陳葉茹，溫 原，鄧正勇，郭德宇

(浙江瑞堂塑料科技股份有限公司，浙江 寧波 315323)

0 引 言

天線罩是用于雷達、電磁信號發(fā)射器等電子設備的防護部件，透波率(功率傳輸系數(shù))是其核心指標之一。美國[1]和我國[2-3]相關規(guī)定中最高等級的天線罩要求平均透波率≥90%，最低透波率≥85%。(我國對空雷達Ⅱ型罩要求整罩透波率≥93%[4])。

雷達和電磁信號發(fā)射逐步向高頻方向發(fā)展，地面型軍用雷達[3]頻段在0.05～18 GHz，電信5G-FR1頻段在0.45～6 GHz范圍內[5]。

天線罩的透波率可用式(1)[6]表示：

(1)

式中：ε為介電常數(shù)；θ為入射角；tanδ為介電損耗；d為壁厚,單位為m；λ為波長,單位為m；

當不考慮熱損耗，電磁波垂直入射時，θ=0°，式(1)可簡化為：

(2)

從式(1)、(2)可知，天線罩材料具有較小的介電常數(shù)和介電損耗是提高透波率的關鍵。目前，天線罩所用殼體材料的介電常數(shù)均大于2[7]，夾層所用蜂窩材料的介電常數(shù)可低至1.1[3]。

滾塑成型是制備大型中空制品的加工方式，目前最大可加工350 m3(球形當量直徑可達8.7 m)的塑料制品[8]。滾塑成型具有一次性整體成型的特點，制品無需拼裝、焊接。所用聚乙烯材料具有高耐候、耐環(huán)境腐蝕、輕質、易得、可回收等優(yōu)點，是加工中小型地面或車載天線罩不可多得的工藝之一。

通過二次投料技術，滾塑成型工藝可以一次性加工多層制品[9]，這為滿足天線罩的多層結構要求提供了優(yōu)異的加工基礎。目前利用滾塑成型技術制備天線罩只有極個別的案例[10]，說明滾塑成型的潛力尚待開發(fā)。

應某空軍機場的要求，設計開發(fā)了直徑1.8 m的地面天線罩。天線罩選用了“實心層+泡沫層”的雙層結構，實心層選用了介電常數(shù)為1.9的改性聚乙烯，厚度2 mm；泡沫層選用了密度為0.156 g/cm3的發(fā)泡聚乙烯，厚度8 mm，通過二次投料的滾塑成型技術，一次性加工成天線罩制品，在 1 GHz～11.44 GHz和15.27 GHz～16.11 GHz頻段透波率≥95%。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

線性低密度聚乙烯LLDPE 50035E，產自沙特沙比克公司，熔體質量流動速率MMI=5 g/10 min,密度ρ=0.935 g/cm3。

低介電常數(shù)滾塑聚乙烯LLD160P，自制，MMI=5 g/10 min,ρ=0.935 g/cm3。

發(fā)泡級滾塑聚乙烯LLD486P，自制，發(fā)泡倍率6倍。

1.2 試樣制備

將材料放在壓片機模具中，溫度220 ℃，時間15 min，壓力3.5 MPa,使用水冷至80 ℃脫模。使用裁刀制備成長度80 mm、寬度10 mm的樣片進行彎曲性能的測試。

將LLD486P放置在平面托盤上，在200 ℃熱風烘箱中自由發(fā)泡，時間6 min。取出自然冷卻后，通過鉆床及裁刀加工成外7 mm、內3.04 mm、厚2 mm的同軸環(huán)試樣進行介電常數(shù)的測定。

透過滾塑成型加工成外層厚度2 mm(材料LLD160P)、內層厚度8 mm(材料LLD486P)的制品，通過裁刀加工成180 mm×180 mm的樣片進行透波率的測定。

1.3 性能測試

基體樹脂密度，按照GB/T 1033.1-2008《塑料密度和相對密度試驗方法》進行，選擇浸漬法。

發(fā)泡材料LLD486P密度，按照GB/T 6343-2009 《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》進行。

發(fā)泡倍率β按照式(3)進行計算：

β=ρ0/ρ

(3)

式中：ρ0為基體樹脂密度，單位g/cm3;ρ為發(fā)泡材料表觀密度，單位g/cm3。

彎曲性能，按照GB/T9341-2000《塑料彎曲性能試驗方法》進行，跨距64 mm，試驗速度20 mm/min。

克力值κ，按照式(4)進行計算：

κ=F/mL

(4)

式中：F為撓度為10 mm時的力值，單位N；mL為跨距內樣條的質量，單位g。

克力值倍率，按照式(5)進行計算：

α=κ/κ0

(5)

式中：κ為發(fā)泡材料的克力值，單位N/g；κ0為基體材料的可力值，單位N/g。

介電常數(shù)：按照SJ 20512-1995《微波大損耗固體材料復介電常數(shù)和復磁導率測試方法》進行測試，溫度23 ℃，掃描頻率1～18 GHz。

透波率：按照GJB 7954-2012《雷達透波材料透波率測試方法》進行測試。掃描頻率2～4 GHz,4～8 GHz,8～18 GHz。

2 結果和討論

2.1 LLD160P的介電常數(shù)

聚乙烯的介電常數(shù)測量值變異性較大，馮學敬等[11]測量出100 kHz下聚乙烯的介電常數(shù)為2.28,張?zhí)煨馵12]測量出10 Hz～1 MHz頻段聚乙烯的介電常數(shù)為2.18，唐萍等[13]測量出在1 kHz～1 MHz頻段聚乙烯的介電常數(shù)為2.75，張冬等[14]測量出在1～10 MHz頻段聚乙烯的介電常數(shù)為2.34，張?zhí)靾虻萚15]測量出0.75～3 GHz頻段聚乙烯的介電常數(shù)為2.315。

介電常數(shù)和聚乙烯的內部缺陷相關，當聚乙烯內部含有羥基、酮基時，介電常數(shù)升高[16]；此外，由于介電常數(shù)是物質極化率的反映，當聚乙烯所含助劑極性較大時，會引起介電常數(shù)升高?；谶@些原理，對改性助劑進行優(yōu)選，制備了介電常數(shù)低至1.9的改性聚乙烯LLD160P(見圖1)。

圖1 LLD160P和普通LLDPE的介電常數(shù)

圖1結果表明，普通聚乙烯LLD50035E和低介電常數(shù)聚乙烯LLD610P在1～16 GHz頻段介電常數(shù)均比較穩(wěn)定，體現(xiàn)出對頻率的不敏感性。但2種聚乙烯在中心頻率為17.4 GHz時均出現(xiàn)反常色散特征。

經(jīng)式(2)計算可知，當介電常數(shù)從2.3下降到1.9時，透波率從95.8%提高到97.5%，提高了約18%。

2.2 發(fā)泡聚乙烯的力學增強效果

在低介電常數(shù)聚乙烯LLD160P的基礎上，使用偶氮二甲酰胺為主發(fā)泡劑，進一步研制了發(fā)泡級聚乙烯。圖2給出了發(fā)泡倍率和克力值倍率的數(shù)據(jù)。當發(fā)泡倍率在5～6倍時，單位重量材料的抗壓能力有最高值，是非發(fā)泡材料的4倍左右。當發(fā)泡倍率繼續(xù)增高時，泡孔破裂程度的增加導致克力值倍率迅速下降。因此，保持5～6倍發(fā)泡倍率可以提供最佳的力學增強效果，也是最經(jīng)濟的泡沫制備方法。

圖2 發(fā)泡倍率和克力值倍率的關系

2.3 LLD486P的介電常數(shù)

經(jīng)過發(fā)泡后，聚乙烯的介電常數(shù)下降，發(fā)泡倍率為6倍的LLD486P。在1～16 GHz頻段，介電常數(shù)基本穩(wěn)定，降低到1.26～1.30(見圖3),其介電常數(shù)的標準偏差為0.013 6，遠小于LLD160P的0.026 5,表現(xiàn)出頻率依賴性的減弱；當頻率在16～18 GHz時，介電常數(shù)逐漸上升至1.38，這和LLD160P的反常色散相對應。

圖3 LLD486P的介電常數(shù)

2.4 天線罩的結構穩(wěn)定性

使用有限元分析，建立了直徑1.8 m地面雷達的天線罩模型，天線罩選用了“實心層+泡沫層”的雙層結構，實心層選用了介電常數(shù)為1.9的改性聚乙烯LLD160P，厚度2 mm；泡沫層選用了密度為0.156 g/cm3的發(fā)泡聚乙烯LLD486P，厚度8 mm。模擬了12級颶風(風速36.9 m/s)下天線罩結構的穩(wěn)定性，驗證了天線罩的結構強度(見圖4和圖5)。分析結果表明，天線罩的最大應力為9.6 MPa，最大變形量27.5 mm，滿足安全系數(shù)1.5的規(guī)定。

圖4 有限元分析應力圖

圖5 有限元分析位移圖

2.5 天線罩的透波率

從圖6可知，制作的雷達罩在電磁波垂直入射時，頻率在1～16 GHz之間，透波率比較穩(wěn)定。由于熱損耗上升，隨著頻率的增加，透波率緩慢下降；當頻率≥16 GHz時，透波率迅速下降至60%。這和介電常數(shù)的反常色散相對應。

從透波率數(shù)據(jù)可求得，透波率≥90%的頻寬為1～16.31 GHz;透波率≥93%的頻寬為1～12.42 GHz和14.93～16.2 GHz；透波率≥95%的頻寬為1～11.44 GHz和15.27～16.11 GHz。

圖6 天線罩的透波率和頻率的關系

3 結束語

使用二次投料的滾塑成型工藝，研制了“實心層+泡沫層”雙層結構的天線罩，經(jīng)測試滿足使用要求，并得到以下結論：

(1) 滾塑成型多層天線罩的工藝是可行的，其力學結構和介電性能滿足天線罩的使用要求。

(2) 該結構具有高透波率特征。透波率≥95%的頻寬為1～11.44 GHz和15.27～16.11 GHz，具有較強的先進性。