Khi sử dụng các vật liệu hấp thụ từ là các chất dẫn điện, ví dụ: Fe và hợp kim của Fe thì trong RAS cộng hưởng khơng cần có thành phần dẫn điện. Đối với các loại vật liệu phân cực từ không dẫn điện như các loại ferit từ, các phức cabonyl của Fe, Ni, Co thường được phối trộn với các chất dẫn điện dạng sợi hay các polyme dẫn diện để tạo mạch cộng hưởng.
Mỗi loại vật liệu từ hoặc vật liệu điện môi chỉ hấp thụ năng lượng vi sóng tại một dải tần số nhất định tuỳ thuộc vào cấu trúc và tính chất của vật liệu [6] như các hợp kim từ, các hợp kim sắt từ, các phức chất cacbonyl của Fe, Ni, Co có khả năng hấp thụ năng lượng trong dải tần số thấp (2 – 9 GHz)[13], các vật liệu ferit có cấu trúc spinel và vật liệu có cấu trúc dạng perovskite có khả năng hấp thụ trong dải tần số cao hơn (8 – 12 GHz) [31, 74, 75]. Khả năng phản xạ bức xạ sóng điện từ của cấu trúc này phụ thuộc vào độ đồng nhất của bề mặt tiếp xúc, mật độ và độ phân bố các thành phần cộng hưởng và các thành phần có chức năng như là điện trở trong cấu trúc cộng hưởng.
1.2.3. Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ dạng màn chắn Salisbury
RAS dạng màn được Salisbury tìm ra. Cấu trúc của màn chắn Salisbury là một lớp vật liệu hấp thụ điện đặt cách bề mặt kim loại nền một khoảng các
/4. Giữa lớp hấp thụ điện thường có một lớp vật liệu có cấu trúc xốp hoặc
vật liệu hấp thụ từ [17] (hình 15). Các lớp vật liệu composite hấp thụ có độ dầy xác định và có kết cấu như sau:
Polyme nền là các loại nhựa tổng hợp như polyeste, epoxy, polyurethan, cao su tổng hợp .v.v.
Các vật liệu dẫn điện như graphit, cacbon, kim loại; các vật liệu điện môi; polyme dẫn điện và các vật liệu điện ly rắn dạng bột được phân tán trong polyme dưới dạng pigment [3, 5].
Trong cấu trúc hấp thụ sóng salisbury, khi lớp trung gian giữa màn chắn và mặt kim loại là các vật liệu từ sẽ làm tăng khả năng và mở rộng dải tần hấp thụ.
Cấu trúc hấp thụ màn chắn Salisbury được sử dụng chế tạo RAM dưới dạng vật liệu che chắn như vải nguỵ trang. Vật liệu polyme sử dụng là cao su tổng hợp được phối trộn các vật liệu dẫn điện và các chất bán dẫn làm tăng độ dẫn điện của vật liệu và tăng độ suy giảm của sóng điện từ [75, 77, 78]. Khả năng hấp thụ bức xạ điện từ của kết cấu Salisbury phụ thuộc rất nhiều vào tính chất dẫn điện và cấu trúc của các chất độn. Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ của vải phủ keo cao su với cùng một chất độn C nhưng khác nhau tính chất vật lý và phương pháp chế tạo cho vật liệu có khả năng hấp thụ vi sóng khác nhau (bảng1.11) [67], kết quả được đo tại tần số 9.375GHz, độ dầy lớp vải 1 mm /4 EM A B C Hình 1.5: Kết cấu màn chắn Salisbury A: Lớp hấp thụ điện B: Lớp hấp thụ từ hoặc vật liệu xốp C: Bề mặt kim loại
Bảng 1.11: Ảnh hưởng cấu trúc và hàm lượng C đến khả năng hấp thụ vi sóng của vật liệu cao su neopren.
Tỷ lệ thành phần (phần khối lượng) Độ phủ của keo (g/ft2) Độ suy giảm tín hiệu(db) neopren Graphit C (Từ acetylen) C (Từ lò nung) 100 51.2 8.3 0.6 100 51.2 15.0 1.6 100 51.2 17.1 1.9 100 60.5 15.4 2.3 100 20.5 7.6 2.9 100 20.5 8.1 3.1 100 60.5 27.3 3.3 100 51.2 3.7 4.0 100 80 17.4 5.4 100 34.1 10.3 7.1 100 80 6.4 7.3 100 23.5 16.5 7.4 100 60.5 10.6 8.0 100 80.0 29.2 8.9
Từ kết quả cho thấy khả năng hấp thụ của vật liệu còn phụ thuộc thành phần và tỷ lệ chất độn dẫn điện trong cấu trúc composite.
Trên cơ sở RAS kiểu màn chắn Salisbury, Woo Seok Chin and Dai Gil Lee đã được áp dụng chế tạo RAM trong dải X (8.2 – 12.4 GHz) có thành phần là sợi thuỷ tinh loại E, polyeste được gia cường bằng cacbon dẫn điện nanotube [76]. Vật liệu composite có độ dầy 2.93 mm hấp thụ 90% năng lượng. Khi lớp phân cách được chế tạo từ các vật liệu PU hay EP xốp độn cacbon dẫn điện nano làm tăng khả năng hấp thụ và làm giảm độ dầy vật liệu [67, 75].
1.2.4. Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ đa lớp (cấu trúc Jaumann)
Cấu trúc hấp thụ năng lượng sóng dạng đa lớp được kết cấu từ các vật liệu điện môi, vật liệu từ có hằng số điện môi hoặc từ thẩm khác nhau tạo thành những lớp vật liệu có tính chất điện, từ khác nhau nằm xen kẽ, đan xen trên bề mặt kim loại (hình 1.6).
Khi bức xạ vi sóng truyền qua lớp thứ nhất sẽ được phản xạ một phần (3 - năng lượng phản xạ) và truyền qua phần còn lại (P3 – năng lượng truyền qua). Quá trình các tia bức xạ truyền qua các lớp vật liệu năng lượng của nó sẽ bị tổn hao bằng 2 cách: hấp thụ và tán xạ năng lượng. Tuy nhiên nếu lớp đầu tiên có tính chất phản xạ sóng điện từ cao sẽ gây phản tác dụng, dó đó tính chất điện và tính chất từ và độ dẫn điện của từng lớp phải được kiểm sốt chặt chẽ. Nhóm tác giả Zidek đã sử dụng cấu trúc đa lớp chế tạo RAM trong dải 2 – 18 GHz trên cơ sở composite nhựa epoxy và các hạt từ, hạt sắt từ và chất điện mơi. Mỗi lớp có tính chất điện thẩm, hệ số điện môi, độ dẫn điện và giá trị từ thẩm khác nhau có tác dụng triệt tiêu một dải tần số xác định [13, 14, 15, 50]. Cấu tử có tính chất dẫn điện được bố trí dạng ziczac để giảm thiểu khả năng phản xạ bức xạ điện từ.
Để tăng hiệu suất hấp thụ của vật liệu, cấu trúc hấp thụ đa lớp được thiết kế thành kiểu chóp nón trên bề mặt [31]. Kết cấu hấp thụ bề mặt dạng
Hình 1.6: Cấu trúc hấp thụ đa lớp b b a Lớp (1) 1 µ1 1 Lớp (2) 2 µ2 2 Lớp (3) 3 µ3 3 N ền KL
chóp nón cịn mở rộng góc tới của tia bức xạ vi sóng. Kích thước của các đỉnh chóp phụ thuộc vào bước sóng (Hình 1.7). Tuy nhiên, cấu trúc tạo chóp chỉ thích hợp khi gia cơng các tấm hấp thụ, đối với các hệ sơn phủ, các lớp vật liệu được bố trí tạo thành mạch cộng hưởng của 2 hay nhiều lớp triệt tiêu bức xạ [54, 82]. Vật liệu hấp thụ có cấu trúc đa lớp đã được tính tốn tối ưu cho cấu trúc 02 lớp vật liệu, độ dầy tối ưu của từng lớp phụ thuộc vào tính chất từ và tính chất điện mơi của vật liệu từng lớp [52, 80]. Tuỳ theo tính chất điện và từ của từng lớp thì mỗi lớp phải đạt độ dày xác định khi đó vật liệu mới tạo mạch cộng hưởng tăng hệ số hấp thụ nhiều lần.
Do mỗi lớp vật liệu có tính chất điện và từ khác nhau nên dải tần số cộng hưởng hấp thụ của từng lớp khác nhau. Do đó, kết cấu hấp thụ đa lớp thích hợp để chế tạo RAM có dải hấp thụ rộng [42].
1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ GIẢM THIỂU KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CỦA RADAR ĐIỆN TỪ GIẢM THIỂU KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CỦA RADAR
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của đài radar và sự phản xạ sóng điện từ trên
EM
B
Nền KL
Hình 1.7: Kết cấu đa lớp dạng chóp nón trên bề mặt A - Lớp chất tổn hao điện môi hấp thụ dạng xốp A - Lớp chất tổn hao điện môi hấp thụ dạng xốp B - Lớp chất tổn hao từ
Q trình truyền sóng và phản xạ EW của radar được mơ tả trong hình 1.8. Bức xạ EW được truyền đi từ đài đập vào bề mặt kim loại phản hồi quay trở lại đài radar, sóng phản hồi có thể là sóng phản xạ hoặc tia nhiễu xạ.
Hình 1.8: Q trình truyền (a) và phản xạ (b) sóng radar
Khi tia phát xạ đập vào bề mặt vật liệu sẽ có hiện tượng phản xạ sóng trên bề mặt vật liệu. Năng lượng của tia phản xạ phụ thuộc chủ yếu vào diện tích phản xạ hiệu dụng, tức là phụ thuộc vào hình dạng và góc tới của bề mặt phản xạ. Góc phản xạ hiệu dụng đạt giá trị cực đại khi bề mặt phản xạ là mặt phẳng (hình 1.9). Quá trình phản xạ quay trở lại vị trí ban đầu của các bức xạ điện từ ít nhất phải qua 2 lần phản xạ. Quá trình truyền sóng trong khơng gian sẽ làm tổn hao năng lượng, tia bức xạ EW trở về đài radar phải có cường độ xác định để đài radar có thể nhận biết và cường độ bức xạ điện từ quay trở lại phụ thuộc vào diện tích phản xạ hiệu dụng. Giá trị năng lượng tối thiểu của bức xạ điện từ quay trở lại để radar nhận biết là thông số độ nhậy của đài. Ngày nay, kỹ thuật số đã được ứng dụng chế tạo các đài radar có độ nhậy caonhưng giới hạn phát hiện của radar với mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng là >1m2
.
a Sóng radar truyền trong khơng gian
Một hiện tượng khác xảy ra khi bức xạ EW đập vào bề mặt kim loại sẽ tạo ra sóng lan truyền trên bề mặt kim loại và được phát xạ quay lại tại đường biên của kim loại. Đây là hiện tượng nhiễu xạ sóng. Q trình nhiễu xạ sóng xảy ra trên bề mặt kim loại có đường biên khơng liên tục. Bề mặt kim loại là vật liệu dẫn điện tốt, quá trình lan truyền EW trên bề mặt kim loại tuân theo phương trình Maxwell. Theo Maxwell, tổng vecto điện trường sẽ vng góc với bề mặt kim loại và đạt giá trị cực đại tại khoảng cách /4 tính từ bề mặt phản xạ và tổng các vectơ từ trường đạt giá trị cực đại trên bề mặt kim loại.
Vector điện trường trên bề mặt kim loại
Vector điện trườngvng góc bề mặt kim loại đạt giá trị cực đại
Vector điện điện trường song song bề mặt kim loại bằng 0, E=0
Sự phân cực bề mặt vật liệu dưới tác động của điện trường
Hình 1.9: Góc phản xạ và sự phản xạ EM trên bề mặt vật liệu Hiện tượng phản xạ Hiện tượng phản xạ
Hình 1.10: Điện, từ trường của sóng điện từ tác động trên bề mặt kim loại Quá trình lan truyền EW trên bề mặt làm phân cực vật liệu. Điểm bị phân cực mạnh nhất là tại các bờ cạnh của vật liệu (ví dụ cánh máy bay, hình 1.11, 1.12) và tại tại ví trí này phát ra các tia bức xạ - tia nhiễu xạ. Tuy nhiên, phương trình Maxwell chỉ áp dụng cho trường hợp sóng ngang. Fresnel đã chứng minh rằng, giữa điện trường và từ trường của EW ln có sự tương hỗ. Trong phần từ trường ln có một phần điện trường và trong phần điện trường ln có một phần từ trường. Tác dụng của điện, từ trường EW làm vật liệu bị phân cực, monen phân cực tổng của nó vng góc với bề mặt vật liệu .
Hình 1.11: Hiện tượng phân cực của vật liệu dưới tác dụng của điện trường Quá trình nhiễu xạ diễn ra song song với quá trình phản xạ và theo nhiều hướng và góc của tia tới bằng góc của tia nhiễu xạ tại các bờ cạnh vật liệu (hình 1.12). Các tia nhiễu xạ được phát ra tại các đường biên vật liệu
Vecto điện trường E=0
Vector từ trường (H) song song bề mặt kim loại, H=max Vector từ trường vng góc bề mặt
kim loại có giá trị H=0
Vector từ trường (H) trên bề mặt kim loại.
(cạnh cánh máy bay) theo nhiều hướng khác nhau và góc tia nhiễu xạ bằng góc tia tới.
Hình 1.12: Góc phát xạ của tia nhiễu xạ tại bờ cạnh vật liệu
Các nghiên cứu đã khẳng định, năng lượng sóng phản xạ về đài radar chủ yếu là do những tia nhiễu xạ.
1.3.2. Cơ sở lý thuyết của vật liệu hấp thụ sóng điện từ
Trên bề mặt vật liệu kim loại ln có điện, từ trường của sóng lan truyền. Vecto từ trường vng góc với bề mặt kim loại, vecto từ trường luôn song song với bề mặt và đạt giá trị cực đại trên bề mặt. Khi phủ lên bề mặt kim loại một lớp vật liệu hấp thụ từ hoặc chất điện môi sẽ làm biến đổi năng lượng từ trường hoặc năng lượng điện trường của sóng lan truyền dẫn đến giảm cường độ sóng phản hồi [6]. Mặt khác, khi có lớp vật liệu điện môi và vật liệu từ trên bề mặt sẽ làm giảm quá trình phản xạ trở về và tăng khả năng tán xạ bức xạ điện từ. Khả năng hấp thụ năng lượng sóng phụ thuộc vào tính chất điện và tính chất từ của vật liệu.
Tia tới Tia nhiễu xạ
b
a Tia nhiễu xạ
Tia phản xạ Tia tới
1.3.3. Nguyên tắc chế tạo vật liệu hấp thụ sóng điện từ
Vật liệu hấp thụ sóng radar (RAM) được chế tạo ra với mục đích làm giảm sự phát hiên của hệ thống trinh sát radar. Các loại RAM có tác dụng làm giảm và triệt tiêu năng lượng EW bằng các vật liệu có tính chất tổn hao năng lượng điện từ lớn: tổn hao điện hoặc tổn hao từ [32, 71]. Tính chất tổn hao điện, từ của vật liệu phụ thuộc vào tần số của EW và phụ thuộc vào hằng số điện môi tương đối (R) hoặc giá trị điện thẩm tương đối (R) của vật liệu. Bức xạ EW đập vào bề mặt vật liệu sẽ có hiện tượng phản xạ hoặc nhiễu xạ quay trở lại. Vật liệu RAM có tác dụng giảm thiểu tối đa khả năng phản xạ và phát xạ trở lại của bức xạ EW. Nguyên tắc triệt tiêu năng lượng của bức xạ trên bề mặt vật liệu có 02 hướng: triệt tiêu năng lượng từ hoặc điện trường. Do đó, vật liệu sử dụng chế tạo RAM có khả năng tổn hao điện hoặc từ trường lớn.
Theo các kết quả phân tích điện từ trường trên bề mặt vật liệu phản xạ thì từ trường của tia nhiễu xạ đạt giá trị cực đại trên bề mặt của vật liệu phản xạ và cường độ của điện trường đạt giá trị cực đại tại khoảng cách /4 (: độ dài bước sóng) (hình 1.14).
Hình 1.13: Điện, từ trường của sóng điện từ trên bề mặt vật liệu Điện trườngđạt cựcđại tại Điện trườngđạt cựcđại tại
khoảng cách /4
Từ trườngđạt cựcđại trên bề mặt vật liệu
Cấu trúc của vật liệu hấp thụ EW được dựa trên cơ sở tổn hao điện và tổn hao từ của vật liệu và có đặc tính sau:
1. Vật liệu tổn hao điện là các vật liệu có giá trị tổn hao tan cao được đặt cách bề mặt phản xạ khoảng cách là /4 [45, 68, 71]. Các vật liệu tổn hao điện thường là:
- Các chất điện mơi đặc biệt có tan cao.
- Các vật liệu composite trên cơ sở các vật liệu polyme hữu cơ và các chất độn dẫn điện như graphit, bột kim loại.
- Các polyme dẫn điện. - Các chất điện ly rắn.
2. Vật liệu tổn hao từ là các vật liệu có giá trị tổn hao từ cao được phủ lên bề mặt của vật liệu phản xạ [32, 44]. Các vật liệu tổn hao từ thường là các vật liệu có tính chất sắt từ có giá trị từ thẩm tương đối cao và tổn hao dòng Eddy lớn. Các vật liệu tổn hao từ thường là: - Hợp kim Fe từ dạng bột.
- Phức cacbonyl Fe từ
- Các ferit từ: spinel, garnet ...
Ngoài ra, để giảm thiểu năng lượng của các tia phản xạ, một dạng cấu trúc khác của vật liệu EWA là cấu trúc xốp. Các cấu trúc xốp của vật liệu EWA thường sử dụng chế tạo các vật liệu RAM có bước sóng dài.
1.4. VẬT LIỆU HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ RADAR
RAM được áp dụng trong lĩnh vực nguỵ trang hấp thụ sóng radar có tác dụng bao phủ bề mặt kim loại làm suy giảm khả năng phản hồi của bức xạ điện từ phát ra từ đài radar. Các đặc điểm và tính chất quan trọng của lớp phủ hấp thụ sóng điện từ:
- Tần số làm việc: Dải tần số mà vật liệu dao động hấp thụ, có thể đơn hoặc đa đỉnh hấp thụ; hấp thụ dải rộng.