寬頻帶高透波率球冠透波墻的研制*

商 莉，平麗浩，吳 波，尚仰宏

（中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司，安徽 蕪湖241100）

引 言

天線罩安裝在天線前面，以保護天線不受外界損傷和破壞，同時又為天線電波提供發射和接收的電磁窗口，是一種滿足電性能要求的復合材料結構件[1]。透波墻是天線罩的一種，一般將與建筑物構成一體的天線罩稱為透波墻。微波透波墻從20世紀80年代初開始使用，根據信號傳輸的電性能要求，目前已經發展到了第三、四代產品，而且在保證電性能滿足使用要求的同時，能夠滿足建筑物外觀要求。

本文論述了某寬頻帶高透波率球冠透波墻的研制。該透波墻安裝在氣密試驗箱上，能起到保護氣密試驗箱內部設備的作用，同時又是試驗箱結構的一部分，具有透波、保護雙重功能。透波墻為氣密試驗箱內試驗設備提供了電磁窗口，同時承受一個大氣壓（約0.1 MPa）的外界工作壓力。透波墻工作時是靜止不動的，透波墻室內設備的測試過程就是透波墻的工作過程。

該寬頻帶高透波率的透波墻不僅對電學性能和力學性能要求高，而且具有較高的表觀質量要求[2]。本文對透波墻的制造過程進行了研究，分析了關鍵影響因素并對其進行了工藝試驗驗證，研制了滿足使用要求的復合材料透波墻[3]。

1 透波墻結構

該寬頻帶高透波率透波墻的主要技術指標如下：

1）工作頻段為0.35～18 GHz；

2）透波率為0.35～1 GHz優于95%，1～12 GHz優于93%，12～18 GHz優于85%；

3）使用溫度范圍為?70?C～+150?C；

4）具有一定的保溫功能。

為滿足寬頻帶和高透波率的使用要求，將該透波墻罩體設計為薄壁結構，如圖1所示。該透波墻是由薄蒙皮與Nomex芳綸紙蜂窩組成的蜂窩夾芯結構，由外蒙皮、中蒙皮、內蒙皮以及兩層蜂窩夾芯材料組成[4]。透波墻根部實心區域為安裝法蘭，法蘭連接面周邊有密封槽，用于和氣密試驗箱主體連接時安裝密封橡膠條。透波墻通過安裝在法蘭面上的金屬壓環以及密封橡膠條與氣密試驗箱主體相連接，如圖2所示。

圖1 透波墻結構示意圖

圖2 透波墻與氣密試驗箱連接示意圖

2 透波墻成型

2.1 透波墻成型材料體系

為了滿足高透波率和高使用溫度的要求，透波墻薄蒙皮選用的材料體系為石英/氰酸酯材料體系[5]。氰酸酯樹脂的特有結構使得材料具有良好的耐熱性、極低的介電常數和介電損耗，同時還具有極高的電磁波透過率、高透明度以及良好的力學性能。但是，這種材料的自粘性較差，工藝鋪貼性不好，尤其是對于具有一定形狀的天線罩成型更加困難，不僅會延長工藝操作時間，而且成型后的天線罩的表觀質量較差。由于該透波墻為球冠形，預浸料工藝性差將會造成產品鋪貼困難，不易操作，工藝時間延長[6]。

為改變這種情況，對氰酸酯樹脂體系進行調控以提高樹脂預聚體的流動性和韌性，研制出了粘性較好的氰酸酯石英玻纖布預浸料，不僅工藝性好，而且保留了材料極低的介電常數和介電損耗，實現了低介電、高韌性的目標，滿足使用要求。

透波墻罩體區域使用的材料還包括用于蒙皮與芯材膠接的高溫固化氰酸酯膠膜和用作芯材邊緣的增強材料的氰酸酯樹脂發泡膠膜，該材料體系能夠滿足?70?C～+150?C的工作環境溫度要求。

2.2 透波墻成型工藝

為滿足嚴格的高精度外形尺寸要求以及力學性能和電學性能要求，該透波墻采用熱壓罐工藝成型。采用熱壓罐工藝成型可以根據隨爐件的性能判斷透波墻的固化質量。通過隨爐件可以監測蒙皮材料的彎曲強度/模量和拉伸強度/模量、蒙皮的介電常數和損耗角正切、蒙皮鋪層的壓厚、蒙皮和芯材之間的滾筒玻璃強度等性能。

為了較好地控制制件質量，結合該透波墻罩體蜂窩夾層結構的特點，采用分步固化成型的工藝方法。分步固化成型工藝在固化后可以直觀地觀察到蜂窩是否錯位，對固化中產生的問題及時進行修正，避免產品報廢，研制風險較小。因此，為了保證產品質量，降低研制風險，結合該透波墻罩體蜂窩夾芯結構的特點，采用三步固化成型的工藝方法。該種成型工藝可以隨時控制制件的質量，及時發現問題及時解決。透波墻具體的成型工藝流程如圖3所示。

圖3 透波墻成型工藝流程

2.3 透波墻成型模具

模具材料在成型溫度和壓力下保持適當性能是熱壓罐成型模具的首要要求，因此，綜合考慮性能和成本，模具多采用鋼模[7]。由于該透波墻為一類似球冠的蜂窩夾芯結構，蒙皮薄，具有較高的電性能和表面質量要求，所以采用陰模成型可獲得較好的外表面質量。但是，該透波墻產品尺寸較大，且為球冠形狀，鋪層操作具有一定的難度，延長了工藝操作時間。綜合考慮后采用陽模成型方案，鋪層操作方便，可獲得較好的內表面質量。然而，由于該透波墻為薄蒙皮結構，不能通過較多的機械打磨來實現較高的表觀質量，所以后期通過制造合理的工藝蒙皮，在透波墻成型時輔助成型外表面來實現較好的表觀質量。

由于該透波墻產品尺寸較大，為保證在固化成型過程中受熱均勻和搬運方便，決定采用框架式模具，如圖4所示。框架式模具型腔采用計算機數控（Computer Numerical Control,CNC）高精加工、框架焊接、整體去應力，模具在加工、使用過程中變形少，以此保證產品的形狀和尺寸。框架式模具重量輕，框架上安裝重型萬向輪，在運輸、吊裝、裝配等過程中移動方便，降低了對其他起重設備的依耐性。框架式模具與其他模具相比，成本較低。

圖4 透波墻成型模具示意圖

2.4 透波墻成型關鍵工藝點及控制措施

2.4.1 蜂窩定型

由于透波墻模具曲面較大，因此采用傳統的已成型切片芳綸紙蜂窩在模具面一次定型蜂窩難以保證蜂窩與模具的貼合性。控制措施是使用切片芳綸紙蜂窩進行兩次定型，保證蜂窩與模具的貼合性。

蜂窩第一次定型采用兩整塊蜂窩以搭接的形式放置在成型模具上，并根據需要對蜂窩適當地進行修剪和開剪口，剪口為搭接形式，使用壓敏膠帶進行固定，依次鋪放脫模布、有孔隔離膜、透氣氈、真空袋膜，然后封裝制袋完成初定型。初定型效果如圖5所示。

圖5 蜂窩第一次定型效果圖

蜂窩第二次定型將完成初定型的蜂窩沿初定型的搭接痕跡修剪至拼接狀態，使用浸漬氰酸酯樹脂的芳綸線對蜂窩拼接處進行縫合，但蜂窩邊緣區域需留足余量，待倒角時再做修剪，依次鋪放脫模布、有孔隔離膜、透氣氈、真空袋膜，然后封裝制袋完成第二次定型。經貼膜試驗，蜂窩曲面吻合效果很好。第二次定型效果如圖6所示。

圖6 蜂窩第二次定型效果圖

2.4.2 工藝蒙皮成型

為保證透波墻具有良好的表觀質量，要求表面光順，理想情況下外表面質量由陰模保證。但是，該透波墻因結構特點而采用陽模成型，且蒙皮薄，不能通過較多的機械打磨來實現較高的表觀質量。因此，通過制造合理的工藝蒙皮，在透波墻成型時輔助成型外表面來實現較好的表觀質量。

傳統的工藝蒙皮制造方法是在透波墻成型模具上制造一個工藝蒙皮成型模具，該工藝件的外形和厚度與透波墻相同，成型后對該工藝件的外表面進行精確修磨，使其表面光滑；然后將該工藝件放置在透波墻成型模具上一起構成工藝蒙皮的成型模具。這種方法雖然可以很好地保證外蒙皮的尺寸和精度，但是生產周期較長，而且成本高。

控制措施是利用透波墻成型模具使用玻璃纖維/氰酸酯預浸料成型一個工藝蒙皮，其中罩體區域厚度為0.4 mm，法蘭區域厚度為1.0 mm，將成型后的工藝蒙皮的罩體和法蘭區域修剪開，將罩體工藝蒙皮鋪放到外蒙皮上，然后根據需要適當開剪口。

為防止罩體區域各分塊工藝蒙皮之間相互干涉，需要對各分塊進行精確修配。為避免罩體與法蘭邊工藝蒙皮的對接處產生膠棱和褶皺，應增加對接縫的寬度，并使用未硫化硅橡膠對對接縫進行填補。

為保證罩體表面光滑，在放置工藝蒙皮后需進行預壓實處理。觀察預壓實情況并據此調整工藝蒙皮各分塊之間的間隙，避免相互擠壓。確認無擠壓現象后，對接縫處使用未硫化硅橡膠進行填補，再封裝制袋進行固化。工藝蒙皮拼接鋪放效果見圖7。

圖7 工藝蒙皮拼接鋪放效果圖

采用工藝蒙皮分塊的形式進行拼接，并使用未硫化硅橡膠對對接縫進行填補可以很好地保證透波墻產品的表觀質量，不僅提高了產品的型面精度而且可以避免表面缺陷。

2.5 透波墻成型工藝過程質量控制

透波墻的成型工藝過程包括內蒙皮、內蒙皮加強層和第一層蜂窩第一次固化成型，中蒙皮、第二層蜂窩和外蒙皮加強層第二次固化成型，外蒙皮第三次固化成型。

在模具上鋪貼內蒙皮，法蘭區域鋪貼內蒙皮加強層，在罩體透波區域鋪貼一層氰酸酯膠膜，鋪放第一層定型后的蜂窩，封裝制袋進行第一次共固化；在第一層蜂窩上依次鋪貼膠膜、中蒙皮、膠膜、第二層定型后的蜂窩和外蒙皮加強層，封裝制袋進行第二次共固化；在第二層蜂窩上依次鋪貼膠膜、外蒙皮和法蘭區犧牲層，封裝制袋進行第三次共固化。

為保證透波墻罩體的電性能和較高的表觀質量，在工藝成型過程中應注意以下幾個方面：

1）第一層和第二層蜂窩鋪放時，先將蜂窩靠近模具面的芳綸線修剪掉，然后再按位置要求放置。為保證蜂窩與蒙皮完全貼合，應在鋪放完成后進行一次熱預壓實，熱預壓實結束后拆除所有芳綸線，并在蜂窩與法蘭過渡區域填充發泡膠（圖8），用作蜂窩芯材邊緣的增強材料，填充效果見圖9。

圖8 發泡膠填充示意圖

圖9 發泡膠填充效果圖

2）為保證蜂窩底部過渡區域與法蘭加強層區域平滑過渡，應在第一次和第二次固化結束后對蜂窩底部過渡區進行仔細修配，過渡區的凸起部分需打磨平整，若存在凹陷，需進行修補使過渡區平整。為保證罩體區域的透波性能，修配后的蜂窩應用真空吸塵器吸掉灰塵和機加碎屑，并用清潔抹布蘸溶劑擦拭以除去蜂窩上的油脂及其他目視可見的污染物。

3）為防止產品拐角區域固化時發生擠壓變形，在拐角區域額外多鋪貼2層預浸料進行補強。同時在法蘭邊區域增加幾層預浸料作為犧牲層，方便后期通過機械打磨來實現法蘭區較高的表觀質量。

3 結果與討論

對成型后的透波墻進行了一系列測試，主要包括輪廓度、外形尺寸、安裝孔位、無損檢測、表觀質量和電性能測試等。

透波墻內、外表面分別使用檢測卡板進行輪廓度檢測，結果顯示透波墻內、外表面與檢測卡板貼合良好，外形尺寸滿足設計要求，產品無變形。

罩體透波區域和法蘭區域分別使用厚度測試儀均勻測量30個點，實測數值均在公差范圍內，罩體和法蘭區域厚度均勻。安裝孔由數控機床加工，實測孔徑和孔位滿足設計和使用要求。

透波墻采用超聲無損檢測，罩體透波區域蜂窩與蒙皮無脫粘情況，法蘭區域無分層情況。

透波墻拐角區域過渡平滑，內、外表面蒙皮無褶皺、無分層、光滑平整，美觀，如圖10所示。

圖10 透波墻實物

透波墻等效平板使用矢量網絡分析儀分別進行3個頻段的測量。結果顯示，0.35～1 GHz頻率范圍內透波率大于95%，1～12 GHz頻率范圍內透波率大于93%，12～18 GHz頻率范圍內透波率大于85%，滿足結構設計和電性能要求，已投入使用。

4 結束語

本文選用石英氰酸酯預浸料與Nomex芳綸紙蜂窩夾芯材料體系，采用陽模與工藝蒙皮相結合的固化成型方案，蜂窩二次定型并嚴格控制成型過程關鍵工藝點，研制出了滿足設計要求的寬頻帶高透波率球冠透波墻。

該球冠透波墻的研制解決了大曲率制件蜂窩拼接和定型的問題，為后續球形天線罩蜂窩夾芯件的成型提供了理論依據和實踐經驗，已被運用在多個球形天線罩的研制生產上。采用分塊工藝蒙皮和未硫化硅橡膠填補對接縫的方法，提高了產品的型面精度而且可以避免表面缺陷，替代成型工藝件后再成型匹配工藝蒙皮的方法，節省了費用和人力，大大降低了成本。

寬頻帶天線罩的設計理論已經較為成熟，但是實用的寬頻帶天線罩很少，限制寬頻帶天線罩廣泛應用的主要因素包括天線罩的材料制備和價格、成型工藝等。隨著天線罩的使用要求越來越高，天線罩材料的制備、成型工藝的實現等技術成為了寬頻帶高透波率天線罩研究的重點。