摘　要

　　通過對耐深水壓樹脂基復合材料天線罩的工藝優化、電性設計、結構強剛度校核以及測試驗證，本文為該類耐深水壓制品提供了一條眭價比優異、成型環境友好的低成本研制方法：無堿玻璃纖維增強織物和環氧樹脂基體通過抽真空灌注成型加熱固化工藝復合制成耐深水壓樹脂基復合材料天線罩。
　　關鍵詞：低成本；耐深水壓；天線罩；研制

　　天線罩又稱電磁窗(Electromagnetic Windows)，其英文名為Radome(Radar Dome的縮寫)，把雷達反射面等高精度、高靈敏度的電子元器件等保護在罩殼內，使得在保持其結構、溫度和空氣動力等特性的同時，能得到雷達所要求的電磁特性Ⅲ。簡而言之，天線罩是安裝在雷達天線外圍的保護殼體，其主要用途是在不影響雷達電磁波正常工作的前提下，防止大風、炎熱、酷寒、雨雪、鹽霧、濕氣、紫外線、砂塵、冰雹、昆蟲等惡劣工況對雷達正常工作狀態的影響、干擾和破壞，確保雷達在各種環境下連續正常運行，提高雷達使用的可用度、可靠性、精確性和安全性，提高其使用壽命和效費比，綜合效益十分明顯。
　　在天線罩給雷達提供上述眾多優點的同時，因其在雷達電磁波傳播路徑中引入了新的介質，該介質不是無損耗材料，會使雷達的電氣性能受到一定的負面影響。與無罩雷達理想工作狀態相比，由于天線罩殼體對電磁波的散射與吸收，其電磁性能會下降。為此，天線罩設計師必須通過對其罩殼的材料、工藝、結構和電性等優化設計，以滿足天線罩的結構強剛度，在滿足各種惡劣環境時安全可靠使用的前提下，確保天線罩不影響雷達電磁波的正常工作。本文根據某耐深水壓天線罩外形尺寸、電性與力學指標要求(①高：0.4m，下半部分為直徑0.25m的圓柱殼，上半部為直徑0.25m的半球殼，②工作頻帶：12.25-14.5GHz，天線罩插入損耗小于1.5dB，③天線罩能承受外水壓4.5MPa。)，充分發揮復合材料“材料-結構-產品”為一體的特點，罩壁采用了性價比高的無堿玻璃纖維織物增強環氧樹脂基復合材料，成型工藝采用了抽真空灌注成型加熱固化工藝――種預鋪設增強織物、樹脂抽真空灌注和加熱固化相結合的樹脂基復合材料液體成型工藝(具有成型環境友好、制作成本低、勞動強度低，對產品的尺寸和形狀限制較少、產品密實均勻及力學性能好等優點，產品的力學性能和均勻穩定性均顯著優于常規手糊成型工藝，可和熱壓釜成型工藝相媲美砸)，并通過對耐深水壓天線罩電性設計、結構強剛度校核與測試驗證，為耐深水壓天線罩及相關制品提供了一條性價比優異、成型環境友好、質量可控的低成本研制方案，避免了以往該類制品通常采用熱壓罐成型工藝的高成本、高能耗等缺點，也避免了以往該類制品采用手糊成型工藝的質量不穩定、電性與結構性能不理想等缺點。

1　實驗材料及方法

1.1　原料
　　實驗采用的主要原材料如下：(1)增強材料：無堿玻璃纖維布(SHFRPE2_^#)，購于上海海鷹絕緣玻璃纖維有限公司；(2)樹脂基體：環氧樹脂(SHFRPEP5#)及其配套固化劑，購于上海霓而笙復合材料有限公司。
1.2　制備
　　根據抽真空灌注成型加熱固化工藝，本文按照圖1試樣及其產品加工流程，制作了無堿玻璃纖維織物增強環氧樹脂基復合材料試板、耐深水壓天線罩制品。先，準備好金屬模具，確保其滿足真空灌注的氣密性要求，模具表面干凈光滑，脫模劑按要求涂覆均勻，尺寸滿足精度要求；然后在環境溫度為15~25℃，相對濕度為60％以下的成型環境下，在模具表面按鋪層要求鋪設預備干燥好的增強織物，直至預定層數，然后在上述增強織物外表面鋪設內、外抽真空灌注成型工藝的輔助材料，并按抽真空加壓工藝對其進行抽真空預加壓，再次檢驗含試樣或產品增強材料鋪層的抽真空袋膜系統的密封性，在密封性良好的基礎上，樹脂配料、脫氣，開始真空灌注成型。當產品開始凝膠固化時，按抽真空加熱固化工藝再對其進行加熱、抽真空加壓固化。固化完成后，即可進行后加工。

2　結果與討論

　　圖1為試樣及其產品加工流程。

2.1　電磁性能
　　因天線罩殼的介質材料不是無損耗材料，引入雷達的電性工作區后，會對雷達的微波產生散射與吸收，微波透過天線罩殼介質材料時將伴隨著其電磁波能量的損失，一般可用以下公式表示：

　　式中，

　　微波在天線罩殼介質材料中的傳播情況，除了取決于天線罩殼介質材料本身的介電性能(介電常數ε、介質損耗角正切值tanδ)以外，還取決于天線罩殼的結構形式、厚度和雷達的工作頻率、入射角度和極化方式等因素。
　　本文涉及的耐深水壓天線罩殼材質為無堿玻璃纖維織物增強環氧樹脂基的實心復合材料，當電磁波自空氣介質b區入射到實心復合材料罩殼介質a區時，由于a介質與b介質的介電性能不同，一部分電磁波能量在罩殼的前壁被散射，另一部分被透射；而透射的電磁波在實心復合材料罩殼介質a區的后壁又發生散射，且其中又有一部分能量通過前壁，與前壁散射的電磁波相疊加，其余的電磁波就是透過實心復合材料罩殼介質a區的電磁波，透射、散射情況見圖2。在電磁波的傳輸過程中，將還有一部分能量由于實心復合材料罩殼介質損耗使電磁場能變成熱能而損失。電磁波能量的熱損失A不僅與實心復合材料罩殼材料的固有的介電性能有關，同樣也與實心復合材料罩殼的厚度和電磁波的波長、入射角、雷達極化方式等因素有關。

　　根據復合材料可設計性強、“材料-結構-產品”一體化特性，在增強材料、基體材料優選的基礎上(增強材料為SHFRPE2#、基體材料為SHFRPEP5#)，下面就無堿玻璃纖維織物增強環氧樹脂基復合材料試板、產品(成型工藝均采用了抽真空灌注成型加熱固化工藝)進行討論，對其厚度進行電性設計、結構強剛度校核與測試驗證。
2.2　厚度設計與測試驗證
　　試板、產品的材質為抽真空灌注成型加熱固化的無堿玻璃纖維織物(SHFRPE2#)增強環氧樹脂基(SHFRPEP5#)復合材料實體，其介電常數：4.5，介質損耗角正切值：0.012。如圖2所示“實心復合材料試板的透射與散射”，根據電磁波的射線跟蹤法，在12.25-14.5GHz工作頻段內，天線罩插入損耗小于1.5dB指標要求下，可計算推得：試板壁厚需不大于12mm(即2階和2階以下范圍壁厚內，而3階和3階以上壁厚均遠遠不能滿足該耐深水壓天線罩在整
個工作頻段范圍內的透波指標要求)。
　　根據這一計算結果，本文采用上述相同的工藝和材料，制作了2組試板，分別對其工作頻段進行透波性能測試與驗證，測試結果見圖3、圖4。其中，第1組試板，厚度在1階電厚度范圍內，分別為δ1=3.5mm、δ2=4.5mm、δ3=5.5mm、δ4=6.5mm、δ5=7.5mm，共5塊實心復合材料試板；第2組試板，厚度在2階電厚度范圍內，分別為δ6=8.5mm、δ7=9.5mm、δ8=10.5mm、δ9=11.5mm、δ10=12.5mm、δ11=13.5mm，共6塊實心復合材料試板。
　　根據第1組不同厚度試板的測試結果，可得出如下結論：在1階厚度范圍內，試板厚度在5.5mm時，很好的滿足整個工作頻段的透波性能指標要求，試板厚度在4.5mm時，也較好的滿足整個工作頻段的透波性能指標要求。試板厚度在6．5mm時，試板僅在部分工作頻段的透波損耗小于1.5dB，隨著試板厚度偏離5.5mm程度的增加，其透波損耗大于1.5dB的工作頻段范圍也增大，試板厚度在7.5mm、3.5mm時，試板在整個工作頻段的透波損耗均大于1.5dB厚度，不滿足透波性能的指標要求。

　　根據第2組不同厚度試板的測試結果，可得出如下結論：在2階厚度范圍內，試板厚度在10.5mm時，滿足整個工作頻段的透波性能指標要求。試板厚度在9.5mm、11.5mm、12.5mm時，試板僅在部分工作頻段的透波損耗小于1.5dB，且隨著試板厚度偏離10.5mm程度增加，其透波損耗大于1.5dB的工作頻段也增大，不滿足整個工作頻段的透波性能指標要求，試板厚度在8.5mm、13.5mm時，試板在整個工作頻段的透波損耗均大于1.5dB厚度，不滿足透波性能的指標要求。
　　因此，根據上述電性計算和電性測試驗證，試板厚度在10.5 mm、5.5 mm、4.5 mm時，均能滿足在整個工作頻段(12.25-14.5GHz)透波損耗不大于1.5dB的要求，但試板厚度在5.5 mm、4.5 mm時，顯然不能滿足該天線罩承受外水壓4.5MPa的強剛度要求。

　　該耐深水壓樹脂基復合材料天線罩(高：0.4m，下半部分為直徑0.25m的圓柱殼，上半部為直徑0.25m的半球殼)壁厚取10.5mm，材料為抽真空灌注成型加熱固化的無堿玻璃纖維織物(SHFRPEW2#)增強環氧樹脂基(SHFRPEP5#)復合材料，經結構強剛度計算校核(其中，罩體VonMise應力云圖和罩體總位移分別見圖5、圖6)o并對耐深水壓天線罩根部非電性區進行增強處理，該天線罩能承受外水壓4.5MPa的強剛度要求，產品通過了船舶重工集團公司第七零二研究所的艦船流體與結構性能檢測實驗室水壓試驗(加壓流程如圖7、圖8、圖9)驗證：產品在加到4.5MPa水壓下，不失穩、不滲漏，天線罩應變與壓力呈線性關系，材料處于彈性階段內，天線罩能承受外水壓4.5MPa的試驗，滿足力學陛能指標要求。因此，產品滿足了該耐深水壓樹脂基復合材料天線罩力學與電性指標要求。

3　結　論

　　通過對耐深水壓樹脂基復合材料天線罩電性設計、結構強剛度校核與測試驗證，本文采用了性價比高的無堿玻璃纖維織物增強環氧樹脂基復合材料，成型工藝采用了抽真空灌注成型加熱固化工藝，研制出了耐深水壓天線罩(高：0.4m，下半部分為直徑0.25m的圓柱殼，上半部為直徑0.25m的半球殼，壁厚10.5mm)，滿足該天線罩電性指標要求：工作頻帶12.25-14.5GHz，透波損耗小于1.5dB，能承受外水壓4.5MPa，為耐深水壓天線罩及相關制品提供了一條性價比優異、成型環境友好、質量可控的低成本研制方法。