复合材料多频选择性天线副反射面的研制.pdf

２０１４年第７期玻璃钢／复合材料６５复合材料多频选择性天线副反射面的研制王海东，李金良，宁晓磊，金超（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄０５００８１）摘要：针对Ｓ／Ｘ／Ｋｕ／Ｋａ四频段选择性天线副反射面的技术要求，从蒙皮材料、夹芯材料和粘接材料的选材方面，选出适合四频段等多频段的透波材料体系。通过对曲面振子成型工艺和副反射面成型工艺优化，掌握了工艺稳定性好、成品率高的高精度曲面偶极振子成型技术。最终成功研制出四频段选择性副反射面，其型面精度为０．０８ｒａｍ（１１１．ｓ．），Ｓ和Ｋｕ频段的透射传输损耗均小于０．２５ｄＢ。关键词：复合材料；多频选择性；天线副反射面；四频段；透渡材料———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０７００６５０４多频选择性天线副反射面（ＦＳＳ）是一种在其表面具有特殊性质的周期性金属图案的介质器件，它可以在反射一个或几个频段电磁波的同时，满足另一个或几个频段电磁波的透射，从而达到频率选择的目的。用于多频段天线系统的副反射面是天线中最为关键的部件之一，一般用在双频段、四频段等天线上。目前，国内外对双频段副反射面（或副反射器）的研制已进行多年，也取得了很好的成果。国外，如美国的ＴＤＲＳＳ（跟踪与数据中继卫星）系统跟踪天线的副反射面采用了Ｓ／Ｋｕ双频段选择性技术¨。国内的部分研究所也已对双频段选择性副反射面进行了相关研制工作¨ｑＪ，并取得了一定的成绩。上述研究仅限于双频段选择性，且频段相对较低，与反射率相关的型面精度指标要求不高，与透射率相关的传输损耗较大。而对用于高频段和更多频段的选择性副反射面的研制较少，涉及的制造技术在国内外的文献资料也很少，特别是四频段的选择性副反射面对型面精度、介电损耗等方面的要求更加严格。本文通过合理的选材，采用气体压延曲面振子阵列和中温胶接固化合型等工艺方法，成功研制出满足技术指标要求的四频段天线副反射面。１结构形式与指标要求本文所研制的复合材料多频选择性天线副反射面有效直径为５２０ｍｍ，为旋转双曲面，反射面外表“”面上有回字形偶极振子阵列，四频段共用，其工作原理如图１所示。ＸＫａＫｕＳ图１四频共用天线天馈工作原理图—Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｏｕｒｂａｎｄｓｈａｒｉｎｇａｎｔｅｎｎａｆｅｅｄ为保证型面精度，采用三明治夹芯结构，其结构形式如图２所示。图２副反射面结构不意图—Ｆｉｇ．２ＴｈｅｓｔＩｕｃｔａｒｅｏｆｓｕｂｒｅｆｌｅｃｔｏｒ多频副反射面的主要指标要求如下：（１）可满足Ｓ／Ｘ／Ｋｕ／Ｋａ等多频段使用，ｓ频段和Ｋｕ频段透射传输损耗小于０．３ｄＢ；（２）副反射面型面精度小于０．１ｍｍ（ｒ．ｍ．ｓ）；℃（３）副反射面使用温度范围为一５５～１２０。收稿日期：２０１４－０２－２６本文作者还有王庆东。作者简介：王海东（１９８０一），男，工程师，工学硕士，主要从事先进复合材料、结构材料胶接等的工艺研究工作，ｗａｎｈａｄｏｎ＠１２６．ｃｏｎ。ＥＲＰ／ＣＭ２０１４￣Ｎｄｉ７６６复合材料多频选择性天线副反射面的研制２０１４年７月２材料体系分析选择２．１蒙皮材料材料是多频选择性副反射面研制的重要基础，没有好的介质材料，再好的电性能设计也不能实现。材料的介电性能指标中介电常数占和介质损耗是选择材料的主要依据。介电常数越大则电磁波在空气与介质材料分界面上的反射就越大，将增加镜像波瓣电平并降低传输效率；介电损耗值越大，电磁波能量在穿透介质材料过程中转化为热量而损失的能量就越多。因此，要求介质材料的介电常数尽可“”能低，介电损耗值低至接近于０，以达到最小反射“”和最大传输的目的＿３Ｊ。低介电常数占的材料还能给多频选择性副反射面带来宽频带响应，允许放宽蒙皮厚度公差，从而减轻部分制造难度。由于多频副反射面对型面精度和传输损耗等方面的要求较高，传统的复合材料体系，如无碱Ｅ玻纤的模量低、膨胀系数较大介电常数大；不饱和聚酯树脂和环氧树脂的介质损耗较大、介电性能不稳定、使用温度相对较低，它们组成的复合材料体系已很难满足Ｋａ频段对高型面精度、低膨胀性和较高耐热性的要求。为此，必须选用高模量纤维和低介电常数、低介电损耗的复合材料纤维／树脂体系。目前，能用作复合材料的透波性良好的、应用较为成熟的纤维和树脂材料的部分性能见表１＿４Ｊ、表２ｌ８Ｉ９Ｊ。通过对上述表中材料体系的对比分析，选择弹性模量大，膨胀系数小，介电常数小，介电损耗较小的Ｋｅｖｌａｒ－４９芳纶纤维作为增强材料；选择介电常数和介电损耗小，介电性能波动范围小，固化温度适中，耐温ｌ生优异的氰酸酯树脂作为基体材料，最终制成Ｋｅｖｌａｒ－４９／氰酸酯预浸料，并用于副反射面的蒙皮材料。表１几种商用透波纤维性能比较ＴａｂｌｅｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｏｍｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ—ｗａｖｅｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｆｉｂｅｒｓｌＦ】啦袁２几类热固性树脂性能比较Ｔａｂｌｅ２Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｏｍｅｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇｒｅｓｉｎｓ２．２夹芯材料夹芯材料在夹层结构中主要起承担剪切应力、增加整体结构刚度和减轻重量的作用。目前，常用的几种透波罩夹芯材料见表３【１ｏ］。在几种芯材密度相当或相近的情况下，我们选用力学性能好、介电性能优异、并能与Ｋｅｖｌａｒ－４９／氰酸酯预浸料系统相匹配的芳纶纸蜂窝。表３几种夹芯材料的性能比较Ｔａｂｌｅ３Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｏｍｅｓａｎｄｗｉｃｈｍａｔｅｒｉａｌｓ２．３粘接材料复合材料多频选择性天线副反射面在成型过程“”中会在两处用到粘接材料，一处是蒙皮材料与回字形偶极振子阵列粘接，另一处是蒙皮材料与芳纶纸蜂窝粘接。本研究选用粘接性能优异、高温固化的Ｈ－Ｏ１胶膜和中温固化的Ｊ４７超薄胶膜分别对应上述两处粘接。３成型工艺３．１曲面振子阵列成型工艺平板频率选择性表面的加工已比较成熟，现有的制造方法有印制板成型、丝网漏印成型、覆铜板腐蚀成型等。而在不可展开曲面上实现频率选择性表２０１４年第７期玻璃钢／复合材料６７面还存在较大的困难，现有的制造方法有阵子单元…或图形展开料铺贴法Ｊ、电镀铜箔刻蚀法１、图形电镀反贴法、机器人数字加工刻铣法＿ｌ等。阵子单元铺贴法采用通过人工划线定位逐个铺贴的方式，存在定位精度差的缺点，仅局限于低频段电磁波的应用。电镀铜箔刻蚀法采用将液态感光油墨喷涂在曲面试件上，并将底片沿纬向分割紧贴试件上，利用旋转狭缝持续曝光显影成形曲面金属偶极振子图形的方法，该方法存在感光油墨喷涂难以实现均匀，底片的分割铺贴定位精度差，曝光质量不稳定等缺点。图形电镀反贴法采用薄板上制作图形，在图形上镀铜后，经模压变形成为曲面，然后反贴在曲面蒙皮上。该方法存在薄板材质难以蚀刻，薄板效果不理想，贴模情况差、成品率低等问题。机器人数字加工刻铣法使用柔性加工系统，由三自由度机器人、两自由度变位机和浮动电主轴组成，采取曲面分区方法将整体加工离散化，来降低加工复杂度。但该方法在加工镀铜表面时，易对薄壁曲面蒙皮表面造成损伤，影响副反射面的刚度、强度和使用寿命。“”本文采用方法是先在铜载体上电镀回字平面振子阵列图形，随后将铜载体用高压空气压延成曲面振子阵列，曲面成型后再与Ｋｅｖｌａｒ－４９／氰酸酯预浸料胶接共固化成型前蒙皮，最后通过化学酸洗的方法得到带曲面振子阵列的半刚性多频副反射面前蒙皮，其成型工艺流程见图３。该工艺路线的曲面振子阵列成功率大于８０％，且胶接质量可靠，振子阵列无任何脱落现象，前蒙皮无任何损伤，并且贴模性好、定位精度高。“”回字振子阵列在平面铜载体上电镀成形平面振子阵列压延成曲面副反射面成型模具“”带回字振子阵列的前蘩皮检验、待用前蒙皮水洗、烘干铺贴高温胶膜和预浸料曲面振子阵列与前蒙皮热压罐共固化成型前蒙皮振子外端的铜载体酸液腐蚀图３曲面振子阵列图形成型工艺流程图Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｕｒｖｅｄｄｉｐｏｌｅｏｓｃｉｌｌ￣ｏｒａｒｒａｙｓ３．２高精度多频副反射面成型工艺多频副反射面要满足四频段共用，特别是Ｋａ频段的使用，最好保证其型面精度小于０．１ｍｍ（ｒ．ｍ．ｓ），制造上具有一定的难度。要实现较高的型面精度，在材料体系确定后，多频副反射面的成型工艺方法和工艺参数控制至关重要。本研究成型工艺采用二次成型法，主要思路是先进行蒙皮、蜂窝的预制和曲面定型，然后再将前、后蒙皮与蜂窝中温胶接固化成型为副反射面，具体流程见图４。副反射面成型模具准备“”带回字振子阵列的前蒙皮定位铺贴中熳胶膜芳纶纸蜂窝定型Ｈ高温固化预制后蒙皮铺贴蜂窝铺贴后蒙皮图４高精度副反射面成型工艺流程图—Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｕｂｒｅｆｌｅｃｔｏｒ在多频副反射面的成型过程中，前、后蒙皮的预制在热压罐中进行，采用三阶固化模式，具体为：整℃个过程的升温速率为１／ｍｉｎ，室温升温到１２０；在１２０￣Ｃ保持２０ｍｉｎ后，５ｍｉｎ内将气压加到０．２ＭＰａ，随后撤去真空，并在５ｍｉｎ内加压至０．３ＭＰａ；升温至℃１５０，并保温１ｈ；升温至１８０￣Ｃ，保温４ｈ；在保压状℃态下，自然降温至６０以下后，卸压脱模。芳纶纸蜂窝在副反射面成型模具上提前定型，其定型参数℃为加热到１８０，保温４ｈ，升温速率为１～４￣Ｃ／ｍｉｎ。在副反射面中温胶接固化合型过程中，采用二阶固化模式，具体为：开始从室温升温到８０￣Ｃ，在８０￣Ｃ保持３０ｍｉｎ，随后升温至１２０￣Ｃ，并保温２ｈ。整个过程的升温速率为１￣Ｃ／ｒａｉｎ，真空负压贯穿始终。最后，自然降温至室温，停止抽真空，进行脱模。上述成型工艺方法使副反射面在胶接固化合型过程中应力释放最为均衡，更有利于高型面精度的实现，并且前、后均采用先预制后胶接的方式，很好地避免了蜂窝格子的凹陷，保证了制品的外观表面光滑平整。在天线近场ｉ贝４试系统的微波暗室中用矢量网络分析仪，通过比较法测的四频段选择性副反射面（已涂覆透明油漆）的透射与反射传输损耗见表４。岛・复合材料多频选择性天线副反射面的研制２０１４年７月表４四频段选择性副反射面的传输损耗测试值—Ｔａｂｌｅ４Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｏｓｓｔｅｓｔｖａｌｕｅｏｆｆｏｕｒｂａｎｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙ—ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｓｉｌｌ－ｆａｃｅｏｆｓｕｂｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ４结束语通过上述方法，成功研制出有效直径为５２０ｍｍ—的四频段天线副反射面，采用摄影测量法（美国ＶＳＴＡＲＳ摄影测量系统）测得其型面精度为０．０８ｍｍ≤（ｒ．ｍ．ｓ），Ｓ和Ｋｕ频段的透射传输损耗均０．２５ｄＢ，介电性能优异，满足设计指标要求，并成功应用于某大型天线，很好地实现了一部天线满足四个频段使用，提高了天线使用效率。该技术同样适用于双频段、三频段等多频选择性副反射面的制造，并在卫星通信、导弹测量、雷达等天线和天线罩上具有广阔的应用前景。参考文献［１］方芳．频率选择表面天线副反射面研制［Ｊ］．电子机械工程，２００９，２５（５）：４１－４３．［２］高建军，靳武刚．混杂纤维复合材料双频副反射器的研制［Ｊ］．２００２，３０（５）：２７－２９．［３］杨科．２０／３０ＧＨｚ频率选择面技术研究［Ｊ］．空间电子技术，２００７，（４）：３４－３６．［４］刘丽，等．天线罩用透波材料［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００８．１３４７．［５］李刚，欧书方，赵敏健．石英玻璃纤维的性能和用途［Ｊ］．玻璃纤—维，２００７，（４）：９１４．［６］张家林，吕雪松．高性能动中通天线罩设计制造和应用［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，（１）：５６－５９．［７］靳武刚．芳纶透波复合材料及在天线结构中的应用［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００３，２８（１）：２０－２４．［８］益小苏，杜善义，张立同．复合材料手册［Ｍ］．北京：化学工业出—版社，２Ｏｏ９．７２１４３．［９］李义全，王继艳，王海龙，冯永国．高频透波玻璃钢天线罩性能的研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（３）：４２＿４４．［１０］韦生文．Ａ型夹芯复合材料在地面雷达天线罩中的应用［Ｊ］．电子机械工程，２００６，２２（４）：４７４９．［１１］鲁戈舞，张剑，杨洁颖，张天翔，寇元．频率选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