復合材料在移動通信天線罩的優勢和工藝要點

方雄波

摘 ?要：綜述了國內外樹脂基復合材料在移動通信基站天線罩領域的應用和發展現狀，介紹了現代高性能天線罩的介電、力學、環境可靠性等性能要求，不同材料體系的特點，樹脂的改性方法和效果。重點介紹了改性環氧樹脂玻璃纖維的性能和青酸脂玻璃纖維的性能。

關鍵詞：天線罩;復合材料;環氧樹脂;青酸脂;介電常數;介質損耗

引言

近年來移動通訊快速發展，作為移動通信基站天線的保護體天線罩的性能要求也日益提高，移動天線罩材料必須具有高頻透波性（介電損耗角正切小，介電常數小），室外抗老化性能、耐腐蝕，力學強度高等要求。以前生產的移動天線罩多采用PVC材料，但該材料透波性能一般，易降解不耐老化，力學性能差，使用壽命較短。復合材料天線罩通常是玻璃類纖維（E玻璃布、D 玻璃布、S 玻璃布、石英布等）作為增強材料的樹脂基（環氧、氰酸酯、不飽和聚酯樹脂等）復合材料。

一、移動通信基站天線罩材料體系

（一）增強材料，目前移動通信基站天線罩用樹脂基復合增強材料主要有玻璃纖維、芳綸纖維、石英纖維、聚乙烯纖維等。芳綸纖維是高度定向的芳香族聚酰胺纖維的統稱，其代表品種為美國杜邦公司生產的Kevlar-49，由于芳綸纖維具有較低的密度、優越的抗沖擊性和比剛度高、比強度高等特性，在航空上得到廣泛應用，但易吸潮;石英纖維的化學成份是純度達99.5% 以上的二氧化硅，經熔融制成纖維，其介電常數和介質損耗與上述玻璃纖維相比都是最小的，石英纖維的機械性能取決于制造工藝技術，另外，石英纖維的線膨脹系數較小，而且具有彈性模量隨溫度增高而增加的罕見特性，但成本高。聚乙烯纖維是密度最小，介電性能優良的一種增強纖維，由于其表面惰性導致纖維與樹脂粘附性差，必須對纖維進行表面處理，同時選擇合適的樹脂體系。玻璃纖維是現在基站天線罩最常用的增強材料，其中低介電玻璃纖維（D-glass）的介電性能最好，高強度玻璃纖維（S-glass）力學性能優異。目前國內外先進的移動通信基站天線罩大多己采用玻璃纖維作為增強材料。常見的玻璃纖維和性能見表1。

（二）樹脂基體

樹脂在復合材料中起粘結劑的作用，是決定復合材料耐熱性的基本成分。常用的樹脂基體：酚醛樹脂與不飽和聚脂樹脂，環氧樹脂已經廣泛用于各類型天線罩基體。

其中環氧樹脂具有優良的成型工藝性及力學性能，電性能，耐化學腐蝕性能，優良的粘接性。近年來隨著先進基站天線罩對全頻帶，耐高低溫，耐戶外老化等性能要求的不斷提升，對于在0～6GHz頻率附近工作的基站天線罩，要求具有優良的耐濕熱，耐紫外，耐酸堿等性能。介電性能更好的高性能樹脂基材料通過對傳統環氧樹脂材料改性實現。環氧樹脂的改性以降低介電常數和介質損耗同時提升材料耐熱為目標。采用雙環戊二烯改性環氧樹脂，改性后樹脂的介電常數由3.7降至2.6。介質損耗由0.0204降至0.0104.采用含苯并惡嗦的炔醚類分子作為固化劑，高化物中高極性的羥基基團數量大幅降低，改性樹脂的介電常數為2.62。還有引入多面籠形聚倍半硅氧烷降低了材料的介電常數和介質損耗的同時改善了耐熱性能。

氰酸酯樹脂的主要特點是：低的介電系數（2. 8～3. 2），極小的介電損耗角正切值（0. 002 ～0. 008），并且在寬廣的溫度[- 160～（Tg- 50）]℃、頻率范圍（1MHz～1THz）變化很小;高耐熱性（Tg240 ～290）℃，瞬時耐熱性（熱分解溫度）遠高于環氧樹脂;低吸濕率（<1. 5 %）;小的熱脹系數;優良的力學性能和粘接性能;具有與環氧樹脂相似的工藝性，可溶于普通溶劑中，易與增強材料復合，固化過程中無低分子物析出，可于177 攝氏度固化。目前氰酸酯樹脂已成功地應用于雷達天線罩領域。BASF 公司的一種以氰酸酯/石英纖維復合材料做成。為了進一步改性和提高性能價格比，氰酸酯樹脂通常與環氧樹脂共混使用，氰酸酯樹脂環氧樹脂/共混物不是簡單的物理共混物，兩者之間存在著復雜的共聚反應。采用氰酸酯改性環氧樹脂體系，使改性的環氧樹脂體系介電性能提高。利用環氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂做改性劑，對氰酸酯樹脂進行共聚改性，經改性后的基體具有優異的介電性能，介電常數為2.11，介電損耗角tgδ <0.001（0-6GHz）。國外透波材料用氰酸樹脂體系有BASF公司，Hexcel公司等，國內氰酸脂樹脂體系有航天材料研究所研制的701氰酸脂樹脂體系。

可用于天線罩材料的樹脂還有聚嵐，聚酰亞胺樹脂和非碳化燒蝕材料聚四氟乙烯PTFE等。因熱塑性樹脂復合材料生產效率更高，是目前研究的天線罩材料的熱點。常見基體樹脂的透波性能見表2

（三）復合材料

隨著5G基站天線罩工作頻率的升高，傳統的透波材料己不能滿足高頻電磁波高透過率。科學實踐證明，增強材料與樹脂基體的選擇對介電常數和介質損耗有較大的影響，低的介電常數和介質損耗提高透波性能。比如：石英/ 氰酸酯體系復合材料就可以滿足現代高性能天線罩的需求。國外產品如BASF 公司的的石英纖維/氰酸酯復合材料，國內產品有“航天材料及工藝研究所”的QWB/701系列復合材料。BASF 公司的的石英纖維/氰酸酯復合材料與傳統環氧樹脂天線罩相比，其介電常數降低了75%，介質損耗降低了10%，另外具有更低的吸水率，因此濕態介電性能更加優異。“航天材料及工藝研究所”的QWB/7o1系列石英布/氰酸脂復合材料的介電常數降低了24%，介電常數為3.28士0.15.符合天線罩用材料電性能要求，

系列環境試驗的考核，此復合材料在高低溫，濕熱，鹽霧，霉菌等環境試驗后其力學性能具有較好的性能，說明該類型復合材料滿足天線罩材料的設計要求。

復合材料透波性好，室外抗老化能力強，機械性能高，重量輕、采用模壓，拉擠等生產工藝制作時尺寸穩定，批次一致性好，生產效率高、成本低，使用壽命在20年以上，完全符合移動通信基站天線罩的要求。目前已廣泛用于無線移動通信基站天線的保護外殼。

二、天線罩的應用

（一）接收天線的設計

首先，設計了一款線極化貼片天線，為了比較，同時設計了一款相同口徑的右旋圓極化貼片天線。基板材料為FR-4，厚度為3 mm，相對介電常數為4. 4，損耗正切為0.02。兩種天線的S11仿真與實測數據，線極化貼片天線加載天線罩實測的5mm，線極化貼片天線和天線罩兩者間距H為51 mm，線天線和圓天線中心工作頻率均為5.8 GHz。

（二）天線罩應用與分析

將所設計的天線罩加載到線極化貼片天線上構成右旋圓極化信號接收終端，其中天線罩尺寸為二=336 mm。為了驗證其接收圓極化信號的能力，將右旋圓極化喇叭天線作為發射端，天線罩加載線極化貼片天線作為接收端，連接到矢量網絡分析儀進行了測試，發射功率為5 W，測得52的值為絕對收發功率比。通過改變天線罩與線極化天線之間的間距H，獲得了對應最佳接收功率的間距。實測結果：當天線罩距離為H=51 mm時，可以獲得最大的能量接收功率，接收功率大小由天線加載天線罩的線極化貼片天線和圓極化貼片天線作為接收終端的接收功率對比。入射波為右旋圓極化波，未加載天線罩的線極化貼片天線和圓極化貼片天線接收對比結果驗證了當接收端極化不匹配時，存在約0.2dBi的接收能量損耗。通過加載天線罩，線極化天線接收效率在中心頻點提升0.6dBi，在線極化天線工作帶寬內，最高提升了約0.0.5dBi，從而驗證了所設計的天線罩不僅具有較好的極化變換功能，而且由于天線罩加載帶來的口徑增加優勢，增益亦被提高。本文所設計的天線罩與線極化貼片天線尺寸不一致，說明其適用于多種不同口徑的天線，在極化不匹配的通信系統中，可以有更廣泛的應用。

結語：

物聯網，5G移動通信的發展對天線的性能增加了更高的復雜度，多頻寬頻集成化智能技術，毫米波技術，有源相控陣技術等先進技術的應用都將對天線罩材料及制造工藝提出更高更新的要求。作為未來天線罩的材料除了在電氣上繼續滿足低介電常數、低損耗特性外，還必須具有極為寬的頻帶特性，具有高的結構強度和戶外老化，抗腐蝕能力，相當高的工作溫度以及便于成型加工的特性，這是當前和今后一段時期天線罩材料發展的新方向。依據這個思路，筆者認為，目前熱固性樹脂中應當重點發展氰酸酯樹脂、改性環氧樹脂等力學性能、耐熱性、電性能均優的材料，以滿足未來天線的高性能要求。

參考文獻

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