一種新型高溫寬頻透波天線罩結構設計

曾安民

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300；中航工業復合材料技術中心，北京 101300）

隨著航空航天科學技術的不斷發展和現代化戰爭的需要，航空航天飛行器的飛行馬赫數不斷提高，處于飛行器尖端的天線罩承受著最大、最高的氣動力和氣動熱所帶來的高溫和熱沖擊，因此，對天線罩所用的透波材料提出了極高的要求。現在的高溫透波材料一般要滿足以下性能要求：良好的電性能，介電常數ε和介電損耗角正切值tgδ要足夠小；在高溫下保持足夠的機械強度和適當的彈性模量，以滿足力學和韌性要求；良好的熱沖擊性和耐熱性；可生產性和經濟性。常用天線罩夾層結構通常由2種不同材料組成，該多層或夾層結構復合材料具有良好的斷裂韌性和較高的抗彎強度[1]。

但是，由于兩相之間不同的熱膨脹系數所引起的熱剪切應力的存在，可能導致該復合材料的抗熱沖擊性能下降。最新研究發現，由于不同相之間存在的剪切應力能夠被有效減小，仿生物科學的錯層結構擁有良好的力學性能和極佳的熱彈性性能[2-3]，是高溫透波天線罩蒙皮材料的理想選擇。夾層結構天線罩芯層多采用蜂窩結構，以便提供較低的介電性能和足夠的抗彎強度。

通過對比各類二維點陣結構的總體性能，相對于三角形、六角菱形和正方形幾何結構，在同樣的孔隙率情況下，2D-Kagome點陣結構具有更優秀的承載性能、更簡單的制備工藝和更良好的抗彎強度等[4]。本文針對高溫寬頻透波天線罩的技術特點，設計了一種全新天線罩夾層結構。該整體結構既能有良好的力學性能、抗熱震性能，同時，又擁有良好的寬頻透波性能。

1 理論分析

復合介質模型在理論研究和實際工程中有非常重要的意義。許多物理學家和工程師根據不同的幾何、物理模型提出了多種多樣的預測性公式。

為了預測錯層結構的等效介電性能，本文應用了一個多重等效介電公式[5]，即：

式（1）中：ε1和ε2分別為兩相介質的復介電常數；f為兩相介質的體積比；εff為宏觀等效復介電常數。

式（1）中，v的取值決定了公式所代表的不同等效計算模型：v＝0表示的是Maxwell-Garnett模型[6]；v＝2給出的是Bruggeman計算模型[7]；v＝3則表示的是GKM計算模型。這些公式能夠應用在很多領域，特別是當k＝ε2/ε1的值很小時，比如k＝3[8].本文選擇HS上限作為預測2D Kagome結構符合材料的等效介電性能，該式如下：

式（2）中：εs和ε0分別為結構單元和自由空間的復介電常數。

平面波通過介質平板傳輸和反射的情況取決于介質平板的厚度、層數、介電常數和損耗角正切，并與平面波的入射角、極化狀態有關。為了方便計算，文中采用物理概念明晰的邊界值矩陣傳輸法（BVM）來分析多層介質平板的傳輸特性和反射特性。

邊界值矩陣傳輸法的表現形式如下[9]：

2 計算模型

本文設計的微結構模型如圖1所示，它采用氮化硅和氮化硼2種具有高熱穩定性、低介電常數材料復合而成的氮化硅/氮化硼復合材料作為結構的蒙皮材料。該材料具有更穩定的熱物理性能、低介電常數和更高的力學性能，完全能承受高馬赫數飛行條件下對天線罩材料防熱、承載、透波等的要求。當v＝1.5時，復合錯層二維結構的等效介電公式能夠很好地預測出復合材料的宏觀介電性能。氮化硅介電性能為2.8，0.002，氮化硼介電性能為4.1，0.006，考慮到該結構為二維棋盤結構，所以，其體積比為0.5，將v＝1.5代入式（1）中，得到其等效復介電常數為3.4，0.004.2D Kagome芯層結構選用力學性能更優，同時耐熱性能更好的玻璃纖維增強復合材料。對于Kagome結構的母體材料，其相對介電常數為2.7，損耗角正切為0.015.考慮到結構的承載要求和半波長理論的環境要求，本文在此將玻璃纖維增強材料所占的比例選為4%，結構的微觀尺寸H＝2.7 mm，W＝1.56 mm，L＝0.3 mm，計算可得2D-Kagome點陣結構層對應的等效介電性能為1.05，0.002.

為了驗證對應的等效介質理論和功率透波性能計算的準確性，我們用數值有限元軟件HFSS對該新結構進行仿真模擬計算，如圖2所示。由于HFSS考慮了微觀結構尺寸，其計算速度相對于BVM法要慢很多。當BVM法計算某個算例需要3 s時，HFSS需要30 min。從圖3中可以看出，HFSS計算結果和通過等效介質理論應用BVM法得出的結論基本吻合，僅僅是在高頻下傳輸性能稍有差別。由此可以確定，本文中用到的等效介質理論滿足計算仿真要求。

3 結論

在實際工作中，相關人員設計了一種新型高溫寬頻透波天線罩結構。該結構具有優異的抗熱震性能、透波性能和力學性能表征，并利用BVM法和有限元法驗證了等效介質理論的正確性。本文中設計的新型天線罩結構可應用于高溫寬頻透波天線罩，而文中的等效計算方法可被用于模擬仿真天線罩的性能。

圖1 Kagome錯層結構微觀模型

圖2 HFSS計算模型

圖3 數值計算與有限元計算結果對比

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