Радіопоглинаюче покриття

1. Радіопоглинаюче покриття, що містить щонайменше один діелектричний шар і щонайменше один шар з електропровідного матеріалу, який нанесений на діелектричний шар і має товщину менше глибини скін-шару, що характерна в вибраному матеріалі в певному заздалегідь вибраному діапазоні радіочастот. C2 2 (19) 1 3 тей у широкому діапазоні частот залишається важливою задачею. Відомі також під марками CHO-Shield 576™ и CHO-Shield 579™ радіопоглинаючі покриття для захисту електронних приладів від електромагнітних перешкод або для захисту користувачів від переважно внутрішнього мікрохвильового випромінювання таких приладів [див. http://www.russianelectronics.ru/leaderr/news/2237/doc6611.phtml]. Вони виготовлені на основі електропровідних компаундів та містять дисперсний метал, зокрема, мідь, олово або срібло. Електричний опір обох компаундів не перевищує 0,06Ом/м2. Ці покриття забезпечують екранування приладів на рівні 60-80дБ в діапазоні частот від 30МГц до 1ГГц. Вони помітно тонші й дешевші, ніж покриття на основі вищезгаданих решіток, однак працюють в більш низькому (та відносно вузькому) діапазоні частот. Найбільш близьке по технічній сутності радіопоглинаюче покриття відоме з міжнародної публікації WO/2008/023764 від 28.02.2008. Воно має: опорний каркас у вигляді сітки з придатного неорганічного матеріалу та покладений на нього електропровідний матеріал у вигляді електричне ізольованих плям із середнім поперечним розміром близько 5мм і товщиною не менше 0,1мм. Таке покриття здатне поглинати радіохвилі довжиною не менше 5мм і частотою не більше 40ГГц. Однак сумарна товщина та питома маса вказаного покриття змушують бажати кращого, а розмір електричне ізольованих плям з електропровідного матеріалу обмежує можливості регулювання поглинаючих властивостей покриття в широкому діапазоні радіохвиль. В основу винаходу покладена задача шляхом зміни складу та взаєморозташування частин створити таке тонке радіопоглинаюче покриття, яке придатне для використання в широкому діапазоні радіочастот. Поставлена задача вирішена тим, що радіопоглинаюче покриття згідно з винаходом містить щонайменше один діелектричний шар і щонайменше один шар з електропровідного матеріалу, який нанесений на вказаний діелектричний шар і має товщину менше глибини скін-шару, що характерна в обраному матеріалі в певному заздалегідь обраному діапазоні радіочастот. Діелектричний шар забезпечує електричну ізоляцію шару з електропровідного матеріалу від поверхні, на яку повинно бути нанесене покриття. Шар з електропровідного матеріалу, якщо його товщина менша характерної глибини скін-шару, забезпечує часткове поглинання та відбиття падаючого на нього електромагнітного випромінювання. При цьому підбором товщини шару з електропровідного матеріалу можна забезпечити щонайменше 50% поглинання потужності нормально падаючого електромагнітного випромінювання в широкому діапазоні радіохвиль. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що радіопоглинаюче покриття містить кілька пар 93293 4 зазначених шарів, що чергуються, при цьому перший діелектричний шар щільно прилягає до поверхні виробу, що захищається, а кожен шар з електропровідного матеріалу має товщину менше глибини скін-шару, що характерна в обраному матеріалі в певному заздалегідь обраному діапазоні радіочастот. Використання двох або більше пар шарів, кожна з яких містить діелектричний шар і шар з електропровідного матеріалу, дозволяє варіювати коефіцієнт відбиття. Дійсно, регулювання кількості пар вказаних шарів і складу і/або товщини і/або електропровідності різних шарів з електропровідного матеріалу при умові, що кожен такий шар має товщину менше глибини скін-шару, що характерна для обраного електропровідного матеріалу в заданому діапазоні радіочастот, дозволяє суттєво підвищити сумарну поглинаючу здатність і, відповідно, суттєво знизити відбиваючу здатність радіопоглинаючого покриття в цілому. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що в багатошаровому покритті товщини шарів з електропровідних матеріалів поступово зменшуються у міру видалення від поверхні виробу, на яку нанесено покриття. Дійсно, відбивання від шару з електропровідного матеріалу зменшується, якщо зменшується його товщина. Відповідно, можна додатково знизити відбивання від такого радіопоглинаючого покриття. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що в багатошаровому покритті електропровідності шарів з електропровідних матеріалів поступово зменшуються по мірі віддалення від поверхні виробу, на яку нанесено покриття. Дійсно, відбивання від шару з електропровідного матеріалу зменшується, якщо зменшується його електропровідність. Відповідно, можна додатково знизити відбивання від такого радіопоглинаючого покриття. Четверта додаткова відмінність полягає в тому, що в багатошаровому покритті щонайменше найближчий до поверхні виробу, що захищається, шар з електропровідного матеріалу виконаний електричне зв'язним. Це дозволяє поглинати в одному шарі не менше 50% падаючої на нього потужності радіохвиль. П'ята додаткова відмінність полягає в тому, що в багатошаровому покритті щонайменше найбільш віддалений від поверхні виробу, що захищається, шар з електропровідного матеріалу виконаний у вигляді електрично не зв'язних острівців. Такі острівкові шари при нормальному падінні електромагнітної хвилі практично аналогічні діелектрикам по відбиваючій здатності, однак зберігають здатність активно поглинати радіохвилі. При цьому їх коефіцієнт відбиття практично стабільний аж до довжин хвиль, порівнянних з лінійними розмірами острівців, що суттєво розширює діапазон довжин хвиль випромінювання, що поглинається. Шоста додаткова відмінність полягає в тому, що радіопоглинаюче покриття має додатковий зовнішній діелектричний шар. Цей шар не тільки захищає підлягаючий шар з електропровідного матеріалу від повітряно-краплинної корозії, але й покращує узгодження коефіцієнта відбиття на по 5 верхні розділу між повітрям та радіопоглинаючим покриттям в цілому. Далі сутність винаходу пояснюється описом конструкції і способу виготовлення запропонованого покриття (включаючи перелік необхідних вихідних матеріалів) з посиланнями на прикладені креслення, де зображені на: Фіг.1 - покриття, що містить один діелектричний шар та один шар з електропровідного матеріалу; Фіг.2 - покриття, що містить дві пари основних шарів, кожен з яких містить один діелектричний шар та один шар з електропровідного матеріалу, та додатковий зовнішній захисний діелектричний шар Фіг.3 - шар з острівців із електропровідного матеріалу на діелектричній підкладенці (вигляд у плані). Запропоноване радіопоглинаюче покриття в загальному випадку (див. Фіг.1) містить щонайменше один діелектричний шар 1 і щонайменше один шар 2 з електропровідного матеріалу, який нанесений на вказаний діелектричний шар 1 і має товщину менше глибини скін-шару, що характерна для обраного електропровідного матеріалу в заданому діапазоні радіочастот. Діелектричний шар 1, якщо покриття має тільки два зазначені шари, щільно прилягає до поверхні 3 виробу, що захищається. Переважно, якщо радіопоглинаюче покриття містить кілька пар зазначених шарів, що чергуються, як це показане на Фіг.2. При цьому перший діелектричний шар 1а щільно прилягає до поверхні 3 виробу, що захищається, а кожен шар 2 з електропровідного матеріалу (зокрема шар 2а і шар 2б) має товщину менше глибини скін-шару, що характерна для обраного електропровідного матеріалу в заданому діапазоні радіочастот. У окремих варіантах втілення винаходу можливе поступове зменшення товщини і/або електропровідності шарів 2 (зокрема шар 2а і шар 2б на Фіг.2) з електропровідних матеріалів по мірі віддалення від поверхні 3 виробу, на яку нанесено покриття. Бажано, щоб в багатошаровому радіопоглинаючому покритті: щонайменше найближчий до поверхні 3 виробу, що захищається, шар 2 з електропровідного матеріалу (зокрема шар 2а на Фіг.2) був виконаний електричне зв'язним і щоб щонайменше найбільш віддалений від поверхні 3 виробу, що захищається, шар 2 з електропровідного матеріалу (зокрема шар 2б на Фіг.2) був виконаний у вигляді електрично не зв'язних острівців. В останньому випадку (див. Фіг.3) острівці 2 з електропровідного матеріалу можуть мати поперечні розміри менше 1мкм і товщину менше 10нм (що характерно, наприклад, для магнетронного напилювання золота або міді). Це дозволяє без суттєвих змін поглинати випромінювання з частотою до 300ГГц. Крім того, навіть двохшарове (і, тим більше, багатошарове) радіопоглинаюче покриття може 93293 6 мати додатковий зовнішній діелектричний шар 4, який, зокрема, показний на Фіг.2. Матеріалами для виготовлення будь якого діелектричного шару 1 можуть слугувати досить різноманітні діелектрики, починаючи від чистих карболанцюгових полімерів типу поліетилену або поліпропілену й закінчуючи електроізоляційною керамікою. Основна вимога до вибору таких матеріалів обумовлена технологією їх нанесення. Зокрема, вони повинні бути придатні: або для напилювання (як порошки поліетилену й поліпропілену), або для намазування як можна більш тонким шаром (як, наприклад, порцелянові пасти), або, що особливо переважно, для прямого формування на контактній поверхні шляхом вакуумного напилювання (як оксиди, наприклад, оксид алюмінію, або оксид кремнію). Мінімальна товщина будь-якого діелектричного шару 1 залежить від рельєфу й шорсткості поверхні, на яку повинно бути нанесено покриття (тобто поверхні 3 виробу, що захищається, або будь-якого попереднього шару 2 з електропровідного матеріалу). Електропровідний матеріал може бути: легованим напівпровідником (наприклад, легованим германієм, кремнієм і т.д.) сплавом металів (наприклад, латунню, бронзою і т.д.), а переважно чистим металом (наприклад, міддю, титаном, сріблом, золотом і т.д.). Кращий спосіб нанесення запропонованого радіопоглинаючого покриття містить наступні основні операції: а) внесення виробу, поверхня якого повинна бути покрита, у вакуумну камеру, б) термовакуумне або іонно-плазмове напилювання першого діелектричного шару 1, в) також термовакуумне або іонно-плазмове напилювання першого електропровідного шару 2 товщина якого менше глибини скін-шару в обраному матеріалі в певному заздалегідь обраному діапазоні радіочастот, г) повторення операцій (а) і (б), якщо необхідно сформувати багатошарове покриття, д) нанесення додаткового діелектричного шару 4, якщо це передбачено, і е) вивантаження покритого виробу з вакуумної камери. Цей спосіб забезпечує мінімальну сумарну товщину (в інтервалі 0,1-10мкм) покриття та мінімальну витрату матеріалів. Для перевірки того, що винахід може бути реалізований, був проведений ряд експериментів по виміру радіопоглинаючих властивостей зразків покриттів, які містили: щонайменше один діелектричний шар 1 з поліетилену високого тиску з відносною діелектричною проникністю 2,3-2,4, та тангенсом діелектричних втрат менше 10-3 і товщиною менше 1мм і щонайменше один електропровідний шар з електропровідного матеріалу з електротехнічної міді (чистотою більше 99%) товщиною від 5нм до 15нм. 7 Шар міді був нанесений методом іонноплазмового (магнетронного) напилювання на установці, яка була створена на основі промислового вакуумного посту ВУП-5 [http://iontecs.ru/index.php?id=70]. Електропровідний шар 2 товщиною від 10нм до 15нм має електричну зв'язність. При зниженні товщини менше ніж 10нм (переважно до 8нм і, бажано, не менше ніж 5нм) електропровідний шар 2 здобуває вигляд електричне не зв'язних острівців, як це показане на Фіг.3. При цьому глибина скін-шару міді на частоті випромінювання 38ГГц приблизно дорівнює 1мкм, що суттєво перевищує товщину кожного з нанесених на зразки шарів міді. Електричну зв'язність електропровідних шарів перевіряли шляхом безпосереднього виміру провідності на його поверхні за допомогою вольтметру В7-38 [http://www.iais.ru/v7-38.html]. Зразки з шарами міді товщиною від 10нм та більше мали високу поверхневу електричну провідність, а у зразків із шарами міді товщиною менше ніж 10нм провідність не була зареєстрована. Радіопоглинаючі властивості зразків перевіряли в такий спосіб. Зразки поміщали у відрізок 8-мм короткозамкненого хвилеводу (розміри 7,23,4мм2) поперек його геометричної осі, повністю перекриваючи канал. Відбиваючі та поглинаючі властивості покриттів виміряли, коли зразок своєю діелектричною поверхнею щільно прилягав до металевої поверхні короткозамкненого кінця хвилеводу, а хвилевід був підключений до панорамного вимірювача КСХН (коефіцієнта стоячої хвилі по напрузі) моделі Р2-65 [http://www.mprofit.ru/item376.htm]. Вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі (КСХН) у діапазоні радіочастот від 25,2 до 37,5ГГц дали такі результати: При товщині шару міді від 5нм до приблизно 8нм, що відповідало випадку електричне незв'язних острівців міді, значення КСХН коливалися в інтервалі від 30 до 18, причому мали приблизно однакове значення у всьому зазначеному діапазоні радіочастот. Такі значення КСХН у перерахуванні на коефіцієнт відбиття відповідають відбиттю потужності радіовипромінювання від поверхні зразків від 90% (при КСХН=30) і до 80% (при КСХН=18). При товщині електричне зв'язного шару міді від 10нм до 15нм значення КСХН коливалися в інтервалі від 4 до 6, причому мали приблизно од 93293 8 накове значення у всьому зазначеному діапазоні радіочастот. Такі значення КСХН у перерахуванні на коефіцієнт відбиття відповідають відбиттю потужності радіовипромінювання від поверхні зразків від 35% (при КСХН=4) і до 50% (при КСХН=6). Зразки з електропровідним шаром 2 в вигляді електричне незв'язних острівців міді були випробувані також при підключенні відрізка хвилеводу зі зразком до погодженого навантаження. В цих випадках КСХН був менший 2 у всьому зазначеному діапазоні радіочастот, що приблизно відповідає відбиттю від зразка, який виготовлений з чистого діелектричного матеріалу (поліетилен високого тиску). В одному з експериментів у відрізок хвилеводу були одночасно поміщено два зразки, кожен з яких був попередньо досліджений по описаній вище методиці. Перший зразок мав електричне зв'язаний шар міді товщиною не менше 10нм і КСХН в інтервалі від 3 до 4 у всьому зазначеному діапазоні радіочастот, що відповідало відбиттю менше ніж 35% потужності. Другий зразок мав шар міді у вигляді електричне не зв'язаних острівців товщиною біля 8нм і КСХН біля 18, що відповідало відбиттю біля 80% потужності. Розташування двох зазначених зразків у хвилеводі відповідало показаному на Фіг.2 багатошаровому покриттю (за виключенням зовнішнього діелектричного шару 4). При цьому електропровідний шар 2а міді, найближчій до металевої поверхні 3 короткозамкненого кінця хвилеводу, був електричне зв'язним. А другий електропровідний шар 26, віддалений від цієї поверхні 3 мав вигляд електричне не зв'язаних острівців. Вимірювання відбиваючих властивостей такого багатошарового зразка дали значення КСХН від 1,3 до 2,2 у всьому зазначеному діапазоні радіочастот, що відповідало відбиттю біля 10% потужності і, відповідно, поглинанню біля 90%. Покриття згідно винаходу можна легко виготовити на підприємствах, що мають вакуумне обладнання для термовакуумного або іонноплазмового напилювання покриттів. Пропоноване покриття при набагато меншій товщині в порівнянні з відомими радіопоглинаючими покриттями демонструє помітний ефект поглинання падаючого електромагнітного випромінювання на більш високих частотах. 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 93293 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601