摘　要

　　通过对耐深水压树脂基复合材料天线罩的工艺优化、电性设计、结构强刚度校核以及测试验证，本文为该类耐深水压制品提供了一条眭价比优异、成型环境友好的低成本研制方法：无碱玻璃纤维增强织物和环氧树脂基体通过抽真空灌注成型加热固化工艺复合制成耐深水压树脂基复合材料天线罩。
　　关键词：低成本；耐深水压；天线罩；研制

　　天线罩又称电磁窗(Electromagnetic Windows)，其英文名为Radome(Radar Dome的缩写)，把雷达反射面等高精度、高灵敏度的电子元器件等保护在罩壳内，使得在保持其结构、温度和空气动力等特性的同时，能得到雷达所要求的电磁特性Ⅲ。简而言之，天线罩是安装在雷达天线外围的保护壳体，其主要用途是在不影响雷达电磁波正常工作的前提下，防止大风、炎热、酷寒、雨雪、盐雾、湿气、紫外线、砂尘、冰雹、昆虫等恶劣工况对雷达正常工作状态的影响、干扰和破坏，确保雷达在各种环境下连续正常运行，提高雷达使用的可用度、可靠性、精确性和安全性，提高其使用寿命和效费比，综合效益十分明显。
　　在天线罩给雷达提供上述众多优点的同时，因其在雷达电磁波传播路径中引入了新的介质，该介质不是无损耗材料，会使雷达的电气性能受到一定的负面影响。与无罩雷达理想工作状态相比，由于天线罩壳体对电磁波的散射与吸收，其电磁性能会下降。为此，天线罩设计师必须通过对其罩壳的材料、工艺、结构和电性等优化设计，以满足天线罩的结构强刚度，在满足各种恶劣环境时安全可靠使用的前提下，确保天线罩不影响雷达电磁波的正常工作。本文根据某耐深水压天线罩外形尺寸、电性与力学指标要求(①高：0.4m，下半部分为直径0.25m的圆柱壳，上半部为直径0.25m的半球壳，②工作频带：12.25-14.5GHz，天线罩插入损耗小于1.5dB，③天线罩能承受外水压4.5MPa。)，充分发挥复合材料“材料-结构-产品”为一体的特点，罩壁采用了性价比高的无碱玻璃纤维织物增强环氧树脂基复合材料，成型工艺采用了抽真空灌注成型加热固化工艺――种预铺设增强织物、树脂抽真空灌注和加热固化相结合的树脂基复合材料液体成型工艺(具有成型环境友好、制作成本低、劳动强度低，对产品的尺寸和形状限制较少、产品密实均匀及力学性能好等优点，产品的力学性能和均匀稳定性均显著优于常规手糊成型工艺，可和热压釜成型工艺相媲美砸)，并通过对耐深水压天线罩电性设计、结构强刚度校核与测试验证，为耐深水压天线罩及相关制品提供了一条性价比优异、成型环境友好、质量可控的低成本研制方案，避免了以往该类制品通常采用热压罐成型工艺的高成本、高能耗等缺点，也避免了以往该类制品采用手糊成型工艺的质量不稳定、电性与结构性能不理想等缺点。

1　实验材料及方法

1.1　原料
　　实验采用的主要原材料如下：(1)增强材料：无碱玻璃纤维布(SHFRPE2_^#)，购于上海海鹰绝缘玻璃纤维有限公司；(2)树脂基体：环氧树脂(SHFRPEP5#)及其配套固化剂，购于上海霓而笙复合材料有限公司。
1.2　制备
　　根据抽真空灌注成型加热固化工艺，本文按照图1试样及其产品加工流程，制作了无碱玻璃纤维织物增强环氧树脂基复合材料试板、耐深水压天线罩制品。先，准备好金属模具，确保其满足真空灌注的气密性要求，模具表面干净光滑，脱模剂按要求涂覆均匀，尺寸满足精度要求；然后在环境温度为15~25℃，相对湿度为60％以下的成型环境下，在模具表面按铺层要求铺设预备干燥好的增强织物，直至预定层数，然后在上述增强织物外表面铺设内、外抽真空灌注成型工艺的辅助材料，并按抽真空加压工艺对其进行抽真空预加压，再次检验含试样或产品增强材料铺层的抽真空袋膜系统的密封性，在密封性良好的基础上，树脂配料、脱气，开始真空灌注成型。当产品开始凝胶固化时，按抽真空加热固化工艺再对其进行加热、抽真空加压固化。固化完成后，即可进行后加工。

2　结果与讨论

　　图1为试样及其产品加工流程。

2.1　电磁性能
　　因天线罩壳的介质材料不是无损耗材料，引入雷达的电性工作区后，会对雷达的微波产生散射与吸收，微波透过天线罩壳介质材料时将伴随着其电磁波能量的损失，一般可用以下公式表示：

　　式中，

　　微波在天线罩壳介质材料中的传播情况，除了取决于天线罩壳介质材料本身的介电性能(介电常数ε、介质损耗角正切值tanδ)以外，还取决于天线罩壳的结构形式、厚度和雷达的工作频率、入射角度和极化方式等因素。
　　本文涉及的耐深水压天线罩壳材质为无碱玻璃纤维织物增强环氧树脂基的实心复合材料，当电磁波自空气介质b区入射到实心复合材料罩壳介质a区时，由于a介质与b介质的介电性能不同，一部分电磁波能量在罩壳的前壁被散射，另一部分被透射；而透射的电磁波在实心复合材料罩壳介质a区的后壁又发生散射，且其中又有一部分能量通过前壁，与前壁散射的电磁波相叠加，其余的电磁波就是透过实心复合材料罩壳介质a区的电磁波，透射、散射情况见图2。在电磁波的传输过程中，将还有一部分能量由于实心复合材料罩壳介质损耗使电磁场能变成热能而损失。电磁波能量的热损失A不仅与实心复合材料罩壳材料的固有的介电性能有关，同样也与实心复合材料罩壳的厚度和电磁波的波长、入射角、雷达极化方式等因素有关。

　　根据复合材料可设计性强、“材料-结构-产品”一体化特性，在增强材料、基体材料优选的基础上(增强材料为SHFRPE2#、基体材料为SHFRPEP5#)，下面就无碱玻璃纤维织物增强环氧树脂基复合材料试板、产品(成型工艺均采用了抽真空灌注成型加热固化工艺)进行讨论，对其厚度进行电性设计、结构强刚度校核与测试验证。
2.2　厚度设计与测试验证
　　试板、产品的材质为抽真空灌注成型加热固化的无碱玻璃纤维织物(SHFRPE2#)增强环氧树脂基(SHFRPEP5#)复合材料实体，其介电常数：4.5，介质损耗角正切值：0.012。如图2所示“实心复合材料试板的透射与散射”，根据电磁波的射线跟踪法，在12.25-14.5GHz工作频段内，天线罩插入损耗小于1.5dB指标要求下，可计算推得：试板壁厚需不大于12mm(即2阶和2阶以下范围壁厚内，而3阶和3阶以上壁厚均远远不能满足该耐深水压天线罩在整
个工作频段范围内的透波指标要求)。
　　根据这一计算结果，本文采用上述相同的工艺和材料，制作了2组试板，分别对其工作频段进行透波性能测试与验证，测试结果见图3、图4。其中，第1组试板，厚度在1阶电厚度范围内，分别为δ1=3.5mm、δ2=4.5mm、δ3=5.5mm、δ4=6.5mm、δ5=7.5mm，共5块实心复合材料试板；第2组试板，厚度在2阶电厚度范围内，分别为δ6=8.5mm、δ7=9.5mm、δ8=10.5mm、δ9=11.5mm、δ10=12.5mm、δ11=13.5mm，共6块实心复合材料试板。
　　根据第1组不同厚度试板的测试结果，可得出如下结论：在1阶厚度范围内，试板厚度在5.5mm时，很好的满足整个工作频段的透波性能指标要求，试板厚度在4.5mm时，也较好的满足整个工作频段的透波性能指标要求。试板厚度在6．5mm时，试板仅在部分工作频段的透波损耗小于1.5dB，随着试板厚度偏离5.5mm程度的增加，其透波损耗大于1.5dB的工作频段范围也增大，试板厚度在7.5mm、3.5mm时，试板在整个工作频段的透波损耗均大于1.5dB厚度，不满足透波性能的指标要求。

　　根据第2组不同厚度试板的测试结果，可得出如下结论：在2阶厚度范围内，试板厚度在10.5mm时，满足整个工作频段的透波性能指标要求。试板厚度在9.5mm、11.5mm、12.5mm时，试板仅在部分工作频段的透波损耗小于1.5dB，且随着试板厚度偏离10.5mm程度增加，其透波损耗大于1.5dB的工作频段也增大，不满足整个工作频段的透波性能指标要求，试板厚度在8.5mm、13.5mm时，试板在整个工作频段的透波损耗均大于1.5dB厚度，不满足透波性能的指标要求。
　　因此，根据上述电性计算和电性测试验证，试板厚度在10.5 mm、5.5 mm、4.5 mm时，均能满足在整个工作频段(12.25-14.5GHz)透波损耗不大于1.5dB的要求，但试板厚度在5.5 mm、4.5 mm时，显然不能满足该天线罩承受外水压4.5MPa的强刚度要求。

　　该耐深水压树脂基复合材料天线罩(高：0.4m，下半部分为直径0.25m的圆柱壳，上半部为直径0.25m的半球壳)壁厚取10.5mm，材料为抽真空灌注成型加热固化的无碱玻璃纤维织物(SHFRPEW2#)增强环氧树脂基(SHFRPEP5#)复合材料，经结构强刚度计算校核(其中，罩体VonMise应力云图和罩体总位移分别见图5、图6)o并对耐深水压天线罩根部非电性区进行增强处理，该天线罩能承受外水压4.5MPa的强刚度要求，产品通过了船舶重工集团公司第七零二研究所的舰船流体与结构性能检测实验室水压试验(加压流程如图7、图8、图9)验证：产品在加到4.5MPa水压下，不失稳、不渗漏，天线罩应变与压力呈线性关系，材料处于弹性阶段内，天线罩能承受外水压4.5MPa的试验，满足力学陛能指标要求。因此，产品满足了该耐深水压树脂基复合材料天线罩力学与电性指标要求。

3　结　论

　　通过对耐深水压树脂基复合材料天线罩电性设计、结构强刚度校核与测试验证，本文采用了性价比高的无碱玻璃纤维织物增强环氧树脂基复合材料，成型工艺采用了抽真空灌注成型加热固化工艺，研制出了耐深水压天线罩(高：0.4m，下半部分为直径0.25m的圆柱壳，上半部为直径0.25m的半球壳，壁厚10.5mm)，满足该天线罩电性指标要求：工作频带12.25-14.5GHz，透波损耗小于1.5dB，能承受外水压4.5MPa，为耐深水压天线罩及相关制品提供了一条性价比优异、成型环境友好、质量可控的低成本研制方法。