天线罩透波功能复合材料的设计

摘 要：近年来透波材料是快速发展起来的一种集结构、防热、透波于一体的多功能介质材料。此材料可用作各种飞机、导弹、宇宙飞船、卫星及地面站的天线罩和透波窗，还可用作高性能印刷电路板基材等，在各个电子、通讯等领域发挥着非常重要作用。本文从实际应用入手简单阐述了天线罩透波复合材料的组成及其设计过程中遵循的原则。

关键詞：透波复合材料；基体；增强体

透波材料是指具有极小介电损耗的结构材料，是近年来快速发展起来的一类集结构、防热、透波于一体的多功能介质材料。电磁波在传播过程中遇到某一材料（介质）时，如果透过的强度大于一定限度（>95%），则该材料可被视作高透波材料。从材料本性讲，其特征是具有很小的介电常数和介质损耗角正切值。此类材料可用作各种飞机、导弹、宇宙飞船、卫星及地面站的天线罩和天线窗，还可用作高性能印刷电路板基材等，在航空航天、电子、通讯等领域发挥着重要作用，具有很大的经济效益和社会效益。

透波材料通常分为两种：一种为无机材料，如氧化铝、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等；另一种为耐热树脂基纤维复合材料。本文主要对透波复合材料进行分析。

1. 天线罩常用透波复合材料

透波复合材料属于功能复合材料，有基体和增强体两部分组成。目前，在实际中应用最广的还是纤维增强树脂基复合材料。

1.1基体

透波复合材料是由增强纤维和树脂基体构成的，两者的电性能好才能成型出电性能好的透波材料。通常增强材料的力学性能和介电特性均优于树脂基体，所以复合材料的透波性能主要取决于树脂基体的性能。因此必须选择具有优良电性能的树脂基体，同时树脂在复合材料中也起胶粘剂的作用，是决定复合材料耐热性的基本成分。

目前实际应用最广泛的还是纤维增强树脂基复合材料。树脂基体主要有传统的不饱和聚酯树脂（UP）、环氧树脂（EP）、改性酚醛树脂（PF）以及近年来开始研究和应用的氰酸酯树脂（CE）、有机硅树脂、双马来酰亚胺树脂（BMI）、聚酰亚胺（P1）、聚四氟乙烯（PTFE）等新型的耐高温树脂。表1为常用透波复合材料基体的性能比较。

表1 几种透波树脂基体的典型性能

1.2增强体

一些纤维增强材料的性能如表2所示。玻璃纤维是导弹天线罩中最常用的增强材料，其中，玻璃纤维是国外专门为制造天线罩而开发的一种玻璃纤维，石英玻璃纤维是透波性能最好的纤维材料，目前国外各种天线罩大多已采用此种纤维。而国内透波复合材料使用的增强材料主要是E玻璃纤维和S玻璃纤维，M玻璃纤维使用量较少。Kevlar（芳纶）最初由美国杜邦公司发明，加拿大已把它用于飞机的雷达罩。Spectra1000在各种频率下均表现出优异的介电性能，且具有的低密度、高强度、高模量和高抗冲击性能，使其在高性能天线罩的制造中具有极大的吸引力。

表2 透波复合材料常用增强纤维性能

2. 天线罩透波功能复合材料的设计

透波功能复合材料的设计主要遵循两个原则。

（1）力学性能设计

在材料的力学性能设计中，可用复合定律进行选材和材料的初步设计。

бc=бfVf+бm（1-Vf） Ec=EfVf+Em（1+Vf）

式中：бc—复合材料拉伸强度，бf—纤维拉伸强度，бm—基体拉伸强度，Ec—复合材料扬氏模量，Ef—纤维扬氏模量，Em—基体扬氏模量，Vf—纤维体积含量。

在实际的复合材料结构设计中，力学性能参数还要视构件的性质，用试样实际力学测试修正后的A基准值、B基准值或算术平均值作为实际的输入参数。这是因为复合材料由于受复合工艺等因素影响而使数据分散较大所致。

（2）电气性能的设计

透波功能的电气性能参数对雷达天线罩的设计是非常重要的。主要参数是介电常数ε和正切损耗tgδ。在材料设计的初始阶段，可采用下述混合定律进行选材计算：

式中：ε—复合材料介电常数，εi—组份材料介电常数，tgδ—复合材料正切损耗，（tgδ）i—组份材料正切损耗，V—复合材料体积，Vi—组份材料体积，i=1、2、3、……

材料选定后，对实际应用的透波功能复合材料应做试验验证材料的ε和tgδ，并将经试验修正的数据作为设计输入数据。在雷达天线罩设计中ε、tgδ、θ（入射角）、λ0（雷达天线微波波长）为主要参数输入。在计算电气性能的时候，还要输入其他影响因素的参数。雷达天线罩的罩壁近似厚度d由下式确定：

式中：λ0-波长，θ-入射角度，ε-介电常数，n-1、2、3分别称为半波、全波、三个半波长。由式中可知，透波功能复合材料的ε值的大小直接影响到壁厚。ε越大，壁厚越薄，但电厚度壁厚公差越小；反之，ε值越小，壁厚越厚，但电厚度的壁厚公差越大。因此，考虑到制造工艺实现的可能性，选择适当的ε是非常必要的。■

推荐访问:复合材料 天线 功能 设计 罩透波