ES2310738T3 - Absorbedor de radiacion electromagnetica. - Google Patents
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Abstract
Un absorbedor de radiación electromagnética para absorber radiación en la gama de longitud de onda de Lambda min a Lambda max, que comprende una capa conductora en contacto con una capa dieléctrica, en donde la capa conductora incluye dos conjuntos ortogonales de hendiduras paralelas en una disposición de enrejado doble, teniendo dichas hendiduras una dimensión inferior a la longitud de onda y siendo el grosor del absorbedor menor de Lambda min/4n, en donde n es el índice de refracción del dieléctrico, y en donde el absorbedor es flexible.
Description
Absorbedor de radiación electromagnética.
La invención se refiere al campo de dispositivos
absorbedores o atenuadores de radiación electromagnética y, más
específicamente, se refiere al campo de absorbedores de radiación
por microondas.
Los materiales absorbedores de radiación
electromagnética (RAMs) son útiles en una serie de aplicaciones.
Por ejemplo, las reflexiones de trayectoria múltiple de señales de
TV pueden provocar la formación de dobles imágenes. Unos
materiales, tales como azulejos de ferrita, que puedan atenuar la
radiación reflejada pueden mejorar la calidad de señal.
En los aeropuertos las señales de radar de
vigilancia se reflejan desde los edificios del aeropuerto dando
como resultado emisiones de radar secundarias dispersas. Para
reducir estas emisiones secundarias algunos edificios de
aeropuertos (por ejemplo, el World Cargo Centre en el Aeropuerto de
Heathrow, UK) está cubierto de materiales absorbentes de radar.
Un uso adicional de los RAMs es en la industria
de automoción. Los diseños actuales y futuros de coches incluyen a
menudo hoy en día un sistema de radar basado en un coche para ayudar
en las maniobras de aparcamiento y vigilar las distancias de
separación del coche mientras está en ruta (es decir, sistemas de
aviso de colisión). Generalmente, sólo se desean retornos de línea
recta desde el coche que está delante/detrás y, por ello, se
emplean revestimientos absorbedores para reducir las reflexiones
espurias.
Dos sistemas absorbedores de radiación comunes
son las pantallas Salisbury (véase US 2599944) y las disposiciones
basadas en pintura magnética.
Una pantalla Salisbury es esencialmente un
material disipativo, tal como fibra de carbono, que típicamente se
mantiene con una separación de un cuarto de longitud de onda
respecto de una superficie de respaldo metálica mediante un
material separador dieléctrico. Esta disposición adolece de ser
voluminosa y difícil de aplicar a objetos de geometría compleja.
Para una aplicación aeroportuaria típica la radiación en cuestión
tiene una longitud de onda en el espacio libre de aproximadamente
30 cm ofreciendo un grosor de hasta 7,5 cm para la pantalla (el
grosor exacto depende de los índices de reflexión de los materiales
constituyentes).
Las disposiciones de pintura magnética
comprenden generalmente una superficie de respaldo metálica cubierta
con una capa de pintura magnética. Esta disposición no es tan
gruesa como una pantalla Salisbury, pero es pesada.
El documento GB 2 236 472 propone una
disposición absorbedor adicional de ranuras discretas en una capa
conductora.
Por tanto, es un objeto de la invención
proporcionar un material absorbedor de radiación electromagnética
que supere o mitigue sustancialmente los problemas asociados con los
sistemas de la técnica anterior, particularmente los de peso,
tamaño y flexibilidad.
En la presente solicitud se describe un
absorbedor de radiación electromagnética para absorber radiación en
la gama de longitud de onda de \lambda_{min} a
\lambda_{max}, que comprende una capa dieléctrica emparedada
entre unas capas conductoras primera y segunda, en donde la primera
capa conductora lleva una pluralidad de aberturas de dimensión
inferior a la longitud de onda y en donde el grosor del absorbedor
es menor de \lambda_{max}/4n, en donde n es el índice de
refracción del dieléctrico.
Debe observarse que las referencias anteriores a
la longitud de onda lo son a longitud de onda en vacío.
Por lo tanto, se proporciona una estructura
multicapa que actúa como un dispositivo absorbedor de radiación.
Unas capas conductoras primera y segunda emparedan un núcleo
dieléctrico. Una de las capas conductoras contiene una serie de
hendiduras de dimensión inferior a la longitud de onda (es decir,
menos de \lambda_{min} en al menos una dimensión) que exponen
el núcleo dieléctrico a la atmósfera.
Debe observarse que las capas conductoras no
tienen que estar en contacto directo con el núcleo dieléctrico. Por
ejemplo, puede haber una capa de adhesivo delgada u otro material
que las separe.
Cualquier material que tenga una respuesta
metálica en las longitudes de onda electromagnéticas de interés
puede usarse como material conductor. El grosor de tal material debe
ser tal que sea al menos parcialmente opaco a las longitudes de
onda objetivo (esto se determina por cálculos de profundidad del
forro que serán conocidos para el experto). Por ejemplo, para
aplicación de microonda las capas conductoras tendrían un grosor
generalmente del orden de 5 micras y más.
Cuando una radiación de cierta longitud de onda
incide sobre la primera capa conductora, es absorbida por la
estructura multicapa. La estructura multicapa es menor de un cuarto
de longitud de onda en su grosor total y, por tanto, es más delgada
y ligera en comparación con los sistemas de la técnica anterior y
bastante menos voluminosa que las pantallas Salisbury. Asimismo, se
la puede diseñar de tal manera que sea flexible, permitiendo su
aplicación a superficies curvadas.
La estructura antes descrita proporciona dos
capas conductoras para formar el absorbedor. Sin embargo, en casos
en los que el material se ha de aplicar a una superficie metálica
(por ejemplo, un coche), entonces únicamente se necesitan la
primera capa conductora y la capa conductora dado que la estructura
metálica misma actuará como la segunda capa de núcleo tan pronto
como el material sea aplicado a la estructura.
Por tanto, según un aspecto de la invención se
proporciona un absorbedor de radiación electromagnética para
absorber radiación en la gama de longitud de onda \lambda_{min}
a \lambda_{max}, que comprende una capa conductora en contacto
con una capa dieléctrica, en donde la capa conductora incluye dos
conjuntos ortogonales de hendiduras paralelas en una disposición de
enrejado doble, teniendo dichas hendiduras una dimensión inferior a
la longitud de onda y siendo el grosor del
absorbedor menor de \lambda_{min}/4n, en donde n es el índice de refracción del dieléctrico, y en donde el absorbedor es flexible.
absorbedor menor de \lambda_{min}/4n, en donde n es el índice de refracción del dieléctrico, y en donde el absorbedor es flexible.
De manera conveniente, el absorbedor también
absorberá radiación cuando su grosor sea bastante menor de un
cuarto de longitud de onda de la radiación incidente. Por ejemplo,
la radiación será absorbida en los casos en los que el grosor del
material sea equivalente a 1/10, 1/100 o incluso unas pocas 1/1000
de la longitud de onda de la radiación incidente, y, en un aspecto
adicional, se proporciona un absorbedor de radiación
electromagnética para absorber radiación en la gama de longitud de
onda de \lambda_{min} a \lambda_{max}, que comprende una
capa conductora en contacto con una capa dieléctrica, en donde la
capa conductora incluye una pluralidad de hendiduras de dimensión
inferior a la longitud de onda, en donde el grosor del absorbedor es
menor de \lambda_{min}/100.
La disposición de hendiduras en la primera capa
conductora afecta a la longitud de onda o longitudes de onda de la
radiación absorbida por la estructura. Preferiblemente, la
disposición de hendiduras es periódica.
Preferiblemente, la disposición de hendiduras
comprende hendiduras paralelas. Se ha determinado por los inventores
que para una disposición de hendiduras paralelas la radiación de
longitud de onda \lambda será absorbida según la siguiente
relación:
\lambda_{N}
\approx \
2nG/N
en donde \lambda es la longitud
de onda en la gama de \lambda_{min} a \lambda_{max} en la
que tiene lugar la máxima absorción, n es el índice de refracción
del núcleo, G es la separación entre hendiduras y N es un entero
(\geq 1). Nota: se asume que las hendiduras son estrechas en
comparación con la longitud de onda. Se supone además que la
radiación está linealmente polarizada de tal manera que el vector de
campo eléctrico está orientado perpendicular al eje de la hendidura
(es decir, su longitud): por definición, típica en este campo de
investigación, si el plano de incidencia es paralelo a la hendidura,
entonces la radiación debe estar TE-(s-)-polarizada
(vector eléctrico perpendicular al plano de incidencia); si el plano
de incidencia es paralelo al plano de la hendidura entonces la
radiación estar ser TM-(p-)-polarizada (vector
eléctrico dentro del plano de
incidencia).
Puede verse por la anterior relación que la
longitud de onda de la radiación que es absorbida está relacionada
linealmente con la separación G entre hendiduras y también el índice
de refracción del núcleo. La variación de cualquiera de estos
parámetros permitirá que una longitud de onda específica sea
absorbida por la estructura.
Asimismo, se puede ver que la radiación también
será absorbida en una serie de longitudes de onda correspondientes
a valores diferentes de N.
Esta ecuación es una aproximación que es
sumamente precisa cuando la anchura del núcleo es igual a la anchura
de la hendidura. Si se disminuye la anchura de la hendidura,
entonces existe un desplazamiento gradual de la resonancia hacia
longitudes de onda más largas (estando relacionado el desplazamiento
exacto con la relación entre la anchura de la hendidura y el grosor
del núcleo).
Ha de observarse también que sólo valores
impares de N dan lugar a resonancias si se hace que incida la
radiación sobre la estructura con una incidencia normal.
La energía es disipada tanto por el núcleo como
-hasta cierto grado- por los chapados metálicos y de ahí que las
permitividades y permeabilidades de estos materiales sean parámetros
importantes en el proceso de diseño.
Con el fin de eliminar cualquier dependencia de
la orientación azimutal de la muestra con relación a la radiación
incidente, la primera capa metálica comprende dos conjuntos
ortogonales de hendiduras paralelas (una disposición de "enrejado
doble"). Esto también tiene la ventaja de reducir efectos de
polarización. Con un solo conjunto de hendiduras paralelas (una
disposición de "enrejado sencillo") únicamente se absorbe una
polarización lineal para cualquier orientación (es decir, el estado
de polarización con la componente de campo eléctrico perpendicular
a la dirección de las hendiduras). Sin embargo, la disposición de
enrejado doble absorbe ambas polarizaciones.
Para hendiduras "anchas" (esto es, una
anchura de hendidura comparable a la longitud de onda de la
radiación incidente) la longitud de onda de absorción varía según
el ángulo bajo el cual incide la radiación en la superficie de la
primera capa metálica. A medida que disminuye la anchura de
hendidura, entonces se hace menos pronunciada la dependencia
angular. Por ello, las hendiduras son preferiblemente delgadas en
comparación con la longitud de onda de la radiación que se ha de
absorber.
Para longitudes de onda \lambda
correspondientes y muy cercanas a la región de microondas del
espectro electromagnético (por ejemplo, \lambda s generalmente en
la gama de milímetros a metros), las anchuras de hendidura son
entonces típicamente menores de 400 micras y preferiblemente menores
de 50 micras.
De manera conveniente, el material elegido para
uso en el núcleo es capaz de alterar su índice de refracción con el
fin de controlar las longitudes de onda de radiación que se han de
absorber. Por ejemplo, puede usarse como núcleo un material
cristalino líquido dispersado en polímero. Si la estructura
absorbedora está dispuesta de tal manera que pueda aplicarse una
tensión a través del material de núcleo, su índice de refracción
puede alterarse y las longitudes de onda absorbidas se desplazarán
de manera convenida.
Las disposiciones anteriores son esencialmente
absorbedores de banda estrecha (por ejemplo, para una estructura de
enrejado sencillo basada alrededor de un núcleo de polímero común
con una separación entre hendiduras de aproximadamente 10 mm y un
anchura de hendidura de 3 mm, se absorbe radiación en la gama de
28-35 mm [\lambda_{min} a \lambda_{max}]
con una absorción máxima a 32 mm).
Sin embargo, si se varía la separación entre
hendiduras a través de la superficie de la primera capa metálica,
entonces la absorción tendrá lugar en una gama más amplia de
longitudes de onda. La introducción de hendiduras curvadas, rizadas
o inclinadas inducirá así unas bandas operativas con una longitud de
onda más amplia.
Un RAM según la invención puede incorporarse en
una gama de estructuras, por ejemplo en edificios para reducir
reflexiones de radar y en coches.
El RAM según esta invención puede construirse de
tal manera que sea flexible. Si está respaldada por un material
adhesivo, puede aplicarse a cualquier superficie de interés con la
forma de una cinta o película aplicada. La capacidad de construir
un absorbedor muy delgado (con relación a la longitud de onda de la
radiación que se ha de absorber) significa que éste puede moldearse
efectivamente en cualquier superficie.
Un uso adicional para el RAM según la invención
incluye envases de comidas para microondas, que podría sintonizarse
para absorber microondas y, por tanto, actuar como elementos de
calentamiento.
Un RAM según la presente invención podría usarse
también en un sistema de etiquetado. Por ejemplo, el absorbedor
podría aplicarse a una superficie según un patrón similar a un
código de barras. Irradiando la superficie con radiación que se
sabe va a ser absorbida por el RAM se revelaría entonces la
presencia del patrón de "código de barras". Alternativamente,
una serie de "guadañadas" de RAM, sintonizadas cada una de
ellas a una longitud de onda diferente, podrían disponerse sobre un
artículo que se ha de etiquetar para formar un código de
etiquetaje.
Cuando la invención comprende una estructura de
tres capas (esto es, capa de
metal-dieléctrico-metal), es
posible además construir una estructura selectiva en frecuencia
disponiendo una pluralidad de estructuras de hendiduras de
dimensión inferior a la longitud de onda en la segunda capa
conductora, así como en la primera capa conductora. Esta estructura
actúa como un filtro de banda estrecha y la longitud de onda de la
radiación transmitida puede variarse alterando la alineación
relativa de las formaciones de hendiduras sobre las dos superficies
conductoras.
Se describen a continuación realizaciones de la
invención a modo de ejemplo únicamente y con referencia a los
dibujos anexos, en los que:
La figura 1 muestra una representación básica de
un absorbedor de radiación electromagnética según la presente
invención.
La figura 2 muestra otro absorbedor adicional
según la presente invención.
La figura 3 muestra una gráfica de coeficiente
de reflexión en función de longitud de onda para la estructura de
la figura 2 con una estructura de hendiduras de enrejado
sencillo.
La figura 4 muestra la pérdida de reflexión en
dB frente a la longitud de onda para una disposición de hendiduras
de enrejado sencillo.
La figura 5 muestra una gráfica de reflexión
fraccionaria frente a longitud de onda para una disposición de
hendiduras de enrejado doble.
La figura 6 muestra una disposición de
hendiduras para absorción de banda ancha.
La figura 7 muestra una gráfica de reflexión
fraccionaria frente a longitud de onda para la disposición de
hendiduras de la figura 6.
Volviendo a la figura 1, un material absorbedor
de radiación electromagnética de capas múltiples comprende una
primera capa conductora 1 y una segunda capa conductora 3. Los
conductores 1, 3 emparedan un núcleo dieléctrico 5.
La primera capa conductora 1 tiene una serie de
hendiduras de separación 7 y un anchura 9.
En un ejemplo de un absorbedor construido para
uso como un absorbedor de microondas el grosor de cada una de las
capas conductoras de cobre 1 y 3 era de 18 micras y el grosor del
dieléctrico era aproximadamente de 360 micras. La separación entre
las hendiduras era de 10 mm y la anchura de hendidura, de
50-400 micras. Tal construcción conduce a absorción
a aproximadamente una longitud de onda de 40 mm. Debe observarse que
el grosor total del material (aproximadamente 400 micras) es de
cerca de 1/100 de la longitud de onda de la radiación
incidente.
La figura 2 muestra otro ejemplo de un
absorbedor de radiación según la presente invención. En este caso
unas capas de cobre 11 y 13 emparedan una capa de poliéster 15. La
capa de cobre superior 11 contiene una disposición 12 de
hendiduras.
La estructura de la figura 2 se construyó
depositando autocalíticamente la capa de cobre 11 sobre la capa de
poliéster 15. Se empleó un material sensibilizante 17 para promover
la reacción de deposición. Una capa de adhesivo 19 une la capa de
poliéster 15 a la capa de cobre inferior 13.
En el ejemplo la capa de cobre construida y
probada 11 tenía un grosor de 1,5-2 micras, la capa
sensibilizante 17 tenía un grosor de aproximadamente
3-4 micras, la capa de poliéster 15 tenía un grosor
de aproximadamente 130 micras, la capa adhesiva 19 tenía un grosor
de aproximadamente 60 micras y la capa de cobre inferior tenía un
grosor de 18 micras.
Se ensayaron muestras diferentes del material de
la figura 2. La figura 3 muestra los resultados para una estructura
de hendiduras de enrejado sencillo con un paso de 10 mm. Se puede
ver una brusca cubeta de absorción a aproximadamente 32 mm. En este
punto el coeficiente de reflexión es de aproximadamente
0,003-0,004.
La figura 4 muestra la pérdida de reflexión en
dB frente a la longitud de onda para una disposición de hendiduras
de enrejado sencillo sobre una muestra en la que el grosor total era
de aproximadamente 0,5 mm y las capas conductoras (cobre en este
caso) tenían ambas un grosor de aproximadamente 0,1 mm. La anchura
de hendidura era de 0,3 mm y el paso de las hendiduras era de 10
mm. La radiación incidía a 20 grados respecto de la superficie del
material. (Nota: un ángulo azimutal de cero implica que el plano de
incidencia es perpendicular a la dirección de las hendiduras).
Puede verse que la orientación del absorbedor
con relación a la polarización de la radiación incidente afecta a
las propiedades absorbedores de la muestra. Cuando la componente
eléctrica de la radiación incidente es perpendicular a la dirección
de las ranuras (es decir, radiación TE-polarizada
con un azimut de 90 grados), entonces existe una fuerte absorción.
Cuando ésta es paralela, no existe absorción.
La figura 5 muestra una gráfica de reflexión
fraccionaria frente a longitud de onda. En este caso la estructura
de hendiduras es una disposición de enrejado doble. El material
mismo tiene aproximadamente las mismas dimensiones que en la figura
4 y ambos conjuntos de hendiduras paralelas tienen un paso de 10 mm.
Puede verse que la orientación azimutal del material no tiene ahora
efecto sobre las propiedades absorbentes del material.
La figura 6 muestra una disposición de
hendiduras diseñada para ampliar la banda de onda sobre la cual
tiene lugar la absorción. Aquí todas las segundas hendiduras de una
disposición de enrejado sencillo están torcidas ligeramente. Un
resultado similar podría obtenerse para líneas curvadas de
separación periódicamente oscilante. Las dimensiones son las que
siguen: a=20mm, b=15mm y c=45cm.
La figura 7 muestra los resultados de la
disposición de la figura 6 como una gráfica de reflexión
fraccionaria frente a longitud de onda. Comparada con una
disposición de enrejado doble, la absorción tiene lugar en una gama
mucho más amplia de longitudes de onda.
Aunque los ejemplos anteriores se refieren a la
absorción de longitudes de onda de milimétricas a centimétricas, el
experto apreciará que los principios anteriores pueden aplicarse con
diferentes estructuras de hendiduras y grosores de capa con el fin
de producir un material absorbedor electromagnético que pueda
absorber radiación en otras partes del espectro electromagnético,
por ejemplo infrarrojo, ondas de radio, etc.
Claims (14)
1. Un absorbedor de radiación electromagnética
para absorber radiación en la gama de longitud de onda de
\lambda_{min} a \lambda_{max}, que comprende una capa
conductora en contacto con una capa dieléctrica, en donde la capa
conductora incluye dos conjuntos ortogonales de hendiduras paralelas
en una disposición de enrejado doble, teniendo dichas hendiduras
una dimensión inferior a la longitud de onda y siendo el grosor del
absorbedor menor de \lambda_{min}/4n, en donde n es el índice de
refracción del dieléctrico, y en donde el absorbedor es
flexible.
2. Un absorbedor de radiación electromagnética
según la reivindicación 1, que incluye una segunda capa conductora
en contacto con la capa dieléctrica, opuesta a dicha capa conductora
que incluye dichos conjuntos de hendiduras.
3. Un absorbedor de radiación electromagnética
según las reivindicaciones 1 o 2, en donde el grosor del absorbedor
es menor de \lambda_{min}/10.
4. Un absorbedor de radiación electromagnética
según cualquier reivindicación precedente, en donde el grosor del
absorbedor es menor de \lambda_{min}/100.
5. Un absorbedor de radiación electromagnética
según cualquier reivindicación precedente, en donde las estructuras
de hendiduras son de naturaleza periódica.
6. Un absorbedor de radiación electromagnética
según cualquier reivindicación precedente, en donde las estructuras
de hendiduras están curvadas.
7. Un absorbedor de radiación electromagnética
según cualquier reivindicación precedente, en donde la longitud de
onda \lambda de la radiación absorbida viene determinada por
\lambda_{N}
\approx \
2nG/N
en donde \lambda es la longitud
de onda en la gama de \lambda_{min} a \lambda_{max} en la
que tiene lugar la máxima absorción, n es el índice de refracción
del dieléctrico, G es la separación entre las hendiduras y N es un
entero mayor o igual que
1.
8. Un absorbedor de radiación electromagnética
según cualquier reivindicación precedente, en donde la anchura de
hendidura es menor de 400 micras.
9. Un absorbedor de radiación electromagnética
según la reivindicación 8, en donde la anchura de hendidura es
menor de 50 micras.
10. Un absorbedor de radiación electromagnética
según cualquier reivindicación precedente, en donde el índice de
refracción del dieléctrico puede variarse activamente.
11. Una cinta o película adhesiva que comprende
un absorbedor de radiación electromagnética según cualquier
reivindicación precedente.
12. Un sistema de etiquetado que comprende un
absorbedor electromagnético según se reivindica en cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 10.
13. Un absorbedor de radiación electromagnética
para absorber radiación en la gama de longitud de onda de
\lambda_{min} a \lambda_{max}, que comprende una capa
conductora en contacto con una capa dieléctrica, en donde la capa
conductora incluye una pluralidad de hendiduras paralelas de
dimensión inferior a la longitud de onda, en donde el grosor del
absorbedor es menor de \lambda_{min}/100 y en donde el
absorbedor es flexible.
14. Un absorbedor de radiación electromagnética
según la reivindicación 13, que incluye una segunda capa conductora
en contacto con la capa dieléctrica, opuesta a dicha capa conductora
que incluye una pluralidad de hendiduras.
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