвертый слой - частотно-селективная метаповерхность 4, представляющая массив резистивных квадратных «патчей» со стороной квадрата а=10 мм, периодом Т=12 мм и удельным поверхностным сопротивлением от 100 до 150 Ом.The fourth layer is a frequency-selective metasurface 4, representing an array of resistive square “patches” with a square side of a = 10 mm, a period of T = 12 mm and a specific surface resistance of 100 to 150 Ohms.

Пятый слой - промежуточный слой 5 толщиной 2 мм -диэлектрический материал с и диэлектрической проницаемостью от 4,0 до 5,0 в рассматриваемом частотном диапазоне.The fifth layer is an intermediate layer 5 with a thickness of 2 mm, a dielectric material with a dielectric constant of 4.0 to 5.0 in the considered frequency range.

Вся многослойная конструкция закреплена на металлической (высокопроводящей) поверхности 6.The entire multilayer structure is mounted on a metal (highly conductive) surface 6.

Дополнительно на вставке фиг. 1 схематично показана топология частотно-селективных метаповерхностей: а - сторона квадрата, Т - период. Стрелкой показано направление падения входной радиоволны.Additionally, in the inset of FIG. Figure 1 schematically shows the topology of frequency-selective metasurfaces: a is the side of the square, T is the period. The arrow shows the direction of incidence of the input radio wave.

На фиг. 2 представлена измеренная частотная зависимость коэффициента отражения радиоволны, падающей по нормали к поверхности устройства. Коэффициент отражения представлен в логарифмической шкале - в децибелах (дБ). По оси абсцисс отложена частота падающей радиоволны, выраженная в гигагерцах (ГГц).In FIG. 2 shows the measured frequency dependence of the reflection coefficient of a radio wave falling normal to the surface of the device. The reflection coefficient is presented on a logarithmic scale - in decibels (dB). The abscissa axis represents the frequency of the incident radio wave, expressed in gigahertz (GHz).

Устройство для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов работает следующим образом: входная радиоволна падает на входной наружный слой 1, который обеспечивает «мягкий» электродинамический вход, частотно-селективные метаповерхности 2 и 4 обеспечивают резонансное поглощение падающих радиоволн и приводят к снижению коэффициента отражения радиоволн от поверхности устройства в диапазонах сверхвысоких частот X и K_u, промежуточные слои 3 и 5 обеспечивают интерференционное гашение падающих радиоволн в теле устройства.A device for reducing the reflection of radio waves based on metamaterials works as follows: the input radio wave falls on the input outer layer 1, which provides a “soft” electrodynamic input, frequency-selective metasurfaces 2 and 4 provide resonant absorption of incident radio waves and lead to a decrease in the reflection coefficient of radio waves from the surface devices in the microwave ranges X and K _u , the intermediate layers 3 and 5 provide interference suppression of incident radio waves in the body of the device.

Таким образом, в устройстве для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов за счет использования магнитного материала со значением магнитной проницаемости более 1 (входной наружный слой) улучшены технические характеристики: уменьшен коэффициент отражения радиоволн в X и K_u диапазонах, среднее значение коэффициента отражения составляет не более -15 дБ. Расчеты и экспериментальные данные для рабочей полосы частот, полученные для прототипа, дают наилучший результат для образца с толщиной 3,5 мм, при этом полоса частот составляет 8÷20 ГГц; для образца прототипа толщиной 6 мм полоса сужается и составляет 4÷13 ГГц. В устройстве для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов частотный диапазон расширен в низкочастотную и высокочастотную области спектра и составляет полосу от 5 до 22 ГГц при общей толщине конструкции 4,8 мм.Thus, in the device for reducing the reflection of radio waves based on metamaterials due to the use of magnetic material with a magnetic permeability value of more than 1 (input outer layer), the technical characteristics are improved: the reflection coefficient of radio waves in the X and K _u ranges is reduced, the average value of the reflection coefficient is not more than -15 dB Calculations and experimental data for the working frequency band obtained for the prototype give the best result for a sample with a thickness of 3.5 mm, while the frequency band is 8 ÷ 20 GHz; for a prototype sample with a thickness of 6 mm, the band narrows and is 4 ÷ 13 GHz. In a device for reducing the reflection of radio waves based on metamaterials, the frequency range is expanded to the low-frequency and high-frequency spectral regions and ranges from 5 to 22 GHz with a total structure thickness of 4.8 mm.

Claims

Device for reducing reflection of radio waves based on metamaterials, consisting of a multilayer structure containing an input outer layer glued together, two internal frequency-selective metasurfaces of periodic arrays of resistive square elements, two intermediate layers of dielectric material, characterized in that the input outer layer is made from magnetic material.