RU2271058C1 - Absorbing coating - Google Patents
Absorbing coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2271058C1 RU2271058C1 RU2004122349/09A RU2004122349A RU2271058C1 RU 2271058 C1 RU2271058 C1 RU 2271058C1 RU 2004122349/09 A RU2004122349/09 A RU 2004122349/09A RU 2004122349 A RU2004122349 A RU 2004122349A RU 2271058 C1 RU2271058 C1 RU 2271058C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- coating
- parameters
- dielectric layer
- layers
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Overhead Projectors And Projection Screens (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиолокация и технике СВЧ и может быть использовано для уменьшения радиолокационной заметности объектов вооружения и военной техники, например летательных аппаратов, путем конформного размещения на участках поверхностей, образующих так называемые блестящие точки, вносящие наибольший вклад в формирование эффективной поверхности рассеяния.The invention relates to the field of radar and microwave technology and can be used to reduce the radar visibility of weapons and military equipment, such as aircraft, by conformally placing on the surface areas forming the so-called brilliant points that make the greatest contribution to the formation of an effective scattering surface.
Известно твердое управляемое покрытие, содержащее отражающий проводящий экран, примыкающую к нему диэлектрическую подложку, на внешней стороне которой расположена двумерно-периодическая решетка приемных и излучающих диполей, в разрывы которых включены элементы с отрицательным активным сопротивлением, подключенные к блоку питающих напряжений, расположенную в сечении этой решетки вторую управляемую решетку полосок или стержней, в разрывы которых включены полупроводниковые элементы с отрицательной действительной составляющей сопротивления, подключенные ко второму выходу блока питающих напряжений, примыкающий к этим решеткам передний диэлектрический слой, на внешней стороне которого расположена двумерно-периодическая решетка проводящих элементов, причем параметры слоев и решеток выбраны из условия обеспечения максимальной глубины амплитудной модуляции отраженного сигнала [Заявка на изобретение №3192578 от 26.02.88. Авт. Св-во №294719 от 01.06.89, Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 128 с.].Known solid controlled coating containing a reflective conductive screen adjacent to it a dielectric substrate, on the outside of which there is a two-dimensional-periodic array of receiving and emitting dipoles, in the gaps of which are included elements with negative active resistance connected to the power supply unit, located in the section of this lattices the second controlled lattice of strips or rods, in the breaks of which are included semiconductor elements with a negative real component phenomena connected to the second output of the supply voltage block, a front dielectric layer adjacent to these gratings, on the external side of which there is a two-dimensional-periodic lattice of conductive elements, and the parameters of the layers and gratings are selected to ensure the maximum depth of amplitude modulation of the reflected signal [Application for invention No. 3192578 from 02.26.88. Auth. Certificate No. 294719 dated June 1, 89, A. Golovkov Integrated electronic devices. - M .: Radio and communication, 1996. - 128 p.].
Принцип действия покрытия заключается в следующем. В одном состоянии, определяемом уровнем управляющего напряжения на полупроводниковых элементах, данное покрытие усиливает отраженный сигнал, а во втором уменьшает его амплитуду. Таким образом, во втором состоянии данное покрытие может быть использовано для уменьшения радиолокационной заметности объектов, то есть как поглощающее покрытие.The principle of the coating is as follows. In one state, determined by the level of control voltage on the semiconductor elements, this coating enhances the reflected signal, and in the second reduces its amplitude. Thus, in the second state, this coating can be used to reduce the radar visibility of objects, that is, as an absorbing coating.
Основным недостатком такого покрытия является большое энергопотребление, необходимое для переключения в состояние поглощения, и большая стоимость покрытия. Например, диоды Ганна типа АА703А имеют: U≈10 B и I≈0,27 А. То есть энергопотребление составляет 2-3 Вт на один диод. Количество диодов может составлять от несколько десятков до сотни. Стоимость одного диода составляет несколько сотен рублей.The main disadvantage of such a coating is the large energy consumption required to switch to the absorption state, and the high cost of the coating. For example, Gunn diodes of type AA703A have: U≈10 V and I≈0.27 A. That is, the power consumption is 2-3 W per diode. The number of diodes can range from several tens to hundreds. The cost of one diode is several hundred rubles.
Известно поглощающее покрытие в виде слоистой среды, каждый слой которой является периодической структурой, причем каждая элементарная ячейка - период включает в себя перечисляемые в направлении, противоположном направлению распространения падающей электромагнитной волны, последовательно расположенные прилегающие друг к другу отражающий проводящий экран и первый диэлектрический слой, а также последовательно расположенные первую неуправляемую металлическую решетку и второй диэлектрический слой, а также управляемый слой в виде стержня или полоски с включенными в их разрывы пассивным управляемым элементом, подключенным к первому выходу генератора управляющих сигналов, и последовательно расположенные третий диэлектрический слой и вторую неуправляемую металлическую решетку, в каждую элементарную ячейку - период введены четвертый диэлектрический слой и усилительный слой в виде стержня или полоски с включенным элементом с отрицательной действительной составляющей сопротивления, подключенным ко второму выходу генератора управляющих сигналов, управляемый слой расположен прилегающим к первому диэлектрическому слою, четвертый диэлектрический слой расположен между управляемым слоем и первой неуправляемой решеткой, усилительный слой расположен между вторым и третьим диэлектрическими слоями, управляемая решетка расположена между первым и вторым диэлектрическими слоями, при этом толщина всех диэлектрических слоев и параметры решеток (период, ширина полосок) выбраны из определенных соотношений [Заявка на изобретение №3128222 от 25.11.85. Авт. Св-во №260154 от 01.09.87, Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 128 с.].It is known that an absorbing coating is in the form of a layered medium, each layer of which is a periodic structure, and each unit cell - period includes those listed in the direction opposite to the direction of propagation of the incident electromagnetic wave, consecutively adjacent reflective screen and the first dielectric layer adjacent to each other, and also sequentially located the first uncontrolled metal grating and the second dielectric layer, as well as a controlled layer in the form of st reaps or strips with a passive controlled element included in their gaps connected to the first output of the control signal generator, and a third dielectric layer and a second uncontrolled metal grating sequentially, a fourth dielectric layer and an reinforcing layer in the form of a rod or strip are introduced into each unit cell; with an element with a negative real resistance component connected to the second output of the control signal generator, the controlled layer laid adjacent to the first dielectric layer, the fourth dielectric layer is located between the controlled layer and the first uncontrolled grating, the reinforcing layer is located between the second and third dielectric layers, the controlled grating is located between the first and second dielectric layers, while the thickness of all dielectric layers and the parameters of the gratings (period , width of strips) are selected from certain ratios [Application for invention No. 3128222 of 11.25.85. Auth. Certificate No. 260154 of September 1, 87, A. Golovkov Integrated electronic devices. - M .: Radio and communication, 1996. - 128 p.].
Принцип действия такого покрытия аналогичен принципу действия первого аналога. Основными недостатками также являются большое энергопотребления и большая стоимость покрытия.The principle of operation of such a coating is similar to the principle of operation of the first analogue. The main disadvantages are also high energy consumption and high cost of coverage.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является поглощающее покрытие, содержащие отражающий экран, примыкающую к нему диэлектрическую подложку, на внешней стороне которой расположена двумерно-периодическая решетка приемных и излучающих диполей, в разрывы которых включены элементы с отрицательным активным сопротивлением, электрически подключенные к блоку питания, примыкающий к решетке первый диэлектрический слой, второй диэлектрический слой, толщины первого и второго диэлектрических слоев выбраны из определенных соотношений [Заявка на изобретение №3054450 от 01.12.82. Авт. Св-во №195899 от 02.12.83., Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 128 с.].The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is an absorbing coating containing a reflective screen, an adjacent dielectric substrate, on the outside of which there is a two-dimensional periodic array of receiving and emitting dipoles, in the breaks of which are included elements with negative active resistance, electrically connected to the power supply unit, adjacent to the grating, the first dielectric layer, the second dielectric layer, the thicknesses of the first and second dielectric layers in branes from specific ratios [Application for invention №3054450 from 01.12.82. Auth. Building No. 195899 of December 2, 83., Golovkov A.A. Integrated electronic devices. - M .: Radio and communication, 1996. - 128 p.].
Принцип действия данного покрытия аналогичен принципу действия первых двух аналогов, параметры покрытия выбраны из условия обеспечения минимальной эффективной поверхности рассеяния в заданной полосе частот в одном из режимов, определяемом уровнем управляющего напряжения.The principle of operation of this coating is similar to the principle of operation of the first two analogues, the coating parameters are selected from the condition of ensuring the minimum effective scattering surface in a given frequency band in one of the modes determined by the level of control voltage.
Недостатками такого покрытия являются большое энергопотребление, необходимое для переключения в состояние поглощения, и большая стоимость покрытия, определяемая в основном стоимостью активных полупроводниковых элементов.The disadvantages of this coating are the large energy consumption required to switch to the absorption state, and the high cost of the coating, determined mainly by the cost of active semiconductor elements.
Техническим результатом изобретения является уменьшение энергопотребления и стоимости покрытия за счет выполнения управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита и определения оптимальных значений параметров неуправляемых слоев.The technical result of the invention is to reduce the energy consumption and cost of the coating by performing a controlled layer in the form of a thin film of sprayed graphite and determining the optimal values of the parameters of the uncontrolled layers.
Указанный результат достигается тем, что в поглощающем покрытии, содержащем первый и второй диэлектрические слои, управляемый слой, третий диэлектрический слой, на одной стороне которого расположен проводящий отражающий экран, управляемый слой выполнен в виде тонкой пленки напыленного графита и расположен между первым и вторым диэлектрическими слоями, на внешней стороне первого диэлектрического слоя расположена первая двумерно-периодическая решетка из полосок напыленного металла, между вторым и третьим диэлектрическими слоями расположена вторая двумерно-периодическая решетка из полосок напыленного металла, проводимость В1 первой двумерно-периодической решетки и толщина d1 первого диэлектрического слоя выбраны из условия обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот в соответствии со следующими математическими выражениями:This result is achieved in that in the absorbent coating containing the first and second dielectric layers, a controlled layer, a third dielectric layer, on which side a conductive reflective screen is located, the controlled layer is made in the form of a thin film of sprayed graphite and is located between the first and second dielectric layers , on the outside of the first dielectric layer is the first two-dimensionally periodic lattice of strips of deposited metal, between the second and third dielectric layers lozhena second doubly-periodic grating strips of the deposited metal, the conductivity 1 in the first two-dimensional periodic lattice, and the thickness d 1 of the first dielectric layer is selected to provide a minimum level of the reflected signal in a desired frequency band in accordance with the following mathematical expression:
где 
На фиг.1 показана структура поглощающего покрытия (прототипа) в виде плоскослоистой среды.Figure 1 shows the structure of the absorbent coating (prototype) in the form of a flat-layered medium.
На фиг.2 показана структура предлагаемого поглощающего покрытия в виде плоскослоистой среды.Figure 2 shows the structure of the proposed absorbent coating in the form of a flat-layered medium.
На фиг.3 представлена эквивалентная схема поглощающего покрытия в виде каскадного соединения двух четырехполюсников.Figure 3 presents the equivalent circuit of an absorbing coating in the form of a cascade connection of two four-terminal networks.
На фиг.4 представлен волноводный вариант предлагаемого поглощающего покрытия.Figure 4 presents the waveguide version of the proposed absorbent coating.
На фиг.5 изображены зависимости модуля коэффициента отражения поглощающего покрытия от нормированной частоты при произвольно выбранных параметрах слоев - В2=-0,089; d2/λ=0,03; d3/λ=0.02 (-·-·-) и после проведения оптимизации одного (----), двух (――) и трех (··········) слоев.Figure 5 shows the dependence of the modulus of the reflection coefficient of the absorbing coating on the normalized frequency for randomly selected parameters of the layers - In 2 = -0,089; d 2 / λ = 0.03; d 3 /λ=0.02 (- · - · -) and after optimization of one (----), two (――) and three (··············)
Поглощающее покрытие-прототип (фиг.1) выполнено из последовательно расположенных первого диэлектрического слоя - 1 с показателем преломления n1 и толщиной d1, второго диэлектрического слоя - 2 с показателем преломления n2 и толщиной d2, управляемого слоя - 3 в виде двумерно-периодической решетки - 4 проводящих элементов, в разрывы которых включены элементы с отрицательным активным сопротивлением - 5, электрически подключенные к блоку питания - 6, третьего диэлектрического слоя - 7 с показателем преломления n3 и толщиной d3 и проводящего отражающего экрана - 8.The absorbent coating-prototype (Fig. 1) is made of sequentially arranged first dielectric layer - 1 with a refractive index n 1 and thickness d 1 , a second dielectric layer - 2 with a refractive index n 2 and thickness d 2 , a controlled layer - 3 in the form of two-dimensional -periodic lattice - 4 conductive elements, in the breaks of which are included elements with negative active resistance - 5, electrically connected to the power supply unit - 6, of the third dielectric layer - 7 with a refractive index of n 3 and a thickness of d 3 and a conductive reflective th screen - 8.
Поглощающее покрытие функционирует следующим образом. При одном уровне тока и напряжения активные элементы переходят в режим, при котором активная составляющая сопротивления становится отрицательной. Благодаря специальному выбору параметров неуправляемых слоев в этом режиме амплитуда отраженного сигнала увеличивается. При другом уровне тока и напряжения благодаря указанному выбору параметров неуправляемых слоев амплитуда отраженного сигнала в некоторой заданной полосе частот становится минимальной. В этом режиме такое покрытие может быть использовано как поглощающее для уменьшения радиолокационной заметности объектов вооружения и военной техники.The absorbent coating operates as follows. At the same level of current and voltage, the active elements go into a mode in which the active component of the resistance becomes negative. Thanks to a special choice of parameters of uncontrollable layers in this mode, the amplitude of the reflected signal increases. At a different level of current and voltage, due to the specified choice of parameters of uncontrolled layers, the amplitude of the reflected signal in a given frequency band becomes minimal. In this mode, such a coating can be used as absorbing to reduce the radar visibility of weapons and military equipment.
Недостатками такого покрытия являются большое энергопотребление, необходимое для переключения в состояние поглощения, и большая стоимость покрытия, определяемая в основном стоимостью активных полупроводниковых элементов.The disadvantages of this coating are the large energy consumption required to switch to the absorption state, and the high cost of the coating, determined mainly by the cost of active semiconductor elements.
Предлагаемое поглощающее покрытие (фиг.2) выполнено из последовательно расположенных первой неуправляемой решетки - 1 с проводимостью B1 из полосок напыленного металла, первого диэлектрического слоя - 2 с показателем преломления n1 и толщиной d1, управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита - 3, второго диэлектрического слоя - 4 с показателем преломления n2 и толщиной d2, второй неуправляемой решетки - 5 с проводимостью В2 из полосок напыленного металла, третьего диэлектрического слоя - 6 с показателем преломления n3 и толщиной d3 и проводящего отражающего экрана - 7, а параметры слоев выбраны из условий обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот.The proposed absorbent coating (figure 2) is made of sequentially arranged first uncontrolled grating - 1 with a conductivity B 1 of strips of sprayed metal, the first dielectric layer - 2 with a refractive index n 1 and a thickness d 1 of a controlled layer in the form of a thin film of sprayed graphite - 3, the second dielectric layer - 4 with a refractive index n 2 and thickness d 2 , the second uncontrolled grating - 5 with a conductivity B 2 of strips of deposited metal, the third dielectric layer - 6 with a refractive index n 3 and thickness d 3 and conductive reflective screen - 7, and the parameters of the layers are selected from the conditions for ensuring a minimum level of the reflected signal in the desired frequency band.
Предлагаемое покрытие функционирует следующим образом. При падении электромагнитной волны на покрытие благодаря указанному выбору параметров неуправляемых слоев входное комплексное сопротивление покрытия оказывается согласованным с сопротивлением свободного пространства, в результате чего в требуемой полосе частот модуль коэффициента отражения становится близким к нулю. При размещении такого покрытия на участках поверхности объекта вооружения и военной техники, вносящих наибольший вклад в формирование эффективной поверхности рассеяния, общая эффективная поверхность рассеяния объекта будет снижена в различных случаях на величину от 10 до 15 дБ. При этом энергопотребление отсутствует, поскольку нет необходимости перевода управляемого слоя в режим поглощения. Покрытие постоянно находится в этом режиме. Массогабаритные характеристики, как показывают расчеты, являются приемлемыми. Предлагаемое поглощающее покрытие относится к классу широкополосных согласующих устройств (ШСУ) на элементах с распределенными параметрами.The proposed coating operates as follows. When an electromagnetic wave falls on the coating due to the specified choice of parameters of the uncontrollable layers, the input complex resistance of the coating is consistent with the free space resistance, as a result of which, in the required frequency band, the reflection coefficient modulus becomes close to zero. When placing such a coating on the surface areas of the armament and military equipment making the largest contribution to the formation of the effective scattering surface, the total effective scattering surface of the object will be reduced in various cases by 10 to 15 dB. At the same time, there is no energy consumption, since there is no need to transfer the controlled layer to absorption mode. Coverage is constantly in this mode. Mass and size characteristics, as shown by the calculations, are acceptable. The proposed absorbent coating belongs to the class of broadband matching devices (SHS) on elements with distributed parameters.
Покажем возможность достижения указанного результата.We show the possibility of achieving the specified result.
Анализ известной литературы показывает, что в настоящее время алгоритмы синтеза ШСУ в полосе частот либо сводятся к использованию известных численных методов [Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.], либо к использованию аналитических методов интерполяции заданной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на нескольких частотах [Головков А.А. Многофункциональные антенные системы. // Антенны. - 2003. - №.03-04 (70-71). - С.84-93].An analysis of the known literature shows that at present the synthesis algorithms for SHS in the frequency band either come down to using known numerical methods [Gupta K., Garge R., Chadha R. Machine design of microwave devices. / Per. from English - M .: Radio and communications, 1987. - 432 p.], Or to use analytical methods for interpolating a given amplitude-frequency characteristic (AFC) at several frequencies [A. Golovkov Multifunctional antenna systems. // Antennas. - 2003. - No. 03-04 (70-71). - S. 84-93].
В данном изобретении задача синтеза ШСУ решена на основе совместного использования аналитического и численного методов. Аналитический метод предполагает отыскание взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений ШСУ, оптимальных по критерию минимума отраженного сигнала на заданном количестве частот и определении на основе этих взаимосвязей части элементов ШСУ. Численный метод состоит в оптимизации оставшейся части свободных от реализации этих взаимосвязей параметров элементов ШСУ по критерию обеспечения минимума отклонений АЧХ от нуля в заданных окрестностях фиксированных частот (заданной полосе частот).In this invention, the task of synthesizing SHS is solved on the basis of the joint use of analytical and numerical methods. The analytical method involves finding the relationships between the elements of the resistance loop matrix, which are optimal by the criterion of the minimum of the reflected signal at a given number of frequencies and determining, based on these relationships, the parts of the gate loop. The numerical method consists in optimizing the remainder of the parameters of the GCS elements that are free from the implementation of these interconnections by the criterion of ensuring a minimum of frequency response deviations from zero in given neighborhoods of fixed frequencies (given frequency band).
В соответствии с теоремой Флокэ [Швингер Ю. Неоднородности в волноводах. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1970. - С.67-74] результаты решения задачи синтеза ШСУ в волноводе будут соответствовать результатам синтеза ШСУ в виде слоистых сред.In accordance with the Floquet theorem [Schwinger, Yu. Inhomogeneities in waveguides. // Foreign radio electronics. - 1970. - P.67-74] the results of solving the problem of synthesis of GCS in the waveguide will correspond to the results of synthesis of GCS in the form of layered media.
Пусть на фиксированной частоте требуется обеспечить минимум отраженного сигнала в волноводной линии передачи с известной нагрузкой ZH=ТH+jNH. Сопротивление источника сигнала Z0=T0+jN0 также известно. Вблизи нагрузки включается ШСУ на элементах с распределенными параметрами (диафрагмами, штырями, стержнями и т.д.).Suppose that at a fixed frequency it is required to ensure a minimum of the reflected signal in a waveguide transmission line with a known load Z H = T H + jN H. The resistance of the signal source Z 0 = T 0 + jN 0 is also known. Near the load, the SHS is switched on on elements with distributed parameters (diaphragms, pins, rods, etc.).
На первом этапе требуется определить минимальное количество элементов ШСУ и значения их параметров, при которых коэффициент отражения на фиксированной частоте равен нулю: где S11 - соответствующий элемент матрицы рассеяния [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и многополюсников СВЧ. - М.: Связь, 1971. - 378 с.].At the first stage, it is required to determine the minimum number of SHS elements and the values of their parameters at which the reflection coefficient at a fixed frequency is zero: where S 11 is the corresponding element of the scattering matrix [Feldstein A.L., Yavich L.R. Synthesis of four-terminal and multi-terminal microwave. - M .: Communication, 1971. - 378 p.].
На втором этапе при тех же условиях и заданном количестве элементов ШСУ с определенными в соответствии с первым этапом значениями параметров части элементов требуется найти значения параметров оставшейся части элементов, при которых обеспечивается минимум отклонения значений АЧХ от нуля в окрестности фиксированной частоты.At the second stage, under the same conditions and the given number of elements of the ACS with the parameter values of part of the elements determined in accordance with the first stage, it is required to find the parameter values of the remaining part of the elements at which a minimum deviation of the frequency response from zero in the vicinity of the fixed frequency is provided.
Представим эквивалентную схему ШСУ в виде трех каскадно-соединенных четырехполюсников, характеризующих источник сигнала, ШСУ и нагрузку (фиг.3). К нагрузке относится слой с потерями с сопротивлением ZП=ТП+jNП и расположенные справа от него слои без потерь.Imagine the equivalent circuit of the ШСУ in the form of three cascade-connected four-terminal devices that characterize the signal source, the ШСУ and the load (Fig. 3). The load includes a lossy layer with resistance Z P = T P + jN P and the lossless layers to the right of it.
Пусть ШСУ описывается следующей матрицей сопротивления:Let SHSU described by the following resistance matrix:
и соответствующей волновой матрицей передачи:and the corresponding wave transfer matrix:
где x11, x22, x21, x12 - реактивные элементы матрицы сопротивления.where x 11 , x 22 , x 21 , x 12 are the reactive elements of the resistance matrix.
Нормировка волновой матрицы передачи ШСУ сводится к последовательному перемножению матриц Т1, Т2, Т3, причем:The normalization of the wave matrix transfer SHS is reduced to the sequential multiplication of matrices T 1 , T 2 , T 3 , and:
волновые матрицы, учитывающие сопротивления источника сигнала и нагрузки.wave matrices taking into account the resistance of the signal source and load.
В результате получим волновую матрицу передачи всего устройства с учетом источника сигнала и нагрузки, элементы T11,T21 которой равны:As a result, we obtain the wave transfer matrix of the entire device, taking into account the signal source and load, the elements of T 11 , T 21 of which are equal to:
Используя соотношения между элементами (5) волновой матрицы передачи и элементами матрицы рассеяния [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и многополюсников СВЧ. - М.: Связь, 1971. - 378 с.], определим выражение для коэффициента отражения:Using the relationship between the elements (5) of the transmission wave matrix and the elements of the scattering matrix [Feldstein A.L., Yavich L.R. Synthesis of four-terminal and multi-terminal microwave. - M.: Communication, 1971. - 378 S.], we define the expression for the reflection coefficient:
Подставив выражение (6) в (1) и разделив действительные и мнимые части, получим систему двух алгебраических уравненийSubstituting expression (6) into (1) and separating the real and imaginary parts, we obtain a system of two algebraic equations
решение которой имеет вид:the solution of which is:
где 
Система двух взаимосвязей (8) означает, что ШСУ должно содержать минимум два неуправляемых элемента, параметры которых должны быть определены из решения системы уравнений, формируемых из (8). Для этого необходимо выбрать структуру ШСУ и определить ее матрицу сопротивлений. Найденные элементы x11, x21, x22, выраженные через параметры элементов ШСУ, надо подставить в (8) и решить сформированную таким образом систему двух уравнений относительно выбранных двух параметров.The system of two relationships (8) means that the SHS must contain at least two uncontrollable elements, the parameters of which must be determined from the solution of the system of equations generated from (8). For this, it is necessary to choose the structure of the SHSU and determine its resistance matrix. The found elements x 11 , x 21 , x 22 , expressed in terms of the parameters of the GSS elements, must be substituted into (8) and the system of two equations formed in this way relative to the selected two parameters should be solved.
Если схема ШСУ содержит М>2 элементов, то параметры двух из них определяются указанным образом, а параметры М-2 элементов определяются на основе использования любых методов оптимизации [Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.] по критерию минимума отклонения значений АЧХ от нуля в заданной окрестности фиксированной частоты или по критерию максимума полосы частот при заданном отклонении значений АЧХ от нуля. При этом М-2 элемента относятся к нагрузке. На каждом шаге оптимизации (на каждом шаге варьирования параметров М-2 элементов) значения первых двух параметров определяются аналитически. Поэтому на каждом шаге оптимизации на заданной фиксированной частоте коэффициент отражения всегда равен нулю.If the SHS circuit contains M> 2 elements, then the parameters of two of them are determined in the indicated way, and the parameters of M-2 elements are determined based on the use of any optimization methods [Gupta K., Garge R., Chadha R. Machine design of microwave devices. / Per. from English - M .: Radio and communications, 1987. - 432 pp.] By the criterion of the minimum deviation of the frequency response from zero in a given neighborhood of a fixed frequency or by the criterion of the maximum frequency band for a given deviation of the frequency response from zero. In this case, the M-2 elements are related to the load. At each optimization step (at each step of varying the parameters of M-2 elements), the values of the first two parameters are determined analytically. Therefore, at each optimization step at a given fixed frequency, the reflection coefficient is always equal to zero.
В соответствии с описанным алгоритмом были получены выражения для определения параметров ШСУ в волноводе, изображенного на фиг.4, которому соответствует слоистая структура в свободном пространстве, изображенная на фиг.2. Для разделения падающего и отраженного сигнала в волноводе используется циркулятор.In accordance with the described algorithm, expressions were obtained for determining the parameters of the SHS in the waveguide shown in figure 4, which corresponds to the layered structure in free space, shown in figure 2. A circulator is used in the waveguide to separate the incident and reflected signals.
Элементы матрицы сопротивлений предлагаемого поглощающего покрытия, представленного на фиг.2, имеют вид:The elements of the resistance matrix of the proposed absorbent coating, presented in figure 2, have the form:
где λ - длина волны.where λ is the wavelength.
Значения проводимости B1 решетки - 1 и толщина d1 диэлектрического слоя - 2 предлагаемого поглощающего покрытия, представленного на фиг.2, после подстановки (9) в (8) и решения полученной системы уравнений оказались следующими:The conductivity values B 1 of the grating are 1 and the thickness d 1 of the dielectric layer is 2 of the proposed absorbent coating shown in FIG. 2, after substituting (9) into (8) and solving the resulting system of equations, turned out to be the following:
где 
Для увеличения полосы частот необходимо оптимизировать параметры остальных слоев, отнесенных к нагрузке. Алгоритм оптимизации параметров слоев заключается в следующем:To increase the frequency band, it is necessary to optimize the parameters of the remaining layers assigned to the load. The algorithm for optimizing layer parameters is as follows:
1. По формулам типа (10), (11) определяются два параметра слоев, расположенных слева от слоя с потерями, при произвольно заданных исходных значениях параметров слоев, расположенных справа от слоя с потерями.1. Using formulas of type (10), (11), two parameters of the layers located to the left of the layer with losses are determined for arbitrarily given initial values of the parameters of the layers located to the right of the layer with losses.
2. Определяется интегральное произведение модуля коэффициента отражения |S11(f)| на заданную полосу частот Δf=fB-fH, где fH, fB - нижняя и верхняя границы заданной полосы частот соответственно.2. The integral product of the reflection coefficient modulus | S 11 (f) | for a given frequency band Δf = f B -f H , where f H , f B are the lower and upper boundaries of a given frequency band, respectively.
3. Изменяются значения параметров слоев без потерь (толщин слоев, проводимостей решеток), расположенных справа от слоя с потерями, и определяется это же произведение.3. The lossless layer parameters (layer thicknesses, lattice conductivities) located to the right of the lossy layer are changed, and the same product is determined.
4. Если полученная величина |S11(f)|Δf не удовлетворяет предъявляемым требованиям, то расчеты продолжаются, начиная с пункта 1, при других исходных значениях параметров слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, полученных на этапе выполнения пункта 3. Цикл п.1-п.3 прекращается при минимизации целевой функции U(X):4. If the obtained value | S 11 (f) | Δf does not meet the requirements, then the calculations continue, starting from
где Х - множество параметров слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, синтезируемого поглощающего покрытия.where X is the set of parameters of the lossless layers located to the right of the lossy layer of the synthesized absorbent coating.
5. Количество слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, увеличивается на единицу, и весь цикл начинается с пункта 1.5. The number of lossless layers located to the right of the lossy layer increases by one, and the entire cycle starts from
6. Процесс оптимизации заканчивается, если дальнейшее увеличение слоев без потерь, расположенных справа от слоя с потерями, не приводит к уменьшению значения целевой функции (12) на величину, которая больше некоторой заданной.6. The optimization process ends if a further increase in the lossless layers located to the right of the lossy layer does not lead to a decrease in the value of the objective function (12) by an amount that is greater than a certain value.
В соответствии с описанным алгоритмом были оптимизированы параметры d2/λ,d3/λ,В2 предлагаемого поглощающего покрытия, изображенного на фиг.2.In accordance with the described algorithm, the parameters d 2 / λ, d 3 / λ, B 2 of the proposed absorbent coating depicted in FIG. 2 were optimized.
Нормированные фиксированная частота, нижняя и верхняя границы заданной полосы частот были заданы: f0=1; fH=0,8; fB=1,2.Normalized fixed frequency, the lower and upper boundaries of a given frequency band were set: f 0 = 1; f H = 0.8; f B = 1.2.
Показатели преломления диэлектрических слоев 2, 4, 6 были равны: n1=n2=n3=1,5, что соответствует выбору диэлектрика из фторопласта [Матейко В.В. Распространение радиоволн, техника сверхвысоких частот и антенные устройства РЭС. Часть 1. Основы теории электромагнитного поля. - Воронеж: ВИРЭ, 1996. - С.283]. Вообще диэлектрические слои могут быть выбраны из следующих материалов - полимерные пленки, сегнетокерамические конденсаторы, керамики на основе Ba2Ti9O20,(Zr,Sn)TiO4, у которых показатели преломления n находятся в следующих пределах 1≤n≤10, то есть 1≤n1≤10; 1≤n2≤10; 1≤n3≤10 [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.].The refractive indices of the
Действительная TН и мнимая NH составляющая сопротивления нагрузки ZH определялись следующим образом.The actual T H and imaginary N H component of the load resistance Z H were determined as follows.
1. С учетом в нагрузке только слоя с потерями - 3, диэлектрического слоя - 4 и экрана - 7:1. Given in the load only the layer with losses - 3, the dielectric layer - 4 and the screen - 7:
где ТП, NП - действительная и мнимая составляющая сопротивления слоя с потерями ZП соответственно.where T P , N P - real and imaginary component of the resistance of the layer with losses Z P, respectively.
2. С учетом в нагрузке слоя с потерями - 3, диэлектрического слоя - 4, диэлектрического слоя - 6 и экрана - 7:2. Taking into account the load layer with losses - 3, the dielectric layer - 4, the dielectric layer - 6 and the screen - 7:
где 
3. С учетом в нагрузке слоя с потерями - 3, диэлектрического слоя - 4, решетки - 5, диэлектрического слоя - 6 и экрана - 7:3. Taking into account the load layer with a loss of 3, the dielectric layer 4, the lattice 5, the
где 
На фиг.5 приведены зависимости модуля коэффициента отражения от нормированной частоты при произвольно выбранных параметрах слоев - B2=-0.089; d2/λ=0.03; d3/λ=0.02 (-·-·-) и после проведения оптимизации одного (----), двух (――) и трех (··········) слоев.Figure 5 shows the dependence of the modulus of the reflection coefficient on the normalized frequency for randomly selected layer parameters - B 2 = -0.089; d 2 /λ=0.03; d 3 /λ=0.02 (- · - · -) and after optimization of one (----), two (――) and three (···············)
Значения параметров предлагаемого поглощающего покрытия, представленного на фиг.2, в результате оптимизации оказались следующими:The values of the parameters of the proposed absorbent coating, presented in figure 2, as a result of optimization were as follows:
B1=-0.002; B2=-0.224; d1/λ=0.28; d2/λ=0.21; d3/λ=0.01.B 1 = -0.002; B 2 = -0.224; d 1 /λ=0.28; d 2 /λ=0.21; d 3 /λ=0.01.
Значения проводимостей первой и второй решеток позволяют определить их конфигурации и геометрические параметры - период, диаметр стержней или ширину полосок [Михайлов Г.Д. Рассеяние электромагнитных волн на двумерно-периодических решетках с включенными импедансными неоднородностями // Рассеяние электромагнитных волн: Межведомственный тематический научный сборник. - Таганрог: ТРТИ, 1985. Вып.5].The conductivities of the first and second gratings allow us to determine their configurations and geometric parameters — period, diameter of rods, or strip widths [Mikhailov GD Scattering of electromagnetic waves by two-dimensionally periodic gratings with included impedance inhomogeneities // Scattering of electromagnetic waves: Interdepartmental thematic scientific collection. - Taganrog: TRTI, 1985. Issue 5].
Анализ фиг.5 показывает, что с увеличением количества слоев без потерь с оптимальными значениями параметров, расположенных справа от слоя с потерями, в заданной полосе частот, отклонение значения модуля коэффициента отражения от заданного на фиксированной частоте уменьшается.The analysis of Fig. 5 shows that with an increase in the number of lossless layers with optimal values of the parameters located to the right of the lossy layer in a given frequency band, the deviation of the reflection coefficient modulus from a given value at a fixed frequency decreases.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестно поглощающие покрытие, содержащие последовательно расположенные первую неуправляемую решетку из полосок напыленного металла, первый диэлектрический слой, управляемый слой в виде тонкой пленки напыленного графита, второй диэлектрический слой, вторую неуправляемую решетку из полосок напыленного металла, третий диэлектрический слой и проводящий отражающий экран, а параметры слоев выбраны из условия обеспечения минимума уровня отраженного сигнала в требуемой полосе частот.The proposed technical solution is new because absorbing coating is not known from publicly available information, containing the first uncontrolled lattice of strips of deposited metal sequentially arranged, the first dielectric layer, the controllable layer in the form of a thin film of sprayed graphite, the second dielectric layer, and the second uncontrollable lattice of strips of sprayed metal, the third dielectric layer and the conductive reflective screen, and the parameters of the layers are selected from the condition of ensuring a minimum level of reflected signal in the required frequency band.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность расположения неуправляемых решеток, диэлектрических слоев и управляемого слоя обеспечивает в требуемой полосе частот близкий к нулю модуль коэффициента отражения, а также уменьшение энергопотребления и стоимости покрытия за счет выполнения управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита и определения оптимальных значений параметров неуправляемых слоев.The proposed technical solution has an inventive step, since it does not explicitly follow from published scientific data and known technical solutions that the claimed sequence of arrangement of uncontrolled gratings, dielectric layers and a controlled layer provides a reflection coefficient module close to zero in the required frequency band, as well as reducing energy consumption and the cost of the coating by performing a controlled layer in the form of a thin film of sprayed graphite and determining the optimal values unmanaged layer options.
Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы искусственные неоднородности в виде плоскослоистых сред, состоящих из известных материалов и элементов - слоев диэлектриков, тонких пленок напыленного графита, периодических решеток из полосок напыленного металла. Параметры слоев и решеток можно легко рассчитать по приведенным в описании изобретения математическим выражениям.The proposed technical solution is practically applicable, since artificial inhomogeneities in the form of plane-layered media consisting of known materials and elements - dielectric layers, thin films of deposited graphite, periodic gratings of strips of deposited metal can be used for its implementation. The parameters of the layers and grids can be easily calculated using mathematical expressions given in the description of the invention.
Технико-экономическая эффективность предложенных технических решений заключается в уменьшение энергопотребления и стоимости покрытия за счет выполнения управляемого слоя в виде тонкой пленки напыленного графита и определения оптимальных значений параметров неуправляемых слоев.The technical and economic efficiency of the proposed technical solutions is to reduce the energy consumption and cost of the coating by performing a controlled layer in the form of a thin film of sprayed graphite and determining the optimal values of the parameters of the uncontrolled layers.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004122349/09A RU2271058C1 (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Absorbing coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004122349/09A RU2271058C1 (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Absorbing coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004122349A RU2004122349A (en) | 2006-01-20 |
| RU2271058C1 true RU2271058C1 (en) | 2006-02-27 |
Family
ID=35872959
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004122349/09A RU2271058C1 (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Absorbing coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2271058C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2486541C2 (en) * | 2011-08-02 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Absorbent coating |
| CN103943968A (en) * | 2014-04-28 | 2014-07-23 | 浙江大学 | Perfect matching wave absorbing layer composed of sub-wavelength resonance units and active circuits |
| RU2678937C1 (en) * | 2018-04-18 | 2019-02-04 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Ultra-wideband absorbent coating |
| RU2714110C1 (en) * | 2019-07-30 | 2020-02-12 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Multilayer ultra-wideband absorbent coating |
-
2004
- 2004-07-20 RU RU2004122349/09A patent/RU2271058C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГОЛОВКОВ А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1996, с.109, 117, 120. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2486541C2 (en) * | 2011-08-02 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Absorbent coating |
| CN103943968A (en) * | 2014-04-28 | 2014-07-23 | 浙江大学 | Perfect matching wave absorbing layer composed of sub-wavelength resonance units and active circuits |
| CN103943968B (en) * | 2014-04-28 | 2016-08-24 | 浙江大学 | The perfect matching utilizing time wavelength resonant element and active circuit to constitute inhales ripple layer |
| RU2678937C1 (en) * | 2018-04-18 | 2019-02-04 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Ultra-wideband absorbent coating |
| RU2714110C1 (en) * | 2019-07-30 | 2020-02-12 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Multilayer ultra-wideband absorbent coating |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004122349A (en) | 2006-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| McCalmont et al. | A layer‐by‐layer metallic photonic band‐gap structure | |
| Lee et al. | Simple formulas for transmission through periodic metal grids or plates | |
| Callaghan et al. | Influence of supporting dielectric layers on the transmission properties of frequency selective surfaces | |
| Bayindir et al. | Transmission properties of composite metamaterials in free space | |
| US20090058746A1 (en) | Evanescent wave-coupled frequency selective surface | |
| Grbic et al. | Practical limitations of subwavelength resolution using negative-refractive-index transmission-line lenses | |
| RU2271058C1 (en) | Absorbing coating | |
| CN115313059A (en) | Polarization insensitive electromagnetic anti-reflection super surface under extreme incident angle | |
| CN113991304B (en) | Antenna beam forming method based on super-surface array | |
| JP2005210016A (en) | Frequency selecting device | |
| CN107704673B (en) | Rapid design method for broadband coding metamaterial | |
| Chambers et al. | A smart radar absorber based on the phase-switched screen | |
| Young et al. | Low-pass and high-pass filters consisting of multilayer dielectric stacks | |
| RU2486541C2 (en) | Absorbent coating | |
| Yang et al. | Liquid crystal based miniaturized tunable FSS design | |
| RU2291453C1 (en) | Method and device for reduction of effective surface of dissipation of aerials | |
| Shuley | Higher-order mode interaction in planar periodic structures | |
| Contopanagos et al. | High-Q radio-frequency structures using one-dimensionally periodic metallic films | |
| Singh et al. | Estimation of resonant frequency of a circular microstrip antenna using artificial neural network | |
| Gutierrez et al. | Optimization of multilayer frequency selective surfaces using the binary particle swarm algorithm | |
| RU2315399C1 (en) | Method and device for reducing effective dissipation surface of antennas | |
| Abraray et al. | Programmable chessboard Mushroom-type metasurface with memory | |
| Zhou et al. | A novel metamaterial power divider optimized by artificial neural network | |
| RU215939U1 (en) | RF reflective surface with optical beam steering for telecommunication systems | |
| Hao et al. | Research on Microwave Transmission Characteristics in Multilayer Dielectric Structure Based on PSO |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060721 |