проведено моделювання ефективності екранування перфорованих плівкових багатофункціональних покриттів в залежності від їх конструктивних і структурних параметрів. Виготовлені зразки покриттів на основі перфорованих металевих плівок. Проведено комплексне експериментальне дослідження тестових зразків. Представлено порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних досліджень багатофункціональних покриттів. Дано рекомендації щодо практичного застосування розроблених покриттів.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Мачулянскій А.В., Бабич Б.Б., Мачулянскій В.А.


MATHEMATICAL MODELING OF THE MULTIFUNCTION COATINGS

Modeling of the shielding effectiveness of the perforated film multifunction coatings, depending on their design and structural parameters, was conducted. Samples of the coatings based on the perforated metal film were manufactured. A comprehensive experimental study of the test samples was conducted. The comparative analysis of the experimental and theoretical investigations of the multifunction coatings was presented. The recommendations for the practical application of the developed multifunction coatings were proposed.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2017


    Журнал: Вісник Херсонського національного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ багатофункціональний покриттів'

    Текст наукової роботи на тему «МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ багатофункціональний покриттів»

    ?УДК 535.33

    А.В. МАЧУЛЯНСКІЙ, Б.Б. Бабич, В.А. МАЧУЛЯНСКІЙ

    Національний технічний університет України "КПІ ім. І. Сікорського"

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ багатофункціональний

    покриттів

    Проведено моделювання ефективності екранування перфорованих плівкових багатофункціональних покриттів в залежності від їх конструктивних і структурних параметрів. Виготовлені зразки покриттів на основі перфорованих металевих плівок. Проведено комплексне експериментальне дослідження тестових зразків. Представлено порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних досліджень багатофункціональних покриттів. Дано рекомендації щодо практичного застосування розроблених покриттів.

    Ключові слова: ефективність екранування, перфоровані покриття, оптично прозорі екрани, математичне моделювання, багатофункціональні покриття.

    О.В. МАЧУЛЯНСЬКІЙ, Б.Б. БАБИЧ, В.О. МАЧУЛЯНСЬКІЙ

    Нащональній техшчній ушверсітет Укра1ні "КП1 iM. I. Сжорського"

    Математичне моделювання БАГАТОФУНКЦЮНАЛЬНІХ ПОКРІТТ1В

    Проведено моделювання ефектівностi екранування перфорованій плiвковіх багатофункцюнальніх покріттiв в залежностi вiд Їх конструктивних та структурних параметрiв. Віготовлет зразки покріттiв на основi перфорованій металевих плiвок. Проведено комплексне експериментальне до ^ дження тестових зразюв. Представлено порiвняльній аналіз експериментального i теоретично до ^ джень багатофункцiональніх покріттiв. Дано рекомендації относительно практичного! Застосування розроблення покріттiв.

    Ключовi слова: ефектівтсть екранування, перфороваш покриття, оптично прозорi екрани, математичне моделювання, багатофункцiональнi покриття.

    A.V. MACHULIANSHYI, B.B. BABYCH, V.A. MACHULIANSHYI

    National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky KPI"

    MATHEMATICAL MODELING OF THE MULTIFUNCTION COATINGS

    Modeling of the shielding effectiveness of the perforated film multifunction coatings, depending on their design and structural parameters, was conducted. Samples of the coatings based on the perforated metal film were manufactured. A comprehensive experimental study of the test samples was conducted. The comparative analysis of the experimental and theoretical investigations of the multifunction coatings was presented. The recommendations for the practical application of the developed multifunction coatings were proposed.

    Keywords: shielding effectiveness, perforated coatings, optically transparent screens, mathematical modeling, multifunction coatings.

    Вступ. Аналіз досліджень і публікацій. Постановка проблеми

    Необхідною умовою ефективної роботи електронних пристроїв відображення і захисту інформації, апаратів космічного призначення, об'єктів авіації типу «Стелс», а також світлопрозорих дисплеїв є застосування багатофункціональних покриттів, які дозволяють одночасно вирішувати кілька завдань [1, 2]. Наприклад, такі покриття повинні бути: прозорими у видимій області спектра і виконувати функцію екранування електромагнітного випромінювання в НВЧ діапазоні. Серед відомих методів реалізації таких покриттів, що володіють вищезгаданими властивостями, основним є застосування перфорованих дротяних екранів. Однак недоліками таких екранів є несумісність з мікроелектронної технологією виробництва електронних пристроїв, невисока міцність, втрата ефективності в процесі використання, порушення електричного контакту в вузлах сітки, складність застосування в пристроях з розвиненим рельєфом [1, 3].

    Зазначених недоліків можна уникнути шляхом використання екранів у вигляді плівкових струмопровідних покриттів, нанесених на прозору підкладку. Такі екрани можуть бути реалізовані у вигляді суцільного металевого покриття, перфоруються методом літографії [2, 4, 5].

    У порівнянні з традиційними екранами використання тонких металевих плівок має ряд переваг: такі покриття практично не збільшують масу і габарити екраніруемого пристрої, повторюють форму його корпусу; легко перфоруються за допомогою літографії; процес вакуумного напилення спочатку забезпечує достатню герметичність екрану по відношенню до витоку

    електромагнітного випромінювання. Технологія вакуумного осадження дозволяє наносити у вигляді тонких плівок різні матеріали (метали, діелектрики, напівпровідники), що дозволяє не тільки отримувати екранують плівки різного складу і структури, а й наносити захисні шари, що підвищують їх експлуатаційні властивості [4, 6].

    У той же час деякі положення, пов'язані з особливостями використання плівкових покриттів, мало висвітлені в літературі, присвяченій теорії електромагнітного екранування [1, 3, 7]. Наприклад, в роботах [1, 2, 5] стверджується, що використання багатошарових покриттів з різних матеріалів дозволяє збільшити ефективність екранування в широкому діапазоні частот. Проведені авторами дослідження присвячені дослідженню умов одночасного прояви ефектів прозорості та екранування в різних частотних діапазонах, які залежать від різних параметрів.

    Мета дослідження

    Метою даної роботи є математичне моделювання ефективності екранування багатофункціональних покриттів, прозорих у видимій області спектра і екранують в СВЧ діапазоні електромагнітного випромінювання, в залежності від конструктивних і структурних параметрів.

    Моделювання перфорованого плівкового покриття

    Розглянемо вплив на ефективність екранування конструктивних параметрів перфоруються плівкових покриттів, вважаючи, що вони складаються з ідеально провідного матеріалу. До конструктивних параметрів належать: період решітки - а, ширина стрічок - 2Н і відстань між ними - 21 (рис. 1). Так як присутній допущення, що використовується ідеальний метал, в розрахунках товщина плівки з / до уваги береться.

    1 г

    Мал. 1. Структура перфорованого плівкового покриття

    Похідними параметрами є: коефіцієнт заповнення

    2 І

    коефіцієнт прозорості

    Я = |

    V -? П

    До п = Т '

    (1) (2)

    (3)

    де? п - площа прозорої частини решітки, a? - повна площа екраніруемого поверхні. З (1) і (2) випливає, що

    Кп = (1 - я) 2

    Для моделювання перфорованого плівкового покриття розглянемо випадок нормального падіння електромагнітної хвилі довжиною X на поверхню. При цьому коефіцієнти відображення Я і проходження Т рівні [3]

    Я = --- (4)

    Т =

    1 + У 1

    1 + У

    (5)

    на,

    де у = -1п

    Л

    81П

    нп

    а

    1

    а

    У загальному випадку ефективність екранізування визначається

    1 Л

    до екр = 201ов т = 201о§-

    (

    2а 1п

    Л

    [ДБ]

    81П

    нп

    (6)

    Таким чином, з виразу (6) випливає, що при заданих значеннях Л і а, ефективність екранування зростає зі зменшенням періоду решітки зі швидкістю 20 дБ / дек, але при цьому зменшується коефіцієнт прозорості у видимому діапазоні.

    Одним із шляхів вирішення даної проблеми є використання екрану, в якому плівкове покриття завдано по обидва боки прозорою підкладки. Аналіз подібної структури показує, що решітки в такому дисплеї не поєднані. Для того щоб коефіцієнт прозорості структури не зменшувався в порівнянні з однієї гратами, необхідно при тому ж періоді решітки зменшити коефіцієнт заповнення в два рази (g '= g / 2 або Н' = Н / 2 при a = const). коефіцієнт екранування

    двошарового плівкового покриття КЕКВ можна визначити з виразу [3]

    екр

    с12екр

    к о к о

    1екр 2екр 1 - ^ 2

    (7)

    7 0 _ -1-

    де к1екр = | "I

    -р - коефіцієнт екранізування першого шару, аналогічно до 0екр -т Т1 Т2

    другого шару.

    Підставивши вирази (4) і (5) в (7), отримаємо

    Л

    до

    12екр

    = 60 1о§ -

    (

    - 20 ^ 2, [дБ]

    2а 1п

    81П

    нп 2а

    (8)

    З порівняння виразів (4) і (6) видно, що ефективність двостороннього плівкового покриття

    дорівнює

    до 12екр ~ 3кекр - 6, [дБ] (9)

    Таким образів, ефективність екранування двостороннього перфорованого плівкового покриття має більш виражену залежність від періоду решітки (або довжини падаючої хвилі).

    Промоделюємо, використовуючи вирази (3) і (6), зміни ефективності екранування перфорованого плівкового покриття в залежності від значення параметра а і відповідних йому значень коефіцієнта прозорості при фіксованій довжині хвилі.

    Результати розрахунку зведені в таблицю 1, де Акекр - зміна ефективності екранування щодо величини КЕКВ обчисленої при кп = 0,5.

    Таблиця 1

    Зміна ефективності екранування в залежності від періоду решітки перфорованого плівкового

    покриття

    кп,% а, шш AkЕKр, йБ кп,% а, шш А ^ Кр, йБ

    35 0.408 3.96 65 0.194 -3.42

    40 0.367 2.53 70 0.163 -4.56

    45 0.329 1.23 75 0.134 -5.70

    50 0.293 0 80 0.106 -6.91

    55 0.258 -1.18 85 0.078 -8.30

    60 0.225 -2.32 90 0.051 -9.86

    1

    а

    1

    У таблиці 2 представлені розрахункові значення ефективності екранування перфорованого плівкового покриття з прозорістю 50%, для різних частот електромагнітного випромінювання, отримані за формулою (6). Відзначимо, що для обчислення ефективності екрану з іншого прозорістю можна використовувати значення поправок з таблиці 2.

    Для оцінки ефективності екранування реально використовуваного перфорованого плівкового покриття, необхідно враховувати опір плівки [7].

    Таблиця 2

    Розрахункові значення ефективності екранування перфорованого плівкового покриття з _прозрачностью 50% _

    \ ,. а, шш г, 0.5 1 2 4

    3 101.8 95.8 89.7 83.7

    10 91.4 85.3 79. 3 73.3

    30 81.8 75.8 69.7 63.7

    100 71.4 65.3 59. 3 53.3

    300 61.8 55.8 49. 8 43.7

    1000 51.4 45.3 39.3 33.3

    Теоретичні дослідження показали, що максимальною ефективністю екранування електромагнітного поля має одношарове покриття, виготовлене з металу з високою магнітною проникністю і низьким питомим опором [1]. Так як в реальних одношарових покриттях неможливо забезпечити зазначені вище властивості матеріалів, то застосовують багатошарові покриття, що складаються з чергуються феромагнітних і високопровідного шарів. Проте, в цьому випадку необхідно враховувати як технологічні, так і економічні чинники [2, 5].

    Слід також зазначити, що хоча теоретичні моделі екранування плівковими покриттями і дозволяють отримати якісно вірні залежності, але вони не дають достатньо точних кількісних результатів.

    Виходячи з цього, були виготовлені експериментальні зразки плівкових багатофункціональних покриттів, прозорих у видимому діапазоні спектра (у вигляді перфорованих металевих плівкових покриттів) і досліджена їх ефективність екранування електромагнітного поля. Перелік експериментальних тестових зразків електромагнітних екранів і їх конструктивні параметри представлені в табл. 3.

    Для оцінки ефективності екранування на прикладі багатошарових покриттів були виготовлені зразки двошарових плівкових структур. Зокрема, використовувалися поєднання шарів високопровідного і феромагнітних металів. Як високопровідного матеріалу використовувалася мідь, а феромагнітного - нікель. Крім того нікель використовується як бар'єрний шар для усунення ефектів деградації. Плівкові покриття наносили на оптично прозору підкладку з силікатного скла. Період перфорованої решітки становив 400 мкм, ширина смуг - 200 мкм.

    Таблиця 3

    Структу ра і параметри тестових зразків

    № зразка Матеріал підкладки Матеріал покриття Товщина покриття Період сітки

    1 скло Сі 2 мкм 400 мкм

    2 - Фольга Сі 50 мкм 400 мкм

    3 скло Сі + N1 2 мкм + 1 мкм 400 мкм

    Результати вимірювань ефективності екранування тестових плівкових зразків представлені в

    табл. 4.

    Таблиця 4

    _Еффектівность екранування електромагнітного поля_

    № зразка Частота, МГц

    1 3 5 10 30 100 300 500 800 1000

    1 26 20 21 18 15 16 14 16 18 16

    2 45 43 40 38 32 24 20 21 22 20

    3 28 21 22 20 18 19 18 21 21 24

    Як видно з табл. 4, значення ефективності екранування (більше 20 дБ) відповідають напилень плівці міді на частотах до 30 МГц, в той час як для мідної фольги (товщиною 50 мкм) ця частота вище.

    Причина такої відмінності полягає в структурних особливостях плівки, отриманої при вакуумному напиленні. Електронно-мікроскопічні дослідження показали, що плівкові покриття володіють дисперсної структурою і складаються з дрібних зерен, розміри яких залежать від різних факторів, що впливають на осадження металу на підкладку [6, 10]. В середньому розмір зерна може коливатися від одиниць до десятків мікрометрів. У процесі росту плівки, зерна входять в зіткнення. Однак на

    поверхнях зіткнення періодичність кристалічної структури металу порушується і між зернами утворюється потенційний бар'єр, який перешкоджає протіканню струму між зернами.

    На основі досліджуваних металевих покриттів на оптично прозорій підкладці можна створювати оптичні фільтри з енергозберігаючими і екранують властивостями, а також використовувати їх у відповідності з практичними рекомендаціями, представленими нами в [11].

    висновки

    Виконано моделювання ефективності екранування перфорованих плівкових електромагнітних екранів в залежності від їх конструктивних параметрів. Визначено, що ефективність екранування двостороннього перфорованого покриття має більш виражену залежність від періоду решітки (або довжини падаючої хвилі), ніж одностороннього. Виготовлені експериментальні зразки багатофункціональні покриття. Представлені розрахункові залежності коефіцієнта екранування перфорованого багатофункціональні покриття з прозорістю 50%, для різних частот електромагнітного випромінювання.

    Список використаної літератури

    1. Henry W. Ott. Electromagnetic Compatibility Engineering. New York, I. Wiley & Sons, 2009. 862 p.

    2. Machuliansky Aleksandr, Pilinsky Vladimir, Telychkina Oksana, Rodionova Maria, Joskiewicz Zbigniew M., Wieckowski Tadeusz W. Application of Nanostructured Materials Ensuring the Electromagnetic Compatibility of Power Electronic. Int. Symposium EMC Europe, 13-17 September 2010, Wroclaw, Poland, 2010 рр. 814-817.

    3. Крилов Т. В. Юрченковому А. І. Захист від електромагнітних випромінювань. - М .: Сов. радіо, 1972. -216 с.

    4. А.В. Мачулянскій Електромагнітні характеристики нанокомпозитів на основі нанорозмірних металевих включень .// Техшчна електродінамжа.-2012.-ч.2.-С. 193-197.

    5. Borisova, A. Machulyansky, M. Rodionov, Y. Yakimenko, V. Bovtun, M. Kempa, B.Bondar "Conductivity of Metal (Al, Cu) -Dielectric Composites and Modeling of the Single- and Multi-layer Composite Coatings for Microwave Applications "- IEEE XXXIV International Scintific Conference" Electronics and Nanotechnology "(April, 16-19th, 2014 року) - p.164-167.

    6. Borisova, A. Machulyansky, M. Rodionov, Y. Yakimenko, B. Babych "Properties of Aluminum Oxynitride Films Prepared by Reactive Magnetron Sputtering" - IEEE XXXIV International Scientific Conference "Electronics and Nanotechnology" (April, 16-19th, 2014 ) - p.122-125.

    7. Конструювання екранів та НВЧ - пристроїв / А. М. Чернушенко, Б. В. Петров, Л. Г. Малорацкій і ін .; Під ред. А. М. Чернушенко. - М .: Радио и связь. 1990.-352 з.

    8. Золотухін І.В., Калінін Ю.В., Ситников А.В. Нанокомпозитні структури на шляху в наноелектроніку // Природа - 2006, № 1.- с.11-19.

    9. Методика вимірювання ефективності екранування електромагнітного поля плоскими екранують матеріалами. ІСКШ. 032 П. 0102.95. Розробка НДІ ЕМП, г. Киев. 1996 р.

    10. Бондар Є. А.,. Мачулянській А. В. Динамічна поляризованість ультрадисперсних частинок нікелю // Оптика і спектроскопія. - 1990.- Т. 69. - вип. 4. - с. 876-880.

    11. Borisova, B. Babych, V. Verbitskiy, A. Machulyansky, M. Rodionov, Y. Yakimenko, "Energy-Efficient Optically Transparent Coating Based on a Metal-Dielectric Composites", IEEE 35th International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO ), pp. 93-96, Kyiv, Ukraine, April 21-24, 2015.


    Ключові слова: Ефективність екранування /SHIELDING EFFECTIVENESS /ПЕРФОРОВАНІ ПОКРИТТЯ /PERFORATED COATINGS /ОПТИЧНО ПРОЗОРІ ЕКРАНИ /OPTICALLY TRANSPARENT SCREENS /МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ /MATHEMATICAL MODELING /БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОКРИТТЯ /MULTIFUNCTION COATINGS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити