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雷达天线罩的工艺设计探究
​孙东岩 王玉玲

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参考文献( GB/T 7714-2015 ) 复制

​孙东岩 王玉玲,. 雷达天线罩的工艺设计探究[J]. 天线研究,20253. DOI:10.12721/ccn.2025.157349.
摘要: 本文对雷达天线罩的工艺设计全过程进行了详细论述,结合工艺设计及产品工艺实施,探讨有关的技术问题得出天线罩在加工中应注意事项,较好的指导了实际生产。
关键词: 天线罩;成型材料;工艺设计;应用
DOI:10.12721/ccn.2025.157349
基金资助:

引言:雷达天线罩的设计主要分为电磁兼容设计、结构力学设计、制造工艺设计三个部分,其中,电磁兼容设计占据主导地位,力学结构设计和制造工艺设计处于辅助地位。以上三类设计的共同目标是能制造出能够保证雷达天线电磁兼容性能并兼顾结构力学性能的天线罩产品。首先电气设计师根据用户的要求提出初步的设计方案,然后转至结构工程师复核,校验结构设计是否合理,否则需重新修改电磁兼容设计,经过反复调整,最后确定电气设计方案并转至工艺设计师来实施生产。因此工艺设计师在保证设计要求的前提下,合理地选择材料和适当的工艺,最大限度地节约成本,从而大大地提高经济效益。

1.天线罩的性能要求

1.1电磁兼容

不同天线波束扫描方式,不同的天线工作频段,对天线罩的要求差异极大,最基本的电磁兼容性能包括:(1)平均透波率;(2)瞄准误差;(3)插入相位;(4)材料相对介电常数;(5)介质损耗角正切。

1.2结构力学性能

天线罩最重要的作用就是保障雷达天线能够正常工作,不受外部环境影响,因此结构方面的性能要求包括:(1)抗风能力;(2)制造公差;(3)密封防雨性能;(4)耐候性能。

2.天线罩成型材料

成型材的筛选需根据天线罩的用途进行确定,例如:在火箭、导弹等领域多采用耐高温耐烧蚀的无机材料,地面雷达天线罩常用中低温固化的有机树脂材料,用于卫星通讯的高频金属桁架天线罩往往采用膜材料为主。结合这些材料的统一要求是高强度、低介电常数、低损耗角正切、耐候性好等。

2.1增强纤维

天线罩常用的增强纤维有玻璃纤维、石英纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、硼纤维等,纤维的主要技术参数为拉伸强度、模量、介电常数、损耗角正切、伸长率等。

2.2基体树脂

热固性树脂是天线罩最常用的基体树脂,主要有环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂。复合材料长期在高温环境下性能会下降,这取决于基体树脂的耐温特性,虽然无机材料的工作温度可以达到1800℃以上,但是只能做成单层介质结构,有些时候会导致电磁结构设计受限。聚酰亚胺树脂和氰酸酯树脂的短时间耐温可达400℃以上,同时该类树脂具有较好的工艺性,为制造高温宽频带的夹层天线罩提供了技术保障,研究更高温度的树脂是今后发展趋势。

2.3夹芯材料

天线罩的罩壁结构主要可分为单层介质结构、夹层结构、膜结构三大类,其中夹层结构天线罩占比最大,夹层天线罩大量使用夹心材料,主要包括:蜂窝芯层、泡沫芯层。蜂窝芯层按照制造材料可分为玻璃纤维蜂窝、纸蜂窝等,是一种网状结构材料;泡沫芯层是一种微孔发泡塑料,它是以连续树脂和分散气体组成的两相材料的物体,其介电常数与空气相近。内部气孔相互连通的叫开孔泡沫,不连通的则为闭孔泡沫。天线罩常用的泡沫芯层有聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫等。

2.4膜材料

膜材料一般用于金属桁架天线罩或充气罩,目前应用较广的是PTFE膜材,该膜材采用玻璃纤维编织布在PTFE(聚四氟乙烯)中浸渍工艺制作,具有电性能好、强度高、其表面斥力大,可以防止灰尘玷污,容易清洗维护,并且膜材对日照、化学溶剂、酸碱腐蚀、湿气和氧化作用的抵抗力和耐久性高。

3.天线罩成型工艺设计

雷达罩的成型工艺主要有手糊真空袋压工艺、树脂传递模塑工艺(RTM)、热压罐工艺、模压工艺、桁架覆膜工艺等。根据天线罩的不同类型及经济性要求,选取最佳的成型工艺较为重要。下面将目前行业内主流的成型工艺进行展开介绍。

3.1手糊真空袋压工艺

手糊真空袋压工艺是使用最早、最广泛的天线罩成型方法,其基本工艺过程是在涂有脱模剂的模具上涂刷树脂,再铺一层纤维织物,并用手工挤压出气泡和多余树脂,如此一层一层铺叠直到所需要的厚度。然后用真空袋密封好,并抽真空加压,固化后脱模、修正得到天线罩。

3.2树脂传递模塑工艺

树脂传递模塑工艺(也称为RTM工艺)是一种闭模模塑成型方法,其工艺过程是在耐压的密闭模腔内,填满玻璃纤维增强材料,用压力将液态树脂注入模腔,使其渗透玻璃纤维,然后固化成型、脱模、修整得到天线罩产品。

3.3热压罐工艺

与手糊真空袋压工艺和模压工艺类似,只是在铺覆成型后需将整个部件套上真空袋放到热压罐内,袋内抽真空,外部加热加压使树脂固化,热压罐内的压力可以到2atm,温度可达400℃,经固化脱模修整后即得天线罩。

3.4模压工艺

模压工艺一般可用来制造中小型天线罩,其基本工艺过程是:将脱模处理过的玻璃纤维织物用树脂浸渍,将浸渍的织物烘干后按要求裁剪并逐层铺覆在涂有脱模剂的阳模上,铺覆的层数要视天线罩的壁厚而定,然后套上阴模,加压(也可加热)固化。模压料在模腔内逐渐固化后从模腔里取出,进行必要的修整得到天线罩成品。

4.成型工艺常见问题

成型工艺由天线罩的性能要求所决定,不同工艺能达到的公差精度也不相同,手糊真空袋压工艺应用较早,非常成熟,生产投入成本低,但由于其工作效率低,开放式作业对环境的影响较大,制品内部多发生气泡、干纱、积层厚度不均匀等常见问题,因此该工艺已逐渐被边缘化。取而代之的是目前应用较多的RTM工艺和热压罐工艺,RTM工艺采用闭模成型,工作环境友善,产品精度高,成型全过程可控且效率高,属于半自动化生产,但其设备投入资金较大,成型模具也需要特殊设计。热压罐工艺成型的产品内部质量优良,尺寸精度高,常用用于航空航天相关产品,其缺点是设备投入资金较大,罐体尺寸所限导致无法成型大尺寸制品。

5.结语

雷达天线罩的生产制造紧密关系到电磁、结构、工艺三个方面的协调设计,优秀的设计才能制造出最佳性能的天线罩,同时需要不断探索新材料和先进工艺,并成功应用在天线罩上,使天线罩的制造水平再上一个台阶。

参考文献:

[1]张开信.孙宝华等.雷达罩工程设计技术[M].南京:信息产业部第十四研究所,2000.203~211.

[2]鞠金山.陈学军等.雷达天线罩制造工艺技术初探[C].中国电子学会化学专业委员会第五届年会论文集,2000.164~167.

[3] 张强.天线罩理论与设计方法[M].北京:国防工业出版社,2014.391~400.