ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВЫХ СПЕКТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
|
Реферат 3
Введение 5
1 Радиопоглощающие материалы и покрытия. Аналитический обзор 8
2 Описание программы прототипирования 25
3 Моделирование многослойных конструкций в программе CST Microwave Studio 30
3.1. Моделирование радиопоглощающих конструкций на металле 31
3.1.1. Модель расчета 31
3.1.2. Расчет однослойных образцов из магнитных материалов по схеме «на
отражение» 32
3.1.3. Расчет двухслойных конструкций со слоем магнитного материала и
слоем диэлектрика «на отражение» 33
3.1.3.1. Расчет двухслойной конструкции на металле, где первый слой из
феррита BaFe12O19 с МУНТ 34
3.1.3.2. Расчет двухслойных конструкций, где первый слой из феррита FesO4
- 20% с карбонильным железом - 40% 36
3.1.4. Сравнение конструкций одинаковой общей толщиной 39
3.2. Моделирование радиопоглощающих конструкций по схеме «на проход» . 41
3.2.1. Модель для расчета 41
3.2.2. Расчет однослойных образцов из магнитных материалов по схеме «на
проход» 41
3.2.3. Расчет двухслойных конструкций со слоем магнитного материала и
слоем диэлектрика «на отражение» 43
3.2.3.1. Расчет двухслойных конструкций, где первый слой из феррита
BaFe12O19 с МУНТ 45
3.2.3.2. расчет двухслойных конструкций, где первый слой из феррита FesO4
- 20% с карбонильным железом - 40% 48
3.2.4. Сравнение конструкций одинаковой общей толщиной 49
3.3. Радиопоглощающая конструкция в виде подложки с конусами на металле 52
3.4. Моделирование конструкций на основе проволочных структур 55
3.5. Моделирование плоскопараллельных конструкций и экспериментальное
измерение электродинамических характеристик 67
Заключение 72
Список используемых источников 73
Приложение А_Отчет о патентных исследованиях 77
Введение 5
1 Радиопоглощающие материалы и покрытия. Аналитический обзор 8
2 Описание программы прототипирования 25
3 Моделирование многослойных конструкций в программе CST Microwave Studio 30
3.1. Моделирование радиопоглощающих конструкций на металле 31
3.1.1. Модель расчета 31
3.1.2. Расчет однослойных образцов из магнитных материалов по схеме «на
отражение» 32
3.1.3. Расчет двухслойных конструкций со слоем магнитного материала и
слоем диэлектрика «на отражение» 33
3.1.3.1. Расчет двухслойной конструкции на металле, где первый слой из
феррита BaFe12O19 с МУНТ 34
3.1.3.2. Расчет двухслойных конструкций, где первый слой из феррита FesO4
- 20% с карбонильным железом - 40% 36
3.1.4. Сравнение конструкций одинаковой общей толщиной 39
3.2. Моделирование радиопоглощающих конструкций по схеме «на проход» . 41
3.2.1. Модель для расчета 41
3.2.2. Расчет однослойных образцов из магнитных материалов по схеме «на
проход» 41
3.2.3. Расчет двухслойных конструкций со слоем магнитного материала и
слоем диэлектрика «на отражение» 43
3.2.3.1. Расчет двухслойных конструкций, где первый слой из феррита
BaFe12O19 с МУНТ 45
3.2.3.2. расчет двухслойных конструкций, где первый слой из феррита FesO4
- 20% с карбонильным железом - 40% 48
3.2.4. Сравнение конструкций одинаковой общей толщиной 49
3.3. Радиопоглощающая конструкция в виде подложки с конусами на металле 52
3.4. Моделирование конструкций на основе проволочных структур 55
3.5. Моделирование плоскопараллельных конструкций и экспериментальное
измерение электродинамических характеристик 67
Заключение 72
Список используемых источников 73
Приложение А_Отчет о патентных исследованиях 77
Актуальность работы. В настоящее время материалы, эффективно взаимодействующие (поглощающие, отражающие) с электромагнитным излучением (ЭМИ), находят все более широкое применение в СВЧ электронике: снижение радиозаметности военных объектов [1]; создание безэховых камер; для решения задач электромагнитной совместимости; экранирование рабочих мест и биологических объектов от вредного воздействия; защите информации [1,2]. К радиопоглощающим материалам имеется ряд требований, таких как широкополосность, низкий вес, согласованность со свободным пространством, что достигается градиентными или многослойными конструкциями. Разработка методов моделирования и построения многослойных покрытий и экранов является актуальной задачей. В частности, востребованы конструкции, обладающие высокой эффективностью экранирования, что во многом зависит от согласования со свободным пространством, то есть градиентными или многослойными конструкциями. Разработка методов моделирования и построения многослойных покрытий и экранов является актуальной задачей.
Цель магистерской диссертации - методом математического моделирования разработать конструкцию многослойного радиопоглощающего материала для изготовления по аддитивной технологии.
Для достижения указанной выше цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить программный продукт CST Microwave Office.
2. Освоить методику расчета спектров электромагнитного отклика (коэффициентов отражения, прохождения и поглощения) плоских многослойных материалов, и материалов с периодическими структурами.
3. Провести расчет спектров электромагнитного отклика (коэффициентов отражения, прохождения и поглощения) плоских многослойных материалов, и материалов с периодическими структурами.
4. Провести анализ полученных результатов.
5. Подготовить отчет.
Объект исследования - особенности взаимодействия электромагнитного поля с многослойными образцами радиопоглощающего материала.
Предмет исследования - расчетные частотные зависимости (спектры) электромагнитного отклика от многослойной конструкции радиопоглощающего материала.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Двухслойная плоская конструкция со слоем магнитного материала из сорокапроцентного феррита BaFei20i9 с многостенными углеродными нанотрубками концентрацией два процента, толщиной 2 мм, расположенного на металлической поверхности и покрытого слоем ABS пластика с содержанием углерода толщиной 1 мм, обеспечивает величину коэффициента отражения - минус 28 децибел на частоте 7 ГГц с полосой частот от 6 ГГц до 8 ГГц, где величина коэффициента отражения не более минус 10 дБ.
2. Метаповерхность, созданная на основе модели проволочных структур, позволила расширить полосу частот со значением коэффициента отражения - менее минус 10 дБ до 14 ГГц в интервале частот 1 -18 ГГц.
Достоверность представленных научных результатов
Достоверность полученных научных результатов подтверждается использованием адекватной теоретической моделью, которая базируется на классической модели Бреховских и экспериментально полученных исходных электромагнитных параметров, а также выбором в качестве программного продукта CST - Studio.
Научная новизна положений, выносимых на защиту
1. Впервые получены электромагнитные характеристики двухслойной структуры в волноводе на основе магнитного материала, синтезированных в Томском научном центре, полученные в результате расчета по программе CST Microwave Office.
2. Впервые рассмотрены спектры электромагнитных параметров моделей на основе проволочной структуры и с метаповерхностью.
Практическая значимость научных положений, выносимых на защиту
Полученные методом математического моделирования двух- и трехслойные конструкции могут быть построены по аддитивной технологии на 3D принтере и использованы для построения безэховых камер, для защиты биологических объектов. Преимуществом перед ранее разработанными конструкциями является меньший вес изделия в целом.
Научная значимость положений, выносимых на защиту
Методический подход, предлагаемый в данном исследовании, позволяет численно оценить вклад метаповерхности разрабатываемых конструкций из материалов, эффективно взаимодействующих с электромагнитным излучением СВЧ диапазона, в электромагнитный отклик
Апробация работы.
Матлахов В.В. Спектры электродинамических характеристик композиционных материалов, изготовленных по аддитивной технологии/ В.В. Матлахов, Ю.П. Землянухин // Труды четырнадцатой всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов Томск, 17-18 мая 2017 г, с. 6371.
Матлахов В.В. Электромагнитный отклик от многослойного материала, изготовленного по 3D технологии / В.В. Матлахов, А.В. Бадьин // 8-я
Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы радиофизики АПР 2019 Сборник трудов конференции 1-4 октября 2019 года г. Томск с. 191-192.
Матлахов В.В. Моделирование частотных зависимостей электромагнитного отклика от многослойных композиционных материалов / В.В. Матлахов // Современные исследования в области технических и естественных наук Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции г. Белгород, 30 мая 2017 г. С. 21-26
Личный вклад автора состоит в разработке и реализации алгоритмов и моделирующей программы, проведении расчётов и анализе полученных результатов, а также в обсуждении и формулировке основных положений и выводов диссертации.
Цель магистерской диссертации - методом математического моделирования разработать конструкцию многослойного радиопоглощающего материала для изготовления по аддитивной технологии.
Для достижения указанной выше цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить программный продукт CST Microwave Office.
2. Освоить методику расчета спектров электромагнитного отклика (коэффициентов отражения, прохождения и поглощения) плоских многослойных материалов, и материалов с периодическими структурами.
3. Провести расчет спектров электромагнитного отклика (коэффициентов отражения, прохождения и поглощения) плоских многослойных материалов, и материалов с периодическими структурами.
4. Провести анализ полученных результатов.
5. Подготовить отчет.
Объект исследования - особенности взаимодействия электромагнитного поля с многослойными образцами радиопоглощающего материала.
Предмет исследования - расчетные частотные зависимости (спектры) электромагнитного отклика от многослойной конструкции радиопоглощающего материала.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Двухслойная плоская конструкция со слоем магнитного материала из сорокапроцентного феррита BaFei20i9 с многостенными углеродными нанотрубками концентрацией два процента, толщиной 2 мм, расположенного на металлической поверхности и покрытого слоем ABS пластика с содержанием углерода толщиной 1 мм, обеспечивает величину коэффициента отражения - минус 28 децибел на частоте 7 ГГц с полосой частот от 6 ГГц до 8 ГГц, где величина коэффициента отражения не более минус 10 дБ.
2. Метаповерхность, созданная на основе модели проволочных структур, позволила расширить полосу частот со значением коэффициента отражения - менее минус 10 дБ до 14 ГГц в интервале частот 1 -18 ГГц.
Достоверность представленных научных результатов
Достоверность полученных научных результатов подтверждается использованием адекватной теоретической моделью, которая базируется на классической модели Бреховских и экспериментально полученных исходных электромагнитных параметров, а также выбором в качестве программного продукта CST - Studio.
Научная новизна положений, выносимых на защиту
1. Впервые получены электромагнитные характеристики двухслойной структуры в волноводе на основе магнитного материала, синтезированных в Томском научном центре, полученные в результате расчета по программе CST Microwave Office.
2. Впервые рассмотрены спектры электромагнитных параметров моделей на основе проволочной структуры и с метаповерхностью.
Практическая значимость научных положений, выносимых на защиту
Полученные методом математического моделирования двух- и трехслойные конструкции могут быть построены по аддитивной технологии на 3D принтере и использованы для построения безэховых камер, для защиты биологических объектов. Преимуществом перед ранее разработанными конструкциями является меньший вес изделия в целом.
Научная значимость положений, выносимых на защиту
Методический подход, предлагаемый в данном исследовании, позволяет численно оценить вклад метаповерхности разрабатываемых конструкций из материалов, эффективно взаимодействующих с электромагнитным излучением СВЧ диапазона, в электромагнитный отклик
Апробация работы.
Матлахов В.В. Спектры электродинамических характеристик композиционных материалов, изготовленных по аддитивной технологии/ В.В. Матлахов, Ю.П. Землянухин // Труды четырнадцатой всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов Томск, 17-18 мая 2017 г, с. 6371.
Матлахов В.В. Электромагнитный отклик от многослойного материала, изготовленного по 3D технологии / В.В. Матлахов, А.В. Бадьин // 8-я
Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы радиофизики АПР 2019 Сборник трудов конференции 1-4 октября 2019 года г. Томск с. 191-192.
Матлахов В.В. Моделирование частотных зависимостей электромагнитного отклика от многослойных композиционных материалов / В.В. Матлахов // Современные исследования в области технических и естественных наук Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции г. Белгород, 30 мая 2017 г. С. 21-26
Личный вклад автора состоит в разработке и реализации алгоритмов и моделирующей программы, проведении расчётов и анализе полученных результатов, а также в обсуждении и формулировке основных положений и выводов диссертации.
1. В результате анализа литературных источников показано, что тематика диссертационного исследования актуальна. Это подтверждается значительным ростом публикации в последние пять лет.
2. В ходе работы было изучено программное обеспечение CST Microwave Office, освоены навыки моделирования радиопоглощающих конструкций по исходным данным в коаксиальной ячейке.
3. Проведенное математическое моделирование трехкомпонентного композита: сорок весовых процентное карбонильного железа и двадцать процентов феррита Fe3O4 в качестве активной фазы, и связующего - эпоксидная смола, диэлектрическая проницаемость которого не имеет дисперсии и обладает относительно малыми диэлектрическим потерями, но имеет отличную от единицы магнитную проницаемость, показало, что в диапазоне частот 2 - 18 ГГц снижает коэффициент отражения в два раза в полосе 7 - 9 ГГц. Местоположение этой области зависит от толщины слоя. Расчет произведен при размещении композита на металле.
4. Область заметного снижения коэффициента отражения для композита BaFe12O19 - 40% + МУНТ - 2% в эпоксидной матрице для тонких образцов сдвинута в высокочастотную область. Для образцов с толщинами 3 и 4 мм область пониженного коэффициента отражения находится в исследуемой области. Феррит относится к классу высокочастотных материалов, поэтому эффект снижения коэффициента отражения проявился в меньшей степени.
5. В двухслойной конструкции при значении толщины второго слоя 1 мм у образца с толщиной первого слоя 3 мм минимум коэффициента отражения на частоте 11 ГГц при значении амплитуды - минус 30 дБ, а у образца с толщиной первого слоя в 1 мм (точечная линия) минимум коэффициента отражения находится на частоте 8 ГГц на уровне - минус 18 дБ
6. Показано, что коэффициент отражения от образца из магнитного материала, покрытого слоем диэлектрика, общей толщиной 3 мм меньше, чем от однослойного магнитного материала на 20 дБ.
2. В ходе работы было изучено программное обеспечение CST Microwave Office, освоены навыки моделирования радиопоглощающих конструкций по исходным данным в коаксиальной ячейке.
3. Проведенное математическое моделирование трехкомпонентного композита: сорок весовых процентное карбонильного железа и двадцать процентов феррита Fe3O4 в качестве активной фазы, и связующего - эпоксидная смола, диэлектрическая проницаемость которого не имеет дисперсии и обладает относительно малыми диэлектрическим потерями, но имеет отличную от единицы магнитную проницаемость, показало, что в диапазоне частот 2 - 18 ГГц снижает коэффициент отражения в два раза в полосе 7 - 9 ГГц. Местоположение этой области зависит от толщины слоя. Расчет произведен при размещении композита на металле.
4. Область заметного снижения коэффициента отражения для композита BaFe12O19 - 40% + МУНТ - 2% в эпоксидной матрице для тонких образцов сдвинута в высокочастотную область. Для образцов с толщинами 3 и 4 мм область пониженного коэффициента отражения находится в исследуемой области. Феррит относится к классу высокочастотных материалов, поэтому эффект снижения коэффициента отражения проявился в меньшей степени.
5. В двухслойной конструкции при значении толщины второго слоя 1 мм у образца с толщиной первого слоя 3 мм минимум коэффициента отражения на частоте 11 ГГц при значении амплитуды - минус 30 дБ, а у образца с толщиной первого слоя в 1 мм (точечная линия) минимум коэффициента отражения находится на частоте 8 ГГц на уровне - минус 18 дБ
6. Показано, что коэффициент отражения от образца из магнитного материала, покрытого слоем диэлектрика, общей толщиной 3 мм меньше, чем от однослойного магнитного материала на 20 дБ.
