xхiii mнтк „адп-2014” слоистые поглотители электромагнитного

XХIII MНТК „АДП-2014”
СЛОИСТЫЕ ПОГЛОТИТЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ С АНОДНЫМ ОКСИДОМ АЛЮМИНИЯ И
ТОНКОЙ ПЛЕНКОЙ МЕТАЛЛА
Игор Врублеский, Катерина Чернякова, Валентин Видеков,
Ахмед Али Абдуллах Аль-Дилами
Аннотация: Представлены результаты исследования частотных зависимостей
коэффициентов отражения и ослабления радиопоглощающих трехслойных структур
LiNbO3–Al2O3 с тонкой пленкой нихрома. Обнаружены резонансные пики на частотной
характеристике отражения с минимумами –9,7 дБ при 9,2 ГГц и –11,5 дБ при 12 ГГц.
Рассчитаны коэффициенты поглощения электромагнитного излучения в диапазоне частот
6–18 ГГц.
Ключевые слова: электромагнитное излучение, многослойный
коэффициент отражения, резонансное поглощение, анодный оксид алюминия.
поглотитель,
1. Введение
В настоящее время вопросам обеспечения электромагнитной безопасности уделяется
повышенное внимание. Например, для эффективного функционирования устройств СВЧ
нужно исключить или локализовать СВЧ энергию, излучаемую соседними элементами
радиоаппаратуры. Длительное воздействие СВЧ-излучения на организм человека оказывает
отрицательное воздействие на мозг, сосуды, кровь, зрение, провоцирует образование
опухолей. Вот почему важно обеспечить безопасный уровень излучения, используя для этого
специальные технические методы и средства.
Эффективным способом для снижения уровня электромагнитного излучения является
использование радиопоглощающих материалов. Как показано в [1], создание поглотителя
ЭМИ с минимальной толщиной может быть реализовано только на основе многослойной
структуры. Поэтому, разработка слоистых поглотителей ЭМИ, имеющих минимальный
уровень отражения в заданном диапазоне частот является актуальной технической задачей.
В работе изучали радиопоглощающие характеристики трехслойной структуры,
состоящей из пластины ниобата лития (LiNbO3) и пластины анодного оксида алюминия
(Al2O3) с напыленной пленкой нихрома. Выбор ниобата лития обусловлен его высокой
диэлектрической проницаемостью,   38 [2], что необходимо для создания слоистой
структуры с изменяющейся . Диэлектрическая проницаемость анодного оксида алюминия
составляет 8 [3].
2.Экспериментальная часть
Для получения пленок нанопористого оксида алюминия в экспериментах использовали
алюминиевую фольгу (99,99 % чистоты) толщиной 100 мкм (AlfaAesar). Анодирование
алюминия проводили в 0,3 М водном растворе щавелевой кислоты в гальваностатическом
режиме (напряжение на участке стационарного роста 60 В). Для получения пластин
нанопористого оксида алюминия остаточный слой алюминия удаляли в селективном
травителе на основе CuCl2 и HCl.
На одну из сторон пластины пористого оксида алюминия методом ионно-лучевого
испарения наносили слои нихрома с удельным поверхностным сопротивлением 12,4 Ом/□.
Пластины ниобата лития имели толщину 1,2 мм, пластины нанопористого оксида алюминия
– 70 ± 5 мкм.
168
XХIII MНТК „АДП-2014”
Характеристики исследуемых трехслойных структур в диапазоне частот 6…18 ГГц
определяли с помощью панорамного измерителя ослабления и коэффициента стоячей волны
по напряжению (КСВН) Я2Р-67. При измерениях образцы зажимали между фланцами
волноводов прибора. Такой способ регистрации спектров при малой толщине образцов
считали эквивалентным использованию измерительной ячейки.
3. Результаты и обсуждение
Спектры отражения: На рис. 1 приведена частотная зависимость коэффициента
отражения ЭМИ для исследуемого образца.
Структура поглотителя: LiNbO3, толщина 1,2 мм, анодный Al2O3, толщина 70 мкм, слой
NiCr 12,4 Ом/□.
Рис. 1. Частотная зависимость коэффициента отражения (Котр) для трехслойной структуры LiNbO3–Al2O3
с тонким слоем нихрома.
Как видно из рисунка 1, спектр отражения образца характеризовался наличием
областей высокого отражения со значениями коэффициентов R не более –3 дБ в диапазоне
частот 6,0–7,5 ГГц, 11,5 и 14,0–16,0 ГГц и двух областей уменьшения R с минимумами при
9,2 ГГц (R=–9,7 дБ) и при 12,0 ГГц (R=–11,5 дБ). Из оптики известно, что если коэффициент
преломления верхнего диэлектрического слоя больше коэффициента преломления нижнего
слоя (случай нашего образца), то в такой системе наблюдается высокий коэффициента
отражения. В то же время в спектрах отражения таких диэлектрических слоистых систем на
определенных частотах (кратным целому числу длин полуволн) возникают резонансные
минимумы коэффициента отражения из-за эффекта многократного отражения от различных
слоев. Также известно, что в поглотителе с двухслойной структурой и металлическим слоем
169
XХIII MНТК „АДП-2014”
при толщинах металлического слоя более 0,1 мкм реализуются фазовые условия для
возникновения четвертьволнового резонанса [4]. Поэтому можно сделать вывод, что
минимумы на спектре отражения образца являются резонансными.
Изучение двух частотных минимумов отражения (R) показало, что если для длины
волны принять значение для первого минимума 3,28 см (частота 9,2 ГГц), то второй
минимум 2,5 см (частота 12,0 ГГц) расположен на расстоянии четверть длины волны
(0,82 см) от первого. Следовательно, резонансный минимум при 9,2 ГГц на спектре
отражения относиться к полуволновому резонансу, а минимум при 12,0 ГГц к
четвертьволновому резонансу. Следует отметить, что коэффициент отражения (R) на частоте
четвертьволнового резонанса имел более глубокий минимум (R=–11,5 дБ), чем на частоте
полуволнового резонанса (R=–9,7 ГГц), что также хорошо согласуется с [4].
Структура поглотителя: LiNbO3, толщина 1,2 мм, анодный Al2O3, толщина 70 мкм (1), толщина 140 мкм (2),
слой NiCr 12,4 Ом/□.
Рис. 2. Частотные зависимости коэффициентов отражения (Котр) для трехслойной структуры LiNbO3–
Al2O3 с тонким слоем нихрома с различной толщиной анодного Al 2O3.
С точки зрения конструкции поглотителя важно знать, как влияет толщина внутренней
пластины анодного Al2O3 на положение резонансного минимума на спектре отражения.
Поэтому в работе было исследовано влияние толщины внутреннего слоя Al2O3 на спектр
отражения многослойной структуры.
На рис. 2 приведены частотные зависимости коэффициента отражения слоистого
поглотителя для двух толщин пластины анодного Al2O3: 70 и 140 мкм. Как видно из рисунка
2, увеличение толщины внутреннего слоя Al2O3 незначительно сдвигало резонансный
минимум с частоты 9,2 ГГц до 9,0 ГГц без изменения значения его амплитуды. Такой
170
XХIII MНТК „АДП-2014”
результат можно объяснить тем, что оптическая (волновая) толщина слоя LiNbO3
(произведение n D) значительно больше оптической толщины слоя анодного Al2O3 и поэтому
толщина слоя LiNbO3 в первую очередь влияет на фазовые условия для резонанса.
Спектральный коэффициент ослабления: На рис. 3 приведена частотная зависимость
коэффициента ослабления для исследуемого образца. Как видно из рисунка, образец имел
минимальное значение коэффициента ослабления ~18,5 дБ при 9,47 ГГц. Значения
коэффициентов ослабления на частоте полуволнового резонанса (9,2 ГГц) и
четвертьволнового резонанса (12,0 ГГц) были на уровне 19,4 дБ и 24,2 дБ соответственно.
Структура поглотителя: LiNbO3, толщина 1,2 мм, анодный Al2O3, толщина 70 мкм, слой NiCr 12,4 Ом/□.
Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента ослабления для трехслойной структуры LiNbO3–Al2O3 с
тонким слоем нихрома.
Потери ЭМИ: Эффективность поглощения ЭМИ для исследуемого образца была
оценена с использованием следующего выражения.
Р потери
Р вход

 S21  S11
2
2

где Рпотери – потери мощности ЭМИ в поглотителе, Рвход – мощность ЭМИ на входе
поглотителя, S11 – коэффициент отражения ЭМИ от поглотителя, S21 – коэффициент
пропускания ЭМИ поглотителем.
Результаты расчета значений Рпотери/ Рвход для исследуемого поглотителя приведены на
рис. 4.
171
XХIII MНТК „АДП-2014”
Структура поглотителя: LiNbO3, толщина 1,2 мм, анодный Al2O3, толщина 70 мкм, слой NiCr 12,4 Ом/□.
Рис. 4. Частотная зависимость относительных потерь ЭМИ для трехслойной структуры LiNbO3–Al2O3 с
тонким слоем нихрома.
Из рисунка видно, что на частотах полуволнового и четвертьволнового резонанса
многослойная структура поглотителя обеспечивала потерю не менее 90% мощности ЭМИ. В
области частот 8,2–10,0 ГГц и 12,0–13,0 ГГц потери мощности ЭМИ достигали не менее
80%.
4. Выводы:

Результаты
исследований
показывают
перспективность
использования
трехслойных структур LiNbO3–Al2O3 с тонкой пленкой NiCr для создания
высокоэффективных поглотителей ЭМИ на частотах полуволнового и
четвертьволнового резонанса. Достоинством таких слоистых поглотителей
является возможность задавать частоты резонанса и значений максимумов
поглощения ЭМИ путем соответствующего выбора толщины пластины LiNbO3.

Предложенные радиопоглощающие слоистые структуры могут быть
использованы
для
обеспечения
электромагнитной
совместимости
радиоэлектронных средств и защиты биологических объектов от воздействия
микроволнового излучения.
Литература:
1.
О.С. Островский, Е.Н. Одаренко, А.А. Шматько / ФІП ФИП PSE. – 2003. –Т. 1. –
№ 2. – C. 161-173.
2.
Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейно оптический кристалл ниобата
лития / Ю.С. Кузьминов. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. – 264 С.
172
XХIII MНТК „АДП-2014”
3.
4.
I. Vrublevsky, A. Jagminas, J. Schreckenbach, W.A. Goedel / Electrochimica Acta. –
2007. – Vol. 53. – P. 300–304.
Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, А.В. Абрамов, А.С. Боголюбов / Физика волновых
процессов и радиотехнические системы. – 2006, – Т. 9, № 3, – C. 59–63.
LAYERED ABSORBERS OF ELECTROMAGNETIC RADIATION WITH ANODIC
ALUMINA AND A THIN FILM OF METAL
Igor Vrublevsky, Katerina Chernyakova, Valentin Videkov, Ahmed Ali Abdullah Al-Dilami
Abstract: The results of research of frequency dependences of coefficients of reflection and
transmission of radioabsorbing three-layer structures LiNbO3–Al2O3 with a thin film of nichrom
are given. The resonance peaks on the reflection characteristic with a maximum of –9,7 dB at a
frequency of 9,2 GHz and –11,5 dB at 12 GHz are found. The coefficients of absorption of
electromagnetic radiation of studied three-layer structure in the range of frequencies of 6-18 GHz
are calculated.
Keywords: electromagnetic radiation, layered absorber, reflection coefficient, resonant
absorption, anodic alumina.
Сведения об авторах:
Игорь А. Врублевский, к.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник НИЧ Белорусского
государственного университета информатики и радиоэлектроники, Беларусь, Минск, ул. П.
Бровки, 6, e-mail: vrublevsky@bsuir.edu.by
Катерина В. Чернякова, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник НИЧ Белорусского
государственного университета информатики и радиоэлектроники, Беларусь, Минск, ул. П.
Бровки, 6, e-mail: katerinach_85@mail.ru
Валентин Христов Видеков, к.т.н, доцент, преподаватель Технического университета –
Софии, Р. България, София, бул. “Кл. Охридски” № 8, тел.: 02-9653101, е-mail: videkov@tusofia.bg
Ахмед Али Абдуллах Аль-Дилами, аспирант кафедры Защита информации
Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, Беларусь,
Минск, ул. П. Бровки, 6, e-mail: hamad2011@mail.ru
173