第9章復合材料的高頻介電性能能與雷達罩

1、1第第9 9章章 復合材料的高頻介電性能復合材料的高頻介電性能與雷達罩與雷達罩29.1 復合材料的高頻介電性能復合材料的一項重要用途，是用來制造雷達整流罩及各種微波天線保護罩。這些罩子質(zhì)量優(yōu)劣，很大程度上取決于復合材料的高頻介電性能。復合材料低頻絕緣高頻透波金屬材料高頻絕緣低頻導電介電性能3介電性能材料在電場中表現(xiàn)出來的導電行為及其內(nèi)部發(fā)生的一些物理現(xiàn)象，如介質(zhì)的極化、電流的穿透等問題，總稱為材料的介電性能。材料在低頻電場條件下的電行為屬于材料的低頻介電性低頻介電性能能，在高頻電場下的電行為屬材料的高頻介電性能高頻介電性能。對用于雷達罩及各種微波天線保護罩的復合材料（除CFRP），因它工作在雷

2、達天線輻射出來的高頻電（磁）雷達天線輻射出來的高頻電（磁）場條件場條件下，作用是用來保護雷達天線的，所以主要研究它的高頻介電性能。4介電常數(shù) 在學術(shù)文獻中的解釋 o 1介電常數(shù)是指物質(zhì)保持電荷的能力，損耗因數(shù)是指由于物質(zhì)的分散程度使能量損失的大小.理想的物質(zhì)的兩項參數(shù)值較小 o 2.其介質(zhì)常數(shù)具有復數(shù)形式，實數(shù)部分稱為介電常數(shù)，虛數(shù)部分稱為損耗因子.通常用損耗正切值(損耗因子與介電常數(shù)之比)來表示材料與微波的耦合能力，損耗正切值越大，材料與微波的耦合能力就越強 o 3介電常數(shù)是指在同一電容器中用某一物質(zhì)為電介質(zhì)與該物質(zhì)在真空中的電容的比值.在高頻線路中信號傳播速度的公式如下：V=K 5機載雷達

3、的功能機載雷達的功能 是通過其天線輻射出一定頻率的電磁波， 利用電磁波傳播過程的特性， 達到探索目標、測距、定位以及控制武器攻擊目標等目的。69.2 電磁波通過雷達罩時的物理現(xiàn)象及其對雷達工作的影響 雷達天線輻射出來的電磁波束射向雷達罩時，會產(chǎn)生反射、折射反射、折射和透過透過現(xiàn)象；用作雷達罩的材料在電磁波作用下產(chǎn)生“極化極化”現(xiàn)象和損耗（吸損耗（吸收）電磁波能量收）電磁波能量的現(xiàn)象。 電磁波的反射和能量損耗對雷達工作性能的影響最大。71 1） 減少了雷達的最大測距減少了雷達的最大測距電磁波能量越高，傳播距離越大，對雷達而言就是其最大測距增大。雷達罩反射了部分電磁波的能量，因而雷達的最大測距比無

4、罩時減小。Dmax-雷達的最大測距，米; Pf-雷達發(fā)射出電磁波的最大功率值，瓦Pj-雷達接受機可鑒別的目標物最小功率反射值，瓦A-雷達接收機天線的有效面積，米2, -目標物的有效反射面積，米2-所發(fā)射電磁波的波長，米9.2.1 雷達罩反射電磁波對雷達工作的影響82 2）使雷達）使雷達“無線方向性圖無線方向性圖”產(chǎn)生畸變產(chǎn)生畸變 雷達天線向其周圍發(fā)射的電磁波能量分布的不同規(guī)律性，可用截面圖形表示出來，稱為天線的方向性圖。 對入射電磁波的反射會造成電磁波能量的分布或最大能量電磁波能量的分布或最大能量發(fā)射方向發(fā)生變化發(fā)射方向發(fā)生變化，即天線方向性圖畸變。瓣狀天線方向性圖平方余割天線方向性圖9罩壁材

5、料的選擇，是影響反射的首要因素。 罩壁材料的介質(zhì)損耗越小，對電磁波吸收越少。罩壁材料中的基體材料品種、用量、固化程度及均勻性是影響雷達罩對電磁波吸收的主要因素。對各種結(jié)構(gòu)的雷達罩都存在某一理想的厚度，稱“最佳厚度最佳厚度”，使罩壁前后表面反射的電磁波疊加后，減至最小，以降低反射對雷達性能的影響。9.2.2 影響雷達罩反射電磁波的因素1）雷達罩材料）雷達罩材料2）壁厚）壁厚10 對復合材料雷達罩，基體材料是影響雷達罩高頻介電基體材料是影響雷達罩高頻介電性的主要因素性的主要因素，基體材料的固化反應程度，以及基體材料的含量及其均勻性，是影響雷達罩反射的重要因素。所以工藝條件的控制工藝條件的控制、含膠

6、量含膠量以及結(jié)構(gòu)均勻性結(jié)構(gòu)均勻性，是影響雷達反射的重要因素。 雷達罩電氣類別的選擇，罩壁上是否含有夾雜物，特別是罩壁上是否有覆冰等，也會影響到雷達罩的反射性能。3） 制造工藝質(zhì)量制造工藝質(zhì)量111）減少探測距離2）影響雷達工作雷達罩對電磁波的吸收將損耗電磁波的能量，致使雷達的有效作用距離減小。9.2.3 吸收電磁波對雷達性能的影響12罩壁材料的介質(zhì)損耗越小，對電磁波吸收越少。罩壁材料中的基體材料品種、用量、固化程度基體材料品種、用量、固化程度及均勻性均勻性是影響雷達罩對電磁波吸收的主要因素。罩壁越薄，電磁波透過罩壁的行程越短，被吸收的能量越少，因而功率透過系數(shù)將越大。但罩壁厚度不能無限制的減薄

7、，首先要考慮其強度、剛度是否滿足要求，還要考慮滿足反射的要求，保持最佳厚度。9.2.4 影響雷達罩吸收電磁波的因素1）雷達罩材料）雷達罩材料2）壁厚）壁厚139.3 雷達罩分類與結(jié)構(gòu)按其外形錐形柱形橢圓半球形雷達罩的類別可根據(jù)其結(jié)構(gòu)、形狀、所用材料結(jié)構(gòu)、形狀、所用材料以及電氣類別電氣類別來分類。 141.有較大的透波率，較低的功率反射。2.對雷達的天線方向性的影響較小，即對雷達的定向（方位、俯仰）影響較小。 上上述兩點基本要求與雷達罩的電氣類別、材料選擇、結(jié)構(gòu)特點及其及其制造工藝有關(guān)。雷達罩的基本要求15按其結(jié)構(gòu)單層雙層多層罩一般是夾層結(jié)構(gòu)罩，面層采用強度高、介電系數(shù)大的材料，中間夾以輕質(zhì)、介

8、電系數(shù)小的夾芯制成。重量輕、強度、剛度較高，介電性能好，但制造工藝復雜。采用介電系數(shù)較大的材料（如玻璃鋼）制成，強度較高，但較重，介質(zhì)損耗大，適于小型天線的保護罩。采用介電系數(shù)較小的材料（如泡沫塑料）制成，其介質(zhì)損耗低，高頻介電性能好，但強度低，耐熱性差。適于低速飛行器使用。16按所用的材料泡沫塑料玻璃鋼泡沫塑料玻璃鋼蜂窩夾芯材料陶瓷玻璃鋼陶瓷材料17按其高頻介電性能特點垂直入射雷達罩流線型雷達罩平行的電磁波束射向雷達罩，無論天線在何處罩壁上的工作區(qū)域內(nèi)每點的電磁波入射角都小于30。當電磁波束射向雷達罩，罩壁上工作區(qū)域內(nèi)某些部位的入射角大于30，或隨天線位置的變化，罩壁上工作區(qū)域內(nèi)入射角在較大

9、范圍內(nèi)變動。18垂直入射雷達罩示意圖流線型雷達罩示意圖電磁波極化示意圖199.4 玻璃鋼的高頻介電性能1)1) 在高頻電場條件下，介質(zhì)材料的介電性能指 標，是介電系數(shù)介電系數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值介質(zhì)損耗角正切值tg( (介電損耗）介電損耗）。2)2) 介介質(zhì)材料的介電系數(shù)和介質(zhì)損耗的大小，取決于介質(zhì)材料在高頻電場作用下的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象。3)3) 含含有偶極分子或極性基團偶極分子或極性基團的介質(zhì)材料，在外電作用下，容易產(chǎn)生較強的極化現(xiàn)象，而且通常表現(xiàn)出較大的介電系數(shù)和介質(zhì)損耗。20特 點玻璃鋼的高頻介電性能主要取決于基體材料玻璃鋼的高頻介電性能參數(shù)一般較大玻璃鋼的高頻介電性能與其制造工藝有關(guān)玻璃

10、鋼制造過程中基體含量控制、基體含量分布的均勻性、基體的固化程度等工藝因素，都會影響玻璃鋼的高頻介電性能。這是對比非極性聚合物而言，與玻璃鋼在高頻介電場條件下的極化類型有關(guān)。高頻電場下，玻璃纖維屬于離子式極化，其介電系數(shù)變化不大，介質(zhì)損耗tg較小?；w樹脂屬于偶極馳張式極化，其介電系數(shù)和介質(zhì)損耗較大，且隨基體品種不同、基體含量的變化以及基體固化程度不同，和tg變化的范圍較大。21影響復合材料高頻介電性能的因素影響復合材料高頻介電性能的因素o 玻璃鋼的玻璃鋼的對其高頻介電性能的影對其高頻介電性能的影響響 (內(nèi)因內(nèi)因）對玻璃鋼高頻性能的影響(外因）221 玻璃鋼的玻璃鋼的對其高頻介電性對其高頻介電性

11、能的影響能的影響 (內(nèi)因）內(nèi)因）在高頻電場條件下，為減少介質(zhì)的功率損耗，應選擇、tan較小較小的介質(zhì)材料。1） 基體材料基體材料極性基團的含量極性基團的含量及及極性大小極性大小對玻璃對玻璃鋼高頻介電性能的影響鋼高頻介電性能的影響2）基體材料）基體材料極性基團的運動能力極性基團的運動能力對玻璃鋼高對玻璃鋼高頻介電性能的影響頻介電性能的影響23 各種基體所含極性基團的極性強弱不同、含量不同、結(jié)構(gòu)不同，其在外電場作用下產(chǎn)生極化現(xiàn)象的極化程度（）以及極化引起的外電場能量損耗（tan）差別較大，因而玻璃鋼表現(xiàn)出來的高頻介電性能差別較大。 極性基團含量越大、極性越大，基體的高頻介電性能參數(shù)值就越大。1）

12、基體材料基體材料極性基團的含量極性基團的含量及及極性大小極性大小對玻璃對玻璃鋼高頻介電性能的影響鋼高頻介電性能的影響24 一般當基體材料所含極性基團極性越強、基團越?。ㄎ蛔柙叫。?、分子鏈的柔順性越好，在外電場作用下，極性基團沿外電場方向的定向程度越高、則極化程度越高，其介電系數(shù)和介質(zhì)損耗tan值越大。2） 基體材料基體材料極性基團的運動能力極性基團的運動能力對玻璃鋼對玻璃鋼高頻介電性能的影響高頻介電性能的影響a. 基體膠粘劑的固化程度基體膠粘劑的固化程度25 基體中低分子線型組分的增加低分子線型組分的增加，如增塑劑、增韌劑的加入，使基體分子鏈的柔順性增加，且在外電場作用下極性基團的運動能力提高

13、有利于極化運動，表現(xiàn)出高頻介電性能值提高(對高頻介電性要求是不利的)。 但若線型線型組分在基體中含量過高組分在基體中含量過高，降低了單位體積基體中極性基團的密度，也會使基體材料的高頻介電性參數(shù)值降低（有利于高頻介電性能的要求）。b. 膠粘劑分子鏈的柔順性和低分子線性組分膠粘劑分子鏈的柔順性和低分子線性組分26對玻璃鋼高頻性能的影響(外因）1） 溫度溫度對玻璃鋼高頻介電性能的影響2） 濕度濕度對玻璃鋼高頻介電性能的影響271） 溫度溫度對玻璃鋼高頻介電性能的影響 溫度改變了基體中極性基團的運動能力、基團的密度以及基體的結(jié)構(gòu)，因此溫度的影響主要表現(xiàn)在對基體介電性能的影響。 外電場頻率較高外電場頻率較高時，在基體使用溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高,基體的高頻介電性能參數(shù)值提高。28 外電場頻率較低時外電場頻率較低時，介電系數(shù)（極性基團的取向度）隨溫度升高而增大。介電損耗介電損耗隨溫度升高開始由于極性基團運動能力提高其值下降，隨著溫度繼續(xù)升高，已固化的基體結(jié)構(gòu)中鏈的“段落”運動能力增加，極化基團的極化度增加，迅速消耗外電場能量因而介電損耗增大。 若外界溫度升高超過了基體的使用溫度范圍若外界溫度升高超過了基體的使用溫度范圍，無論外電場頻率高或低，基體的高頻介電