寬頻帶高透波率球冠透波墻的研制*

商 莉，平麗浩，吳 波，尚仰宏

（中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司，安徽 蕪湖241100）

引 言

天線罩安裝在天線前面，以保護(hù)天線不受外界損傷和破壞，同時(shí)又為天線電波提供發(fā)射和接收的電磁窗口，是一種滿足電性能要求的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件[1]。透波墻是天線罩的一種，一般將與建筑物構(gòu)成一體的天線罩稱為透波墻。微波透波墻從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始使用，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)碾娦阅芤螅壳耙呀?jīng)發(fā)展到了第三、四代產(chǎn)品，而且在保證電性能滿足使用要求的同時(shí)，能夠滿足建筑物外觀要求。

本文論述了某寬頻帶高透波率球冠透波墻的研制。該透波墻安裝在氣密試驗(yàn)箱上，能起到保護(hù)氣密試驗(yàn)箱內(nèi)部設(shè)備的作用，同時(shí)又是試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)的一部分，具有透波、保護(hù)雙重功能。透波墻為氣密試驗(yàn)箱內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備提供了電磁窗口，同時(shí)承受一個(gè)大氣壓（約0.1 MPa）的外界工作壓力。透波墻工作時(shí)是靜止不動(dòng)的，透波墻室內(nèi)設(shè)備的測(cè)試過(guò)程就是透波墻的工作過(guò)程。

該寬頻帶高透波率的透波墻不僅對(duì)電學(xué)性能和力學(xué)性能要求高，而且具有較高的表觀質(zhì)量要求[2]。本文對(duì)透波墻的制造過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了關(guān)鍵影響因素并對(duì)其進(jìn)行了工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，研制了滿足使用要求的復(fù)合材料透波墻[3]。

1 透波墻結(jié)構(gòu)

該寬頻帶高透波率透波墻的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）工作頻段為0.35～18 GHz；

2）透波率為0.35～1 GHz優(yōu)于95%，1～12 GHz優(yōu)于93%，12～18 GHz優(yōu)于85%；

3）使用溫度范圍為?70?C～+150?C；

4）具有一定的保溫功能。

為滿足寬頻帶和高透波率的使用要求，將該透波墻罩體設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該透波墻是由薄蒙皮與Nomex芳綸紙蜂窩組成的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，由外蒙皮、中蒙皮、內(nèi)蒙皮以及兩層蜂窩夾芯材料組成[4]。透波墻根部實(shí)心區(qū)域?yàn)榘惭b法蘭，法蘭連接面周邊有密封槽，用于和氣密試驗(yàn)箱主體連接時(shí)安裝密封橡膠條。透波墻通過(guò)安裝在法蘭面上的金屬壓環(huán)以及密封橡膠條與氣密試驗(yàn)箱主體相連接，如圖2所示。

圖1 透波墻結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 透波墻與氣密試驗(yàn)箱連接示意圖

2 透波墻成型

2.1 透波墻成型材料體系

為了滿足高透波率和高使用溫度的要求，透波墻薄蒙皮選用的材料體系為石英/氰酸酯材料體系[5]。氰酸酯樹(shù)脂的特有結(jié)構(gòu)使得材料具有良好的耐熱性、極低的介電常數(shù)和介電損耗，同時(shí)還具有極高的電磁波透過(guò)率、高透明度以及良好的力學(xué)性能。但是，這種材料的自粘性較差，工藝鋪貼性不好，尤其是對(duì)于具有一定形狀的天線罩成型更加困難，不僅會(huì)延長(zhǎng)工藝操作時(shí)間，而且成型后的天線罩的表觀質(zhì)量較差。由于該透波墻為球冠形，預(yù)浸料工藝性差將會(huì)造成產(chǎn)品鋪貼困難，不易操作，工藝時(shí)間延長(zhǎng)[6]。

為改變這種情況，對(duì)氰酸酯樹(shù)脂體系進(jìn)行調(diào)控以提高樹(shù)脂預(yù)聚體的流動(dòng)性和韌性，研制出了粘性較好的氰酸酯石英玻纖布預(yù)浸料，不僅工藝性好，而且保留了材料極低的介電常數(shù)和介電損耗，實(shí)現(xiàn)了低介電、高韌性的目標(biāo)，滿足使用要求。

透波墻罩體區(qū)域使用的材料還包括用于蒙皮與芯材膠接的高溫固化氰酸酯膠膜和用作芯材邊緣的增強(qiáng)材料的氰酸酯樹(shù)脂發(fā)泡膠膜，該材料體系能夠滿足?70?C～+150?C的工作環(huán)境溫度要求。

2.2 透波墻成型工藝

為滿足嚴(yán)格的高精度外形尺寸要求以及力學(xué)性能和電學(xué)性能要求，該透波墻采用熱壓罐工藝成型。采用熱壓罐工藝成型可以根據(jù)隨爐件的性能判斷透波墻的固化質(zhì)量。通過(guò)隨爐件可以監(jiān)測(cè)蒙皮材料的彎曲強(qiáng)度/模量和拉伸強(qiáng)度/模量、蒙皮的介電常數(shù)和損耗角正切、蒙皮鋪層的壓厚、蒙皮和芯材之間的滾筒玻璃強(qiáng)度等性能。

為了較好地控制制件質(zhì)量，結(jié)合該透波墻罩體蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用分步固化成型的工藝方法。分步固化成型工藝在固化后可以直觀地觀察到蜂窩是否錯(cuò)位，對(duì)固化中產(chǎn)生的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行修正，避免產(chǎn)品報(bào)廢，研制風(fēng)險(xiǎn)較小。因此，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合該透波墻罩體蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用三步固化成型的工藝方法。該種成型工藝可以隨時(shí)控制制件的質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。透波墻具體的成型工藝流程如圖3所示。

圖3 透波墻成型工藝流程

2.3 透波墻成型模具

模具材料在成型溫度和壓力下保持適當(dāng)性能是熱壓罐成型模具的首要要求，因此，綜合考慮性能和成本，模具多采用鋼模[7]。由于該透波墻為一類似球冠的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，蒙皮薄，具有較高的電性能和表面質(zhì)量要求，所以采用陰模成型可獲得較好的外表面質(zhì)量。但是，該透波墻產(chǎn)品尺寸較大，且為球冠形狀，鋪層操作具有一定的難度，延長(zhǎng)了工藝操作時(shí)間。綜合考慮后采用陽(yáng)模成型方案，鋪層操作方便，可獲得較好的內(nèi)表面質(zhì)量。然而，由于該透波墻為薄蒙皮結(jié)構(gòu)，不能通過(guò)較多的機(jī)械打磨來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的表觀質(zhì)量，所以后期通過(guò)制造合理的工藝蒙皮，在透波墻成型時(shí)輔助成型外表面來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的表觀質(zhì)量。

由于該透波墻產(chǎn)品尺寸較大，為保證在固化成型過(guò)程中受熱均勻和搬運(yùn)方便，決定采用框架式模具，如圖4所示。框架式模具型腔采用計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control,CNC）高精加工、框架焊接、整體去應(yīng)力，模具在加工、使用過(guò)程中變形少，以此保證產(chǎn)品的形狀和尺寸。框架式模具重量輕，框架上安裝重型萬(wàn)向輪，在運(yùn)輸、吊裝、裝配等過(guò)程中移動(dòng)方便，降低了對(duì)其他起重設(shè)備的依耐性?？蚣苁侥＞吲c其他模具相比，成本較低。

圖4 透波墻成型模具示意圖

2.4 透波墻成型關(guān)鍵工藝點(diǎn)及控制措施

2.4.1 蜂窩定型

由于透波墻模具曲面較大，因此采用傳統(tǒng)的已成型切片芳綸紙蜂窩在模具面一次定型蜂窩難以保證蜂窩與模具的貼合性?？刂拼胧┦鞘褂们衅季]紙蜂窩進(jìn)行兩次定型，保證蜂窩與模具的貼合性。

蜂窩第一次定型采用兩整塊蜂窩以搭接的形式放置在成型模具上，并根據(jù)需要對(duì)蜂窩適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行修剪和開(kāi)剪口，剪口為搭接形式，使用壓敏膠帶進(jìn)行固定，依次鋪放脫模布、有孔隔離膜、透氣氈、真空袋膜，然后封裝制袋完成初定型。初定型效果如圖5所示。

圖5 蜂窩第一次定型效果圖

蜂窩第二次定型將完成初定型的蜂窩沿初定型的搭接痕跡修剪至拼接狀態(tài)，使用浸漬氰酸酯樹(shù)脂的芳綸線對(duì)蜂窩拼接處進(jìn)行縫合，但蜂窩邊緣區(qū)域需留足余量，待倒角時(shí)再做修剪，依次鋪放脫模布、有孔隔離膜、透氣氈、真空袋膜，然后封裝制袋完成第二次定型。經(jīng)貼膜試驗(yàn)，蜂窩曲面吻合效果很好。第二次定型效果如圖6所示。

圖6 蜂窩第二次定型效果圖

2.4.2 工藝蒙皮成型

為保證透波墻具有良好的表觀質(zhì)量，要求表面光順，理想情況下外表面質(zhì)量由陰模保證。但是，該透波墻因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而采用陽(yáng)模成型，且蒙皮薄，不能通過(guò)較多的機(jī)械打磨來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的表觀質(zhì)量。因此，通過(guò)制造合理的工藝蒙皮，在透波墻成型時(shí)輔助成型外表面來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的表觀質(zhì)量。

傳統(tǒng)的工藝蒙皮制造方法是在透波墻成型模具上制造一個(gè)工藝蒙皮成型模具，該工藝件的外形和厚度與透波墻相同，成型后對(duì)該工藝件的外表面進(jìn)行精確修磨，使其表面光滑；然后將該工藝件放置在透波墻成型模具上一起構(gòu)成工藝蒙皮的成型模具。這種方法雖然可以很好地保證外蒙皮的尺寸和精度，但是生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，而且成本高。

控制措施是利用透波墻成型模具使用玻璃纖維/氰酸酯預(yù)浸料成型一個(gè)工藝蒙皮，其中罩體區(qū)域厚度為0.4 mm，法蘭區(qū)域厚度為1.0 mm，將成型后的工藝蒙皮的罩體和法蘭區(qū)域修剪開(kāi)，將罩體工藝蒙皮鋪放到外蒙皮上，然后根據(jù)需要適當(dāng)開(kāi)剪口。

為防止罩體區(qū)域各分塊工藝蒙皮之間相互干涉，需要對(duì)各分塊進(jìn)行精確修配。為避免罩體與法蘭邊工藝蒙皮的對(duì)接處產(chǎn)生膠棱和褶皺，應(yīng)增加對(duì)接縫的寬度，并使用未硫化硅橡膠對(duì)對(duì)接縫進(jìn)行填補(bǔ)。

為保證罩體表面光滑，在放置工藝蒙皮后需進(jìn)行預(yù)壓實(shí)處理。觀察預(yù)壓實(shí)情況并據(jù)此調(diào)整工藝蒙皮各分塊之間的間隙，避免相互擠壓。確認(rèn)無(wú)擠壓現(xiàn)象后，對(duì)接縫處使用未硫化硅橡膠進(jìn)行填補(bǔ)，再封裝制袋進(jìn)行固化。工藝蒙皮拼接鋪放效果見(jiàn)圖7。

圖7 工藝蒙皮拼接鋪放效果圖

采用工藝蒙皮分塊的形式進(jìn)行拼接，并使用未硫化硅橡膠對(duì)對(duì)接縫進(jìn)行填補(bǔ)可以很好地保證透波墻產(chǎn)品的表觀質(zhì)量，不僅提高了產(chǎn)品的型面精度而且可以避免表面缺陷。

2.5 透波墻成型工藝過(guò)程質(zhì)量控制

透波墻的成型工藝過(guò)程包括內(nèi)蒙皮、內(nèi)蒙皮加強(qiáng)層和第一層蜂窩第一次固化成型，中蒙皮、第二層蜂窩和外蒙皮加強(qiáng)層第二次固化成型，外蒙皮第三次固化成型。

在模具上鋪貼內(nèi)蒙皮，法蘭區(qū)域鋪貼內(nèi)蒙皮加強(qiáng)層，在罩體透波區(qū)域鋪貼一層氰酸酯膠膜，鋪放第一層定型后的蜂窩，封裝制袋進(jìn)行第一次共固化；在第一層蜂窩上依次鋪貼膠膜、中蒙皮、膠膜、第二層定型后的蜂窩和外蒙皮加強(qiáng)層，封裝制袋進(jìn)行第二次共固化；在第二層蜂窩上依次鋪貼膠膜、外蒙皮和法蘭區(qū)犧牲層，封裝制袋進(jìn)行第三次共固化。

為保證透波墻罩體的電性能和較高的表觀質(zhì)量，在工藝成型過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1）第一層和第二層蜂窩鋪放時(shí)，先將蜂窩靠近模具面的芳綸線修剪掉，然后再按位置要求放置。為保證蜂窩與蒙皮完全貼合，應(yīng)在鋪放完成后進(jìn)行一次熱預(yù)壓實(shí)，熱預(yù)壓實(shí)結(jié)束后拆除所有芳綸線，并在蜂窩與法蘭過(guò)渡區(qū)域填充發(fā)泡膠（圖8），用作蜂窩芯材邊緣的增強(qiáng)材料，填充效果見(jiàn)圖9。

圖8 發(fā)泡膠填充示意圖

圖9 發(fā)泡膠填充效果圖

2）為保證蜂窩底部過(guò)渡區(qū)域與法蘭加強(qiáng)層區(qū)域平滑過(guò)渡，應(yīng)在第一次和第二次固化結(jié)束后對(duì)蜂窩底部過(guò)渡區(qū)進(jìn)行仔細(xì)修配，過(guò)渡區(qū)的凸起部分需打磨平整，若存在凹陷，需進(jìn)行修補(bǔ)使過(guò)渡區(qū)平整。為保證罩體區(qū)域的透波性能，修配后的蜂窩應(yīng)用真空吸塵器吸掉灰塵和機(jī)加碎屑，并用清潔抹布蘸溶劑擦拭以除去蜂窩上的油脂及其他目視可見(jiàn)的污染物。

3）為防止產(chǎn)品拐角區(qū)域固化時(shí)發(fā)生擠壓變形，在拐角區(qū)域額外多鋪貼2層預(yù)浸料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。同時(shí)在法蘭邊區(qū)域增加幾層預(yù)浸料作為犧牲層，方便后期通過(guò)機(jī)械打磨來(lái)實(shí)現(xiàn)法蘭區(qū)較高的表觀質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

對(duì)成型后的透波墻進(jìn)行了一系列測(cè)試，主要包括輪廓度、外形尺寸、安裝孔位、無(wú)損檢測(cè)、表觀質(zhì)量和電性能測(cè)試等。

透波墻內(nèi)、外表面分別使用檢測(cè)卡板進(jìn)行輪廓度檢測(cè)，結(jié)果顯示透波墻內(nèi)、外表面與檢測(cè)卡板貼合良好，外形尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品無(wú)變形。

罩體透波區(qū)域和法蘭區(qū)域分別使用厚度測(cè)試儀均勻測(cè)量30個(gè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)數(shù)值均在公差范圍內(nèi)，罩體和法蘭區(qū)域厚度均勻。安裝孔由數(shù)控機(jī)床加工，實(shí)測(cè)孔徑和孔位滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

透波墻采用超聲無(wú)損檢測(cè)，罩體透波區(qū)域蜂窩與蒙皮無(wú)脫粘情況，法蘭區(qū)域無(wú)分層情況。

透波墻拐角區(qū)域過(guò)渡平滑，內(nèi)、外表面蒙皮無(wú)褶皺、無(wú)分層、光滑平整，美觀，如圖10所示。

圖10 透波墻實(shí)物

透波墻等效平板使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別進(jìn)行3個(gè)頻段的測(cè)量。結(jié)果顯示，0.35～1 GHz頻率范圍內(nèi)透波率大于95%，1～12 GHz頻率范圍內(nèi)透波率大于93%，12～18 GHz頻率范圍內(nèi)透波率大于85%，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電性能要求，已投入使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文選用石英氰酸酯預(yù)浸料與Nomex芳綸紙蜂窩夾芯材料體系，采用陽(yáng)模與工藝蒙皮相結(jié)合的固化成型方案，蜂窩二次定型并嚴(yán)格控制成型過(guò)程關(guān)鍵工藝點(diǎn)，研制出了滿足設(shè)計(jì)要求的寬頻帶高透波率球冠透波墻。

該球冠透波墻的研制解決了大曲率制件蜂窩拼接和定型的問(wèn)題，為后續(xù)球形天線罩蜂窩夾芯件的成型提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已被運(yùn)用在多個(gè)球形天線罩的研制生產(chǎn)上。采用分塊工藝蒙皮和未硫化硅橡膠填補(bǔ)對(duì)接縫的方法，提高了產(chǎn)品的型面精度而且可以避免表面缺陷，替代成型工藝件后再成型匹配工藝蒙皮的方法，節(jié)省了費(fèi)用和人力，大大降低了成本。

寬頻帶天線罩的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)較為成熟，但是實(shí)用的寬頻帶天線罩很少，限制寬頻帶天線罩廣泛應(yīng)用的主要因素包括天線罩的材料制備和價(jià)格、成型工藝等。隨著天線罩的使用要求越來(lái)越高，天線罩材料的制備、成型工藝的實(shí)現(xiàn)等技術(shù)成為了寬頻帶高透波率天線罩研究的重點(diǎn)。