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DE3936195C2 - Struktur zur Absorption elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Struktur zur Absorption elektromagnetischer Wellen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Struktur zur Absorption von elek­ tromagnetischen Wellen, insbesondere im Frequenzband zwischen 8 und 12 GHz.
Es ist bekannt, daß gewisse Polymere als Absorber für elek­ tromagnetische Wellen verwendet werden können; solche Angaben finden sich beispielsweise bei A. Feldblum et al.: "Microwave Properties of Low-Density Polyacetylene" in "Journal of Poly­ mer Science: Polymer Physics Edition", Vol. 19, S. 173-179, (1981).
Untersucht wurden die Absorptionseigenschaften des Polyacety­ lens, des Polyparaphenylens und des Polythiophens gegenüber Wellen, deren Frequenzen zwischen 100 MHz und 10 GHz liegen.
Im allgemeinen wird das Problem in folgender Weise schemati­ siert.
Es handelt sich darum, ein bei Umgebungsluft stabiles Mate­ rial zur Verfügung zu stellen, das auch stabil in einem Tem­ peraturbereich zwischen -100°C und +100°C ist und dessen ef­ fektive Leitfähigkeit τ, wenn man sich an die Literatur hält, gegen 10-2 (Ohm . cm)-1 tendieren soll; seine Empfindlich­ keit gegenüber Temperaturänderungen soll gering sein und seine relative Dielektrizitätskonstante ε gegenüber Luft so nahe wie möglich beim Wert 1 liegen, um die Absorption der auftreffenden Welle maximal und ihre Reflexion an der Auf­ trefffläche fast null werden zu lassen.
Die genannten Polymere, insbesondere wenn sie dotiert sind, um den Leitfähigkeitsbedingungen zu genügen, entsprechen aber selbst nicht diesen Bedingungen, insbesondere was einerseits die Stabilität in Luft und bei Temperaturveränderungen und andererseits die Absorptionsfähigkeit betrifft, insbesondere wenn sie vermischt sind, um Monoschichten im Verbund mit Po­ lymeren mit dielektrischen Eigenschaften zu bilden.
Im übrigen existieren im kommerziellen Bereich metallische Verbundpolymere, insbesondere mit Eisenfüllung, die von der Société Emerson et Cumming verkauft werden. Diese Polymere haben den Nachteil, daß sie sehr dicht sind und daß sie ein starkes magnetisches Moment entstehen lassen, was zur Folge hat, daß eine Spitze im Absorptionsspektrum auftritt.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die vor­ genannte Veröffentlichung von A. Feldblum et al. nichts ande­ res als die Verwendungsmöglichkeit gewisser Polymere in rei­ ner oder in dotierter Form als Material zur Absorption von elektromagnetischen Wellen beschreibt. Von dieser Möglichkeit wird bei den nachfolgend beschriebenen bekannten Strahlungs­ absorbern zumindest zum Teil bereits Gebrauch gemacht.
Aus DE 33 07 066 A1 ist als Absorptionsstruktur ein mehr­ schichtiger Faserverbundwerkstoff, also z. B. Aramidfaser-, Glasfaser- oder Carbonfaserwerkstoff, bekannt, in den Füll­ stoffe eingelagert sind, die über seine Dicke derart in Schichten angeordnet sind, daß die elektromagnetischen Wellen in den einzelnen Schichten eine maximale Dämpfung erfahren. Füllstoffe können hierbei z. B. Graphit, Ferrite oder Keramik­ pulver sein.
Aus GB 21 92 756 A1 ist eine zur Tarnung dienende Strahlungs­ absorptionsbeschichtung bekannt, bei der ein Trägermedium (z. B. Polyethylen oder Polypropylen) mit einer niedrigen Di­ elektrizitätskonstanten und einer mit der Dicke der Schicht zunehmenden Dotierungskonzentration von elektrischen Wider­ standsfasern vorgesehen ist, so daß mit zunehmender Dicke die Impedanz abnimmt.
In US 43 53 069 ist ebenfalls eine Strahlungsabsorptionsbe­ schichtung einer metallischen Oberfläche beschrieben, wobei unmittelbar auf der metallischen Oberfläche eine n-dotierte, erste Halbleiterschicht, dann darüber eine zweite Schicht aus p-dotiertem Halbleitermaterial und vorzugsweise darüber noch eine weitere p-dotierte, dritte Halbleiterschicht angeordnet sind. Die erste und zweite Halbleiterschicht lassen sich an eine Spannungsquelle anschließen, so daß das elektrische Ver­ halten der Gesamtbeschichtung geändert werden kann.
In US 37 21 982 ist ein Absorptionskörper für elektromagneti­ sche Strahlung abgehandelt, der um einen Kugelkern herum eine Schicht oder mehrere dicht übereinander liegende Kugelflä­ chenschichten aufweist, wobei der Kugelkern ein nicht magne­ tisierbarer Nichtleiter (z. B. ein Polymerharz) ist und die darum liegende Schicht bzw. zumindest eine der Schichten aus einem auf elektromagnetische Strahlung reagierenden Material (z. B. elektrisch leitend, ferromagnetisch oder magnetisch permeabel) besteht.
Aus US 29 96 709 ist schließlich eine strahlungsabsorbierende Metallfolie bekannt, die zur Erreichung dieser Absorption auf ihrer Oberfläche eine dünne Polymerschicht aufweist, die mit dünnen, zumindest teilweise in Schichtrichtung ausgerichteten Metallblättchen angereichert ist. Für diesen Stand der Tech­ nik gilt somit das gleiche, was bereits im Zusammenhang mit dem aus der Veröffentlichung von A. Feldblum et al. bekannten Stand der Technik gesagt wurde, daß nämlich ein starkes ma­ gnetisches Moment entsteht, welches zu einer oder mehreren ausgeprägten Spitzen im Absorptionsspektrum führt.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Möglich­ keiten zur Gestaltung einer in einer Umgebung mit starken Temperaturveränderungen stabilen strahlungsabsorbierenden Struktur anzugeben, so daß diese über einen bestimmten ge­ wünschten breiten Frequenzbereich, z. B. zwischen 8 und 12 GHz, besonders leistungsfähig ist und darüber hinaus in die­ sem gewünschten Frequenzbereich auch noch einen flach verlau­ fenden Absorptionskoeffizienten ohne ausgeprägte Spitzen und Einbrüche aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Mit einer entsprechend der Erfindung ausgeführten Struktur wird erreicht, daß die Energie einer auftreffenden hochfre­ quenten elektromagnetischen Welle im Inneren dieser Struktur eingegrenzt und somit dort total absorbiert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Struktur nach der Er­ findung ist entsprechend dem Patentanspruch 2 ausgebildet. Dabei liegt die Granulometrie vorzugsweise zwischen 3 µm und 20 µm und insbesondere in der Größenordnung von 5 µm. Der Füllungsgrad liegt zwischen 15% und 25% und insbesondere im Bereich von 19%. Der Polyethylen-Anteil im Polymer liegt in der Größenordnung von 65%.
Eine andere Ausführungsform einer Struktur nach der Erfindung ist entsprechend dem Patentanspruch 8 ausgebildet.
Das isolierende Polymer kann Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM), Acrylnitril, Butadienstyrol, Copolymer-Monomer von Ethylen-Propylen, Hochdruck-Polyethylen, Niederdruck-Poly­ ethylen, Linearketten-Niederdruck-Polyethylen, Polyamid, Po­ lyacrylnitril, Polybutilenterephtalat, Polycarbonat, Poly­ ethylen, Polyether-Etherketon, Polyethylenoxid, Polyethylen­ terephtalat, Polypropylen, Polyphenylenoxid, Polyphenylensul­ fid, Polystyrol, Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC) oder eine fluorierte Verbindung wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) sein.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die beilie­ genden Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen erläu­ tert, die aber nicht als einschränkend anzusehen sind. Es zeigen:
Fig. 1 die Veränderungen des Reflextionsfaktors R verschie­ dener Strukturen nach der Erfindung als Funktion der Fre­ quenz f in GHz,
Fig. 2 eine Darstellung analog zu Fig. 1 für das Gebiet zwi­ schen 8 und 12 GHz, und
Fig. 3 eine Darstellung analog zu Fig. 2 für andere Struktu­ ren nach der Erfindung.
Es wird von einem Material ausgegangen, das es erlaubt, eine Schicht A zu realisieren, deren Verbundstruktur umfaßt:
  • - ein Polymer auf der Basis von Polyethylen und EPDM, wobei der Gewichtsanteil von Polyethylen bei 65% liegt,
  • - eine Nickelpulverdotierung, deren Granulometrie in der Größenordnung von 5 µm liegt, mit einem Dotierungsgrad in der Größenordnung von 24 Volumen-%.
Hergestellt wird auch eine Schicht B, die allein das vorge­ nannte Polymer umfaßt.
Hergestellt wird eine Stapelung von der Ordnung 1 : A1 = ABA, d. h. mit zwei Schichten A mit einer Zwischenschicht B. Diese Stapelung wird auf einer Metallfläche abgeschieden.
Die nachfolgende Tafel gibt die elektrischen und mechanischen Charakteristiken dieser Schichten an: ε ist die relative Di­ elektrizitätskonstante, bezogen auf Luft, µ die relative Per­ meabilität und ρ der spezifische Widerstand.
TAFEL
Hergestellt werden die folgenden Stapelungen:
  • - Ordnung 2 A2 = A1B1A1 mit B1 = BBB
  • - Ordnung 3 A3 = A2B2A2 mit B2 = B1B1B1
  • - Ordnung 4 A4 = A3B3A3 mit B3 = B2B2B2
  • - Ordnung 5 A5 = A4B4A4 mit B4 = B3B3B3.
Die Gesamtdicke dieser Stapelungen liegt immer bei 2250 µm.
Fig. 1 zeigt die Veränderungen des Reflexionsfaktors R bei diesen verschiedenen Stapelungen A1, A2, A3, A4, A5 als Funk­ tion der Frequenz f in GHz.
Fig. 2 zeigt die gleichen Kurven wie Fig. 1, jedoch in größe­ rem Maßstab im Bereich von 8 bis 12 GHz. Man erkennt den Nut­ zen der Stapelung A3 in diesem Frequenzbereich, also insbe­ sondere die Ordnung 3. Diese Stapelung, die eine Dicke von 2,25 mm aufweist, läßt eine Absorption zwischen 90 und 99% zu, was wesentlich besser ist als die der Stapelung A1. Die Wahl der Iterationsordnung ist somit extrem wichtig.
Man realisiert denselben Typ Stapelungen wie vorher mit A'1, A'2, A'3, A'4, A'5 derart, daß die Gesamtdicke der Stapelung gleich 1800 µm wird. Fig. 3 zeigt analog zu Fig. 2 den Nutzen der Stapelung von der Ordnung 3 im Bereich zwischen 8 und 12 GHz.

Claims (9)

1. Struktur zur Absorption von elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Frequenzband von 8 bis 12 GHz, bestehend aus einer dünnen Schichtenfolge An, wobei n gleich oder größer 2 ist, die aus Schichten A aus einem halbleitenden oder dotierten Polymer und aus Schichten B aus einem iso­ lierenden Polymer zusammengesetzt ist, wobei die Schich­ tenfolge An iterativ nach einer der Vorschriften
  • A) 
    An = An-1 Bn-1 An-1 mit
    Bn = Bn-1 Bn-1 Bn-1, A1 = ABA und B1 = BBB
    oder
  • B) 
    An = An-1 Bn-1 An-1 mit
    Bn = An-1 An-1 An-1, A1 = ABA und B1 = AAA
    oder
  • C) 
    An = An-1 Bn-1 An-1 Bn-1 An-1 mit
    Bn = Bn-1 Bn-1 Bn-1 Bn-1 Bn-1, A1 = ABABA, B1 = BBBBB
    oder
  • D) 
    An = An-1 Bn-1 An-1 Bn-1 An-1 mit
    Bn = An-1 An-1 An-1 An-1 An-1 An-1, A1 = ABABA, B1 = AAAAA
    oder
  • E) 
    An = An-1 Bn-1 An-1 Bn-1 mit
    Bn = Bn-1 Bn-1 Bn-1 Bn-1, A1 = ABAB, B1 = BBBB
    oder
  • F) 
    An = An-1 Bn-1 An-1 Bn-1 mit
    Bn = An-1 An-1 An-1 An-1, A1 = ABAB, B1 = AAAA
    oder
  • G) 
    An = An-1 An-1 Bn-1 Bn-1 mit
    Bn = Bn-1 Bn-1 Bn-1 Bn-1, A1 = AABB, B1 = BBBB
    oder
  • H) 
    An = An-1 An-1 Bn-1 Bn-1 mit
    Bn = An-1 An-1 An-1 An-1, A1 = AABB, B1 = AAAA
    aufgestapelt ist.
2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten A eine Verbundstruktur haben, die
  • 1. ein auf Polyethylen und isolierendem Polymer basie­ rendes Polymer, bei dem der Gewichtsanteil von Poly­ ethylen zwischen 55% und 75% liegt, und
  • 2. eine Nickelpulveranreicherung, deren Granulometrie zwischen 1 µm und 20 µm liegt, mit einem Volumen-Fül­ lungsgrad zwischen 5% und 35%
aufweist, und daß die Schichten B durch das gleiche auf Polyethylen und isolierendem Polymer basierende Polymer gebildet sind.
3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulometrie zwischen 3 µm und 20 µm liegt.
4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulometrie in der Größenordnung von 5 µm liegt.
5. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungsgrad zwischen 15% und 25% liegt.
6. Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungsgrad in der Größenordnung von 19% liegt.
7. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyethylen-Anteil im Polymer in der Größenord­ nung von 65% liegt.
8. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten A eine Verbundstruktur haben, die
  • 1. ein Polyethylen enthaltendes isolierendes Polymer, bei dem der Gewichtsanteil von Polyethylen im isolie­ renden Polymer zwischen 55% und 75% liegt, und
  • 2. eine Anreicherung von leitendem Polymer, dessen Gra­ nulometrie zwischen 0,5 µm und 100 µm liegt, mit ei­ nem Anteil zwischen 5% und 90 Volumen-% des isolie­ renden Polymers
aufweist, wobei die Schichten B durch das gleiche isolie­ rende Polymer gebildet sind.
9. Struktur nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Polymer Ethylen-Propylen-Dien-Terpo­ lymer (EPDM), Acrylnitril, Butadienstyrol, Copolymer-Mo­ nomer von Ethylen-Propylen, Hochdruck-Polyethylen, Nie­ derdruck-Polyethylen, Linearketten-Niederdruck-Polyethy­ len, Polyamid, Polyacrylnitril, Polybutilenterephtalat, Polycarbonat, Polyethylen, Polyether-Etherketon, Poly­ ethylenoxid, Polyethylenterephtalat, Polypropylen, Poly­ phenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polystyrol, Poly­ urethan, Polyvinylchlorid (PVC) oder eine fluorierte Verbindung wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist.
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