高透波率滚塑天线罩材料的研制

陈叶茹，温 原，邓正勇，郭德宇

(浙江瑞堂塑料科技股份有限公司，浙江 宁波 315323)

0 引 言

天线罩是用于雷达、电磁信号发射器等电子设备的防护部件，透波率(功率传输系数)是其核心指标之一。美国[1]和我国[2-3]相关规定中最高等级的天线罩要求平均透波率≥90%，最低透波率≥85%。(我国对空雷达Ⅱ型罩要求整罩透波率≥93%[4])。

雷达和电磁信号发射逐步向高频方向发展，地面型军用雷达[3]频段在0.05～18 GHz，电信5G-FR1频段在0.45～6 GHz范围内[5]。

天线罩的透波率可用式(1)[6]表示：

(1)

式中：ε为介电常数；θ为入射角；tanδ为介电损耗；d为壁厚,单位为m；λ为波长,单位为m；

当不考虑热损耗，电磁波垂直入射时，θ=0°，式(1)可简化为：

(2)

从式(1)、(2)可知，天线罩材料具有较小的介电常数和介电损耗是提高透波率的关键。目前，天线罩所用壳体材料的介电常数均大于2[7]，夹层所用蜂窝材料的介电常数可低至1.1[3]。

滚塑成型是制备大型中空制品的加工方式，目前最大可加工350 m3(球形当量直径可达8.7 m)的塑料制品[8]。滚塑成型具有一次性整体成型的特点，制品无需拼装、焊接。所用聚乙烯材料具有高耐候、耐环境腐蚀、轻质、易得、可回收等优点，是加工中小型地面或车载天线罩不可多得的工艺之一。

通过二次投料技术，滚塑成型工艺可以一次性加工多层制品[9]，这为满足天线罩的多层结构要求提供了优异的加工基础。目前利用滚塑成型技术制备天线罩只有极个别的案例[10]，说明滚塑成型的潜力尚待开发。

应某空军机场的要求，设计开发了直径1.8 m的地面天线罩。天线罩选用了“实心层+泡沫层”的双层结构，实心层选用了介电常数为1.9的改性聚乙烯，厚度2 mm；泡沫层选用了密度为0.156 g/cm3的发泡聚乙烯，厚度8 mm，通过二次投料的滚塑成型技术，一次性加工成天线罩制品，在 1 GHz～11.44 GHz和15.27 GHz～16.11 GHz频段透波率≥95%。

1 试验部分

1.1 试验材料

线性低密度聚乙烯LLDPE 50035E，产自沙特沙比克公司，熔体质量流动速率MMI=5 g/10 min,密度ρ=0.935 g/cm3。

低介电常数滚塑聚乙烯LLD160P，自制，MMI=5 g/10 min,ρ=0.935 g/cm3。

发泡级滚塑聚乙烯LLD486P，自制，发泡倍率6倍。

1.2 试样制备

将材料放在压片机模具中，温度220 ℃，时间15 min，压力3.5 MPa,使用水冷至80 ℃脱模。使用裁刀制备成长度80 mm、宽度10 mm的样片进行弯曲性能的测试。

将LLD486P放置在平面托盘上，在200 ℃热风烘箱中自由发泡，时间6 min。取出自然冷却后，通过钻床及裁刀加工成外7 mm、内3.04 mm、厚2 mm的同轴环试样进行介电常数的测定。

透过滚塑成型加工成外层厚度2 mm(材料LLD160P)、内层厚度8 mm(材料LLD486P)的制品，通过裁刀加工成180 mm×180 mm的样片进行透波率的测定。

1.3 性能测试

基体树脂密度，按照GB/T 1033.1-2008《塑料密度和相对密度试验方法》进行，选择浸渍法。

发泡材料LLD486P密度，按照GB/T 6343-2009 《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》进行。

发泡倍率β按照式(3)进行计算：

β=ρ0/ρ

(3)

式中：ρ0为基体树脂密度，单位g/cm3;ρ为发泡材料表观密度，单位g/cm3。

弯曲性能，按照GB/T9341-2000《塑料弯曲性能试验方法》进行，跨距64 mm，试验速度20 mm/min。

克力值κ，按照式(4)进行计算：

κ=F/mL

(4)

式中：F为挠度为10 mm时的力值，单位N；mL为跨距内样条的质量，单位g。

克力值倍率，按照式(5)进行计算：

α=κ/κ0

(5)

式中：κ为发泡材料的克力值，单位N/g；κ0为基体材料的可力值，单位N/g。

介电常数：按照SJ 20512-1995《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》进行测试，温度23 ℃，扫描频率1～18 GHz。

透波率：按照GJB 7954-2012《雷达透波材料透波率测试方法》进行测试。扫描频率2～4 GHz,4～8 GHz,8～18 GHz。

2 结果和讨论

2.1 LLD160P的介电常数

聚乙烯的介电常数测量值变异性较大，冯学敬等[11]测量出100 kHz下聚乙烯的介电常数为2.28,张天旭[12]测量出10 Hz～1 MHz频段聚乙烯的介电常数为2.18，唐萍等[13]测量出在1 kHz～1 MHz频段聚乙烯的介电常数为2.75，张冬等[14]测量出在1～10 MHz频段聚乙烯的介电常数为2.34，张天尧等[15]测量出0.75～3 GHz频段聚乙烯的介电常数为2.315。

介电常数和聚乙烯的内部缺陷相关，当聚乙烯内部含有羟基、酮基时，介电常数升高[16]；此外，由于介电常数是物质极化率的反映，当聚乙烯所含助剂极性较大时，会引起介电常数升高。基于这些原理，对改性助剂进行优选，制备了介电常数低至1.9的改性聚乙烯LLD160P(见图1)。

图1 LLD160P和普通LLDPE的介电常数

图1结果表明，普通聚乙烯LLD50035E和低介电常数聚乙烯LLD610P在1～16 GHz频段介电常数均比较稳定，体现出对频率的不敏感性。但2种聚乙烯在中心频率为17.4 GHz时均出现反常色散特征。

经式(2)计算可知，当介电常数从2.3下降到1.9时，透波率从95.8%提高到97.5%，提高了约18%。

2.2 发泡聚乙烯的力学增强效果

在低介电常数聚乙烯LLD160P的基础上，使用偶氮二甲酰胺为主发泡剂，进一步研制了发泡级聚乙烯。图2给出了发泡倍率和克力值倍率的数据。当发泡倍率在5～6倍时，单位重量材料的抗压能力有最高值，是非发泡材料的4倍左右。当发泡倍率继续增高时，泡孔破裂程度的增加导致克力值倍率迅速下降。因此，保持5～6倍发泡倍率可以提供最佳的力学增强效果，也是最经济的泡沫制备方法。

图2 发泡倍率和克力值倍率的关系

2.3 LLD486P的介电常数

经过发泡后，聚乙烯的介电常数下降，发泡倍率为6倍的LLD486P。在1～16 GHz频段，介电常数基本稳定，降低到1.26～1.30(见图3),其介电常数的标准偏差为0.013 6，远小于LLD160P的0.026 5,表现出频率依赖性的减弱；当频率在16～18 GHz时，介电常数逐渐上升至1.38，这和LLD160P的反常色散相对应。

图3 LLD486P的介电常数

2.4 天线罩的结构稳定性

使用有限元分析，建立了直径1.8 m地面雷达的天线罩模型，天线罩选用了“实心层+泡沫层”的双层结构，实心层选用了介电常数为1.9的改性聚乙烯LLD160P，厚度2 mm；泡沫层选用了密度为0.156 g/cm3的发泡聚乙烯LLD486P，厚度8 mm。模拟了12级飓风(风速36.9 m/s)下天线罩结构的稳定性，验证了天线罩的结构强度(见图4和图5)。分析结果表明，天线罩的最大应力为9.6 MPa，最大变形量27.5 mm，满足安全系数1.5的规定。

图4 有限元分析应力图

图5 有限元分析位移图

2.5 天线罩的透波率

从图6可知，制作的雷达罩在电磁波垂直入射时，频率在1～16 GHz之间，透波率比较稳定。由于热损耗上升，随着频率的增加，透波率缓慢下降；当频率≥16 GHz时，透波率迅速下降至60%。这和介电常数的反常色散相对应。

从透波率数据可求得，透波率≥90%的频宽为1～16.31 GHz;透波率≥93%的频宽为1～12.42 GHz和14.93～16.2 GHz；透波率≥95%的频宽为1～11.44 GHz和15.27～16.11 GHz。

图6 天线罩的透波率和频率的关系

3 结束语

使用二次投料的滚塑成型工艺，研制了“实心层+泡沫层”双层结构的天线罩，经测试满足使用要求，并得到以下结论：

(1) 滚塑成型多层天线罩的工艺是可行的，其力学结构和介电性能满足天线罩的使用要求。

(2) 该结构具有高透波率特征。透波率≥95%的频宽为1～11.44 GHz和15.27～16.11 GHz，具有较强的先进性。