天線(xiàn)罩透波功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

羅彥俠+溫海東

摘 要：近年來(lái)透波材料是快速發(fā)展起來(lái)的一種集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體的多功能介質(zhì)材料。此材料可用作各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船、衛(wèi)星及地面站的天線(xiàn)罩和透波窗，還可用作高性能印刷電路板基材等，在各個(gè)電子、通訊等領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要作用。本文從實(shí)際應(yīng)用入手簡(jiǎn)單闡述了天線(xiàn)罩透波復(fù)合材料的組成及其設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循的原則。

關(guān)鍵詞：透波復(fù)合材料；基體；增強(qiáng)體

透波材料是指具有極小介電損耗的結(jié)構(gòu)材料，是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體的多功能介質(zhì)材料。電磁波在傳播過(guò)程中遇到某一材料（介質(zhì)）時(shí)，如果透過(guò)的強(qiáng)度大于一定限度（>95%），則該材料可被視作高透波材料。從材料本性講，其特征是具有很小的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值。此類(lèi)材料可用作各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船、衛(wèi)星及地面站的天線(xiàn)罩和天線(xiàn)窗，還可用作高性能印刷電路板基材等，在航空航天、電子、通訊等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

透波材料通常分為兩種：一種為無(wú)機(jī)材料，如氧化鋁、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等；另一種為耐熱樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料。本文主要對(duì)透波復(fù)合材料進(jìn)行分析。

1. 天線(xiàn)罩常用透波復(fù)合材料

透波復(fù)合材料屬于功能復(fù)合材料，有基體和增強(qiáng)體兩部分組成。目前，在實(shí)際中應(yīng)用最廣的還是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。

1.1基體

透波復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體構(gòu)成的，兩者的電性能好才能成型出電性能好的透波材料。通常增強(qiáng)材料的力學(xué)性能和介電特性均優(yōu)于樹(shù)脂基體，所以復(fù)合材料的透波性能主要取決于樹(shù)脂基體的性能。因此必須選擇具有優(yōu)良電性能的樹(shù)脂基體，同時(shí)樹(shù)脂在復(fù)合材料中也起膠粘劑的作用，是決定復(fù)合材料耐熱性的基本成分。

目前實(shí)際應(yīng)用最廣泛的還是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。樹(shù)脂基體主要有傳統(tǒng)的不飽和聚酯樹(shù)脂（UP）、環(huán)氧樹(shù)脂（EP）、改性酚醛樹(shù)脂（PF）以及近年來(lái)開(kāi)始研究和應(yīng)用的氰酸酯樹(shù)脂（CE）、有機(jī)硅樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）、聚酰亞胺（P1）、聚四氟乙烯（PTFE）等新型的耐高溫樹(shù)脂。表1為常用透波復(fù)合材料基體的性能比較。

表1 幾種透波樹(shù)脂基體的典型性能

1.2增強(qiáng)體

一些纖維增強(qiáng)材料的性能如表2所示。玻璃纖維是導(dǎo)彈天線(xiàn)罩中最常用的增強(qiáng)材料，其中，玻璃纖維是國(guó)外專(zhuān)門(mén)為制造天線(xiàn)罩而開(kāi)發(fā)的一種玻璃纖維，石英玻璃纖維是透波性能最好的纖維材料，目前國(guó)外各種天線(xiàn)罩大多已采用此種纖維。而國(guó)內(nèi)透波復(fù)合材料使用的增強(qiáng)材料主要是E玻璃纖維和S玻璃纖維，M玻璃纖維使用量較少。Kevlar（芳綸）最初由美國(guó)杜邦公司發(fā)明，加拿大已把它用于飛機(jī)的雷達(dá)罩。Spectra1000在各種頻率下均表現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能，且具有的低密度、高強(qiáng)度、高模量和高抗沖擊性能，使其在高性能天線(xiàn)罩的制造中具有極大的吸引力。

表2 透波復(fù)合材料常用增強(qiáng)纖維性能

2. 天線(xiàn)罩透波功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

透波功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)主要遵循兩個(gè)原則。

（1）力學(xué)性能設(shè)計(jì)

在材料的力學(xué)性能設(shè)計(jì)中，可用復(fù)合定律進(jìn)行選材和材料的初步設(shè)計(jì)。

бc=бfVf+бm（1-Vf） Ec=EfVf+Em（1+Vf）

式中：бc—復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度，бf—纖維拉伸強(qiáng)度，бm—基體拉伸強(qiáng)度，Ec—復(fù)合材料揚(yáng)氏模量，Ef—纖維揚(yáng)氏模量，Em—基體揚(yáng)氏模量，Vf—纖維體積含量。

在實(shí)際的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，力學(xué)性能參數(shù)還要視構(gòu)件的性質(zhì)，用試樣實(shí)際力學(xué)測(cè)試修正后的A基準(zhǔn)值、B基準(zhǔn)值或算術(shù)平均值作為實(shí)際的輸入?yún)?shù)。這是因?yàn)閺?fù)合材料由于受復(fù)合工藝等因素影響而使數(shù)據(jù)分散較大所致。

（2）電氣性能的設(shè)計(jì)

透波功能的電氣性能參數(shù)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)罩的設(shè)計(jì)是非常重要的。主要參數(shù)是介電常數(shù)ε和正切損耗tgδ。在材料設(shè)計(jì)的初始階段，可采用下述混合定律進(jìn)行選材計(jì)算：

式中：ε—復(fù)合材料介電常數(shù)，εi—組份材料介電常數(shù)，tgδ—復(fù)合材料正切損耗，（tgδ）i—組份材料正切損耗，V—復(fù)合材料體積，Vi—組份材料體積，i=1、2、3、……

材料選定后，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的透波功能復(fù)合材料應(yīng)做試驗(yàn)驗(yàn)證材料的ε和tgδ，并將經(jīng)試驗(yàn)修正的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)。在雷達(dá)天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)中ε、tgδ、θ（入射角）、λ0（雷達(dá)天線(xiàn)微波波長(zhǎng)）為主要參數(shù)輸入。在計(jì)算電氣性能的時(shí)候，還要輸入其他影響因素的參數(shù)。雷達(dá)天線(xiàn)罩的罩壁近似厚度d由下式確定：

式中：λ0-波長(zhǎng)，θ-入射角度，ε-介電常數(shù)，n-1、2、3分別稱(chēng)為半波、全波、三個(gè)半波長(zhǎng)。由式中可知，透波功能復(fù)合材料的ε值的大小直接影響到壁厚。ε越大，壁厚越薄，但電厚度壁厚公差越??；反之，ε值越小，壁厚越厚，但電厚度的壁厚公差越大。因此，考慮到制造工藝實(shí)現(xiàn)的可能性，選擇適當(dāng)?shù)摩攀欠浅１匾?。■endprint

摘 要：近年來(lái)透波材料是快速發(fā)展起來(lái)的一種集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體的多功能介質(zhì)材料。此材料可用作各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船、衛(wèi)星及地面站的天線(xiàn)罩和透波窗，還可用作高性能印刷電路板基材等，在各個(gè)電子、通訊等領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要作用。本文從實(shí)際應(yīng)用入手簡(jiǎn)單闡述了天線(xiàn)罩透波復(fù)合材料的組成及其設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循的原則。

關(guān)鍵詞：透波復(fù)合材料；基體；增強(qiáng)體

透波材料是指具有極小介電損耗的結(jié)構(gòu)材料，是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體的多功能介質(zhì)材料。電磁波在傳播過(guò)程中遇到某一材料（介質(zhì)）時(shí)，如果透過(guò)的強(qiáng)度大于一定限度（>95%），則該材料可被視作高透波材料。從材料本性講，其特征是具有很小的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值。此類(lèi)材料可用作各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船、衛(wèi)星及地面站的天線(xiàn)罩和天線(xiàn)窗，還可用作高性能印刷電路板基材等，在航空航天、電子、通訊等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

透波材料通常分為兩種：一種為無(wú)機(jī)材料，如氧化鋁、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等；另一種為耐熱樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料。本文主要對(duì)透波復(fù)合材料進(jìn)行分析。

1. 天線(xiàn)罩常用透波復(fù)合材料

透波復(fù)合材料屬于功能復(fù)合材料，有基體和增強(qiáng)體兩部分組成。目前，在實(shí)際中應(yīng)用最廣的還是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。

1.1基體

透波復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體構(gòu)成的，兩者的電性能好才能成型出電性能好的透波材料。通常增強(qiáng)材料的力學(xué)性能和介電特性均優(yōu)于樹(shù)脂基體，所以復(fù)合材料的透波性能主要取決于樹(shù)脂基體的性能。因此必須選擇具有優(yōu)良電性能的樹(shù)脂基體，同時(shí)樹(shù)脂在復(fù)合材料中也起膠粘劑的作用，是決定復(fù)合材料耐熱性的基本成分。

目前實(shí)際應(yīng)用最廣泛的還是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。樹(shù)脂基體主要有傳統(tǒng)的不飽和聚酯樹(shù)脂（UP）、環(huán)氧樹(shù)脂（EP）、改性酚醛樹(shù)脂（PF）以及近年來(lái)開(kāi)始研究和應(yīng)用的氰酸酯樹(shù)脂（CE）、有機(jī)硅樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）、聚酰亞胺（P1）、聚四氟乙烯（PTFE）等新型的耐高溫樹(shù)脂。表1為常用透波復(fù)合材料基體的性能比較。

表1 幾種透波樹(shù)脂基體的典型性能

1.2增強(qiáng)體

一些纖維增強(qiáng)材料的性能如表2所示。玻璃纖維是導(dǎo)彈天線(xiàn)罩中最常用的增強(qiáng)材料，其中，玻璃纖維是國(guó)外專(zhuān)門(mén)為制造天線(xiàn)罩而開(kāi)發(fā)的一種玻璃纖維，石英玻璃纖維是透波性能最好的纖維材料，目前國(guó)外各種天線(xiàn)罩大多已采用此種纖維。而國(guó)內(nèi)透波復(fù)合材料使用的增強(qiáng)材料主要是E玻璃纖維和S玻璃纖維，M玻璃纖維使用量較少。Kevlar（芳綸）最初由美國(guó)杜邦公司發(fā)明，加拿大已把它用于飛機(jī)的雷達(dá)罩。Spectra1000在各種頻率下均表現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能，且具有的低密度、高強(qiáng)度、高模量和高抗沖擊性能，使其在高性能天線(xiàn)罩的制造中具有極大的吸引力。

表2 透波復(fù)合材料常用增強(qiáng)纖維性能

2. 天線(xiàn)罩透波功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

透波功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)主要遵循兩個(gè)原則。

（1）力學(xué)性能設(shè)計(jì)

在材料的力學(xué)性能設(shè)計(jì)中，可用復(fù)合定律進(jìn)行選材和材料的初步設(shè)計(jì)。

бc=бfVf+бm（1-Vf） Ec=EfVf+Em（1+Vf）

式中：бc—復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度，бf—纖維拉伸強(qiáng)度，бm—基體拉伸強(qiáng)度，Ec—復(fù)合材料揚(yáng)氏模量，Ef—纖維揚(yáng)氏模量，Em—基體揚(yáng)氏模量，Vf—纖維體積含量。

在實(shí)際的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，力學(xué)性能參數(shù)還要視構(gòu)件的性質(zhì)，用試樣實(shí)際力學(xué)測(cè)試修正后的A基準(zhǔn)值、B基準(zhǔn)值或算術(shù)平均值作為實(shí)際的輸入?yún)?shù)。這是因?yàn)閺?fù)合材料由于受復(fù)合工藝等因素影響而使數(shù)據(jù)分散較大所致。

（2）電氣性能的設(shè)計(jì)

透波功能的電氣性能參數(shù)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)罩的設(shè)計(jì)是非常重要的。主要參數(shù)是介電常數(shù)ε和正切損耗tgδ。在材料設(shè)計(jì)的初始階段，可采用下述混合定律進(jìn)行選材計(jì)算：

式中：ε—復(fù)合材料介電常數(shù)，εi—組份材料介電常數(shù)，tgδ—復(fù)合材料正切損耗，（tgδ）i—組份材料正切損耗，V—復(fù)合材料體積，Vi—組份材料體積，i=1、2、3、……

材料選定后，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的透波功能復(fù)合材料應(yīng)做試驗(yàn)驗(yàn)證材料的ε和tgδ，并將經(jīng)試驗(yàn)修正的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)。在雷達(dá)天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)中ε、tgδ、θ（入射角）、λ0（雷達(dá)天線(xiàn)微波波長(zhǎng)）為主要參數(shù)輸入。在計(jì)算電氣性能的時(shí)候，還要輸入其他影響因素的參數(shù)。雷達(dá)天線(xiàn)罩的罩壁近似厚度d由下式確定：

式中：λ0-波長(zhǎng)，θ-入射角度，ε-介電常數(shù)，n-1、2、3分別稱(chēng)為半波、全波、三個(gè)半波長(zhǎng)。由式中可知，透波功能復(fù)合材料的ε值的大小直接影響到壁厚。ε越大，壁厚越薄，但電厚度壁厚公差越?。环粗?，ε值越小，壁厚越厚，但電厚度的壁厚公差越大。因此，考慮到制造工藝實(shí)現(xiàn)的可能性，選擇適當(dāng)?shù)摩攀欠浅１匾摹！鰁ndprint

摘 要：近年來(lái)透波材料是快速發(fā)展起來(lái)的一種集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體的多功能介質(zhì)材料。此材料可用作各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船、衛(wèi)星及地面站的天線(xiàn)罩和透波窗，還可用作高性能印刷電路板基材等，在各個(gè)電子、通訊等領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要作用。本文從實(shí)際應(yīng)用入手簡(jiǎn)單闡述了天線(xiàn)罩透波復(fù)合材料的組成及其設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循的原則。

關(guān)鍵詞：透波復(fù)合材料；基體；增強(qiáng)體

透波材料是指具有極小介電損耗的結(jié)構(gòu)材料，是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體的多功能介質(zhì)材料。電磁波在傳播過(guò)程中遇到某一材料（介質(zhì)）時(shí)，如果透過(guò)的強(qiáng)度大于一定限度（>95%），則該材料可被視作高透波材料。從材料本性講，其特征是具有很小的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值。此類(lèi)材料可用作各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船、衛(wèi)星及地面站的天線(xiàn)罩和天線(xiàn)窗，還可用作高性能印刷電路板基材等，在航空航天、電子、通訊等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

透波材料通常分為兩種：一種為無(wú)機(jī)材料，如氧化鋁、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等；另一種為耐熱樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料。本文主要對(duì)透波復(fù)合材料進(jìn)行分析。

1. 天線(xiàn)罩常用透波復(fù)合材料

透波復(fù)合材料屬于功能復(fù)合材料，有基體和增強(qiáng)體兩部分組成。目前，在實(shí)際中應(yīng)用最廣的還是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。

1.1基體

透波復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體構(gòu)成的，兩者的電性能好才能成型出電性能好的透波材料。通常增強(qiáng)材料的力學(xué)性能和介電特性均優(yōu)于樹(shù)脂基體，所以復(fù)合材料的透波性能主要取決于樹(shù)脂基體的性能。因此必須選擇具有優(yōu)良電性能的樹(shù)脂基體，同時(shí)樹(shù)脂在復(fù)合材料中也起膠粘劑的作用，是決定復(fù)合材料耐熱性的基本成分。

目前實(shí)際應(yīng)用最廣泛的還是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。樹(shù)脂基體主要有傳統(tǒng)的不飽和聚酯樹(shù)脂（UP）、環(huán)氧樹(shù)脂（EP）、改性酚醛樹(shù)脂（PF）以及近年來(lái)開(kāi)始研究和應(yīng)用的氰酸酯樹(shù)脂（CE）、有機(jī)硅樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）、聚酰亞胺（P1）、聚四氟乙烯（PTFE）等新型的耐高溫樹(shù)脂。表1為常用透波復(fù)合材料基體的性能比較。

表1 幾種透波樹(shù)脂基體的典型性能

1.2增強(qiáng)體

一些纖維增強(qiáng)材料的性能如表2所示。玻璃纖維是導(dǎo)彈天線(xiàn)罩中最常用的增強(qiáng)材料，其中，玻璃纖維是國(guó)外專(zhuān)門(mén)為制造天線(xiàn)罩而開(kāi)發(fā)的一種玻璃纖維，石英玻璃纖維是透波性能最好的纖維材料，目前國(guó)外各種天線(xiàn)罩大多已采用此種纖維。而國(guó)內(nèi)透波復(fù)合材料使用的增強(qiáng)材料主要是E玻璃纖維和S玻璃纖維，M玻璃纖維使用量較少。Kevlar（芳綸）最初由美國(guó)杜邦公司發(fā)明，加拿大已把它用于飛機(jī)的雷達(dá)罩。Spectra1000在各種頻率下均表現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能，且具有的低密度、高強(qiáng)度、高模量和高抗沖擊性能，使其在高性能天線(xiàn)罩的制造中具有極大的吸引力。

表2 透波復(fù)合材料常用增強(qiáng)纖維性能

2. 天線(xiàn)罩透波功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

透波功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)主要遵循兩個(gè)原則。

（1）力學(xué)性能設(shè)計(jì)

在材料的力學(xué)性能設(shè)計(jì)中，可用復(fù)合定律進(jìn)行選材和材料的初步設(shè)計(jì)。

бc=бfVf+бm（1-Vf） Ec=EfVf+Em（1+Vf）

式中：бc—復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度，бf—纖維拉伸強(qiáng)度，бm—基體拉伸強(qiáng)度，Ec—復(fù)合材料揚(yáng)氏模量，Ef—纖維揚(yáng)氏模量，Em—基體揚(yáng)氏模量，Vf—纖維體積含量。

在實(shí)際的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，力學(xué)性能參數(shù)還要視構(gòu)件的性質(zhì)，用試樣實(shí)際力學(xué)測(cè)試修正后的A基準(zhǔn)值、B基準(zhǔn)值或算術(shù)平均值作為實(shí)際的輸入?yún)?shù)。這是因?yàn)閺?fù)合材料由于受復(fù)合工藝等因素影響而使數(shù)據(jù)分散較大所致。

（2）電氣性能的設(shè)計(jì)

透波功能的電氣性能參數(shù)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)罩的設(shè)計(jì)是非常重要的。主要參數(shù)是介電常數(shù)ε和正切損耗tgδ。在材料設(shè)計(jì)的初始階段，可采用下述混合定律進(jìn)行選材計(jì)算：

式中：ε—復(fù)合材料介電常數(shù)，εi—組份材料介電常數(shù)，tgδ—復(fù)合材料正切損耗，（tgδ）i—組份材料正切損耗，V—復(fù)合材料體積，Vi—組份材料體積，i=1、2、3、……

材料選定后，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的透波功能復(fù)合材料應(yīng)做試驗(yàn)驗(yàn)證材料的ε和tgδ，并將經(jīng)試驗(yàn)修正的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)。在雷達(dá)天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)中ε、tgδ、θ（入射角）、λ0（雷達(dá)天線(xiàn)微波波長(zhǎng)）為主要參數(shù)輸入。在計(jì)算電氣性能的時(shí)候，還要輸入其他影響因素的參數(shù)。雷達(dá)天線(xiàn)罩的罩壁近似厚度d由下式確定：

式中：λ0-波長(zhǎng)，θ-入射角度，ε-介電常數(shù)，n-1、2、3分別稱(chēng)為半波、全波、三個(gè)半波長(zhǎng)。由式中可知，透波功能復(fù)合材料的ε值的大小直接影響到壁厚。ε越大，壁厚越薄，但電厚度壁厚公差越??；反之，ε值越小，壁厚越厚，但電厚度的壁厚公差越大。因此，考慮到制造工藝實(shí)現(xiàn)的可能性，選擇適當(dāng)?shù)摩攀欠浅１匾??！鰁ndprint