相控陣天線的電磁性能研究范文

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《電子元件與材料雜志》2015年第十一期

空天電子裝備的輕量化設(shè)計是未來電子技術(shù)發(fā)展的主要方向。由于共形天線技術(shù)具有共形陣與載體共形，不破壞載體的力學(xué)性能，節(jié)省空間，可以快速無慣性掃描等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在空天電子裝備上[1]，另外共形天線相比傳統(tǒng)天線體積減少很大，質(zhì)量也大大減少，從而實(shí)現(xiàn)了電子裝備的輕量化，增強(qiáng)了天線的性能，很適合在空天電子裝備上應(yīng)用。而目前機(jī)載共形天線主要工作在微波頻段，微波頻段對天線罩介質(zhì)材料的電磁特性要求比較高，比如天線表面的介質(zhì)層的介電損耗、磁損耗要盡量低，并且在工作頻段內(nèi)其電磁參數(shù)變化也要盡可能的小，具有一定的穩(wěn)定性。而某相控陣共形天線需要對其天線裸陣面表面涂覆涂層進(jìn)行防護(hù)，防止水汽及污染物附著、腐蝕天線裸陣面，從而影響天線的正常工作。但目前一般涂層廠商都沒有提供涂層的相關(guān)電磁參數(shù)，文獻(xiàn)檢索也未見國內(nèi)對涂層微波頻段電磁性能研究的相關(guān)報道。為了掌握涂層材料電磁性能的測試方法及在2~18GHz內(nèi)相關(guān)涂層材料的電磁性能變化規(guī)律，同時為將涂層材料應(yīng)用于共形相控陣天線裸陣面提供選用依據(jù)，筆者開展了這方面的探索性工作。

為了測試在2~18GHz范圍內(nèi)常用涂層的相對介電常數(shù)和磁損耗，根據(jù)油漆材料的特性和制樣的難易程度，作者選取了反射-傳輸法進(jìn)行測試。反射-傳輸法可以應(yīng)用頻域和時域，又適合于寬頻范圍內(nèi)的測量，特別是寬帶矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)合這一方法可分別實(shí)現(xiàn)時域和頻率的應(yīng)用，成為毫米波頻段復(fù)相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率測量的有效工具，這個方法的優(yōu)點(diǎn)是計算復(fù)相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是去耦合的，無迭代的，被測量的頻率范圍寬等[4]。

1試樣制作

由于涂層材料具有流動性，太厚，不易固化，因而不能一次性成型到想要的測試標(biāo)準(zhǔn)試樣。本項目采取的思路是先讓涂層固化，制取約2mm厚的圓餅狀漆膜，然后讓漆餅進(jìn)一步固化，固化工藝具體見表1中的工藝參數(shù)。固化過程中采用的溫箱為華邦XT-2型；然后把固化后的熱固性涂層材料制成粉末，由于油漆材料的特殊性，普通的粉碎機(jī)難以制出顆粒均勻的漆粉，因而筆者經(jīng)過多輪實(shí)驗采用電磁制粉方式制出了理想的測試用漆粉，該電磁制粉機(jī)為上虞市道墟汪盛儀器廠生產(chǎn)的DF-4電磁制樣粉碎機(jī)；制粉完后把制成的漆粉裝在潔凈的樣品袋中，抽真空并進(jìn)行熱壓密封，以免漆粉受潮或污染影響測試結(jié)果；最后采用專用模具把制得的漆粉壓制成測試需要的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)狀試樣。圖1為標(biāo)準(zhǔn)試樣制作的流程。表2和表3為2種試樣的尺寸。從表2、表3的數(shù)據(jù)可以看出，本方法制得的試樣的一致性很好，厚度尺寸差距≤0.03mm，外徑尺寸差距≤0.03mm，內(nèi)徑尺寸差距≤0.03mm。因而本方法制得的標(biāo)準(zhǔn)試樣可以應(yīng)用于測試各試樣的電磁數(shù)據(jù)。

2試樣測試及結(jié)果分析

本次測試委托成都電子科技大學(xué)極高頻復(fù)雜系統(tǒng)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗室進(jìn)行測試。實(shí)驗采用Agilent-E8363A寬帶網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀，測試頻率范圍2~18GHz，要求測試系統(tǒng)加熱30min以上，然后先進(jìn)行試測試，等待測試系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后正式開始測試；測試中采用的數(shù)據(jù)處理及采集系統(tǒng)為該實(shí)驗室自編軟件；測試過程中佩戴一次性無菌手套進(jìn)行，避免樣品受到污染。

2.1相對介電常數(shù)在測試數(shù)據(jù)中以FEP代表氟聚氨酯磁漆，PE代表丙烯酸聚氨酯漆，PT代表原子灰，F(xiàn)PEP代表氟聚氨酯磁漆底漆。從表示材料的相對介電常數(shù)與頻率關(guān)系的圖2和圖3可以看出，兩組標(biāo)準(zhǔn)試樣的測試重復(fù)性較好，四種材料相對介電常數(shù)隨頻率變化的趨勢基本一致。在2~12GHz內(nèi)，基本上是原子灰的相對介電常數(shù)最大，氟聚氨酯磁漆底漆次之，丙烯酸聚氨酯漆再次之，氟聚氨酯磁漆的相對介電常數(shù)最小，但其和丙烯酸聚氨酯底漆的相對介電常數(shù)差距不大，這主要是由于原子灰、氟聚氨酯磁漆底漆中的無機(jī)填料較多的緣故，導(dǎo)致了其相對介電常數(shù)較高，特別是原子灰中的無機(jī)填料最多，而氟聚氨酯磁漆比丙烯酸聚氨酯漆相對介電常數(shù)低的主要原因是丙烯酸聚氨酯漆的分子結(jié)構(gòu)較氟聚氨酯磁漆復(fù)雜，從而表現(xiàn)出來極性較氟聚氨酯磁漆強(qiáng)，從而其相對介電常數(shù)也較氟聚氨酯磁漆大。從2~18GHz的頻段來看，原子灰的相對介電常數(shù)曲線的變化最快，而氟聚氨酯磁漆的相對介電常數(shù)變化最慢，這也反映出了氟聚氨酯磁漆的分子結(jié)構(gòu)較為其他三種材料簡單。在10GHz以下的頻段，相對介電常數(shù)隨著頻率的增加出現(xiàn)了多個連續(xù)的階梯狀下降的走勢，而這每一個階梯對應(yīng)的是一種極化過程，在這個頻段范圍內(nèi)主要是由于取向極化、電子極化以及界面極化引起的；而在10~18GHz內(nèi)四種材料分別出現(xiàn)了相對介電常數(shù)的幾個峰值，特別是10~16GHz范圍內(nèi)：圖2中，原子灰的相對介電常數(shù)的峰值為5.8，氟聚氨酯磁漆底漆的相對介電常數(shù)峰值為4.6，丙烯酸聚氨酯漆的相對介電常數(shù)峰值為3.8，氟聚氨酯磁漆的相對介電常數(shù)峰值為3.6；圖3中原子灰的相對介電常數(shù)的極大值為5.2，氟聚氨酯磁漆底漆的相對介電常數(shù)極大值為4.18，丙烯酸聚氨酯漆和氟聚氨酯磁漆的相對介電常數(shù)的極大值均為3.9。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)測試頻率接近并分子中某些結(jié)構(gòu)的共振頻率時，相對介電常數(shù)先增加，后下降，出現(xiàn)了共振吸收峰[5]，從而導(dǎo)致了四種材料的相對介電常數(shù)的峰值的出現(xiàn)。在這個范圍內(nèi)，圖2和圖3不一致的地方是圖3中丙烯酸聚氨酯漆的相對介電常數(shù)降低，這可能由于兩組試樣的厚度差引起的。

2.2磁損耗的測試及結(jié)果分析圖4、圖5中的磁損耗是指復(fù)磁導(dǎo)率的虛部，復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部表示儲存能量的能力，虛部則表示損耗能量的能力，因而以復(fù)磁導(dǎo)率的虛部作為磁損耗是合理的。從圖4可以看出，氟聚氨酯磁漆底漆的磁損耗最大，其余三種材料的磁損耗差距不大，但氟聚氨酯磁漆的磁損耗在4GHz附近較大，造成這種情況的原因是由于在底漆材料的添加劑中可能有磁性材料的存在，本試樣的底漆中具有磁性的添加劑是鉻酸鋅鉀的復(fù)鹽，原子灰的添加劑主要是硅鹽、金剛砂等，而漆膜材料主要以有機(jī)物為主，而鉻酸鋅鉀鹽具備一定的磁性，從而使底漆的磁損耗明顯高于其余三種材料；而氟聚氨酯磁漆在低頻段4GHz附近磁損耗較高的原因可能是由于其分子鏈上引入氟原子的緣故，而氟原子在該頻率附近具有一定的順磁性，從而造成了其在4GHz附近磁損耗的明顯增大。從圖5可以看出，丙烯酸聚氨酯漆在14GHz左右出現(xiàn)了明顯的磁損耗峰值，另外在2GHz左右氟聚氨酯磁漆也出現(xiàn)了明顯的磁損耗峰值，這與圖4的測試數(shù)據(jù)差異非常大；經(jīng)過后面對測試過程及制樣過程的檢查發(fā)現(xiàn)，由于制樣過程中采用的是鑄鐵坩堝，因而在制樣的后期，標(biāo)準(zhǔn)試樣中很可能混入了鐵粉，而鐵是一種磁性材料，因而當(dāng)漆粉中摻雜鐵后，就會造成測試試樣磁損耗的增大，葛愛英等[6]對內(nèi)包覆納米Fe富勒烯的電磁特性研究的結(jié)論證實(shí)了這一點(diǎn)。

3結(jié)論

從2~18GHz四種油漆材料的相對介電常數(shù)、磁損耗測試結(jié)果來看，氟聚氨酯磁漆和丙烯酸聚氨酯面漆的相對介電常數(shù)較低，數(shù)值變化趨勢較為一致，相比其他兩種材料走勢也較為簡單；氟聚氨酯磁漆、丙烯酸聚氨酯漆、原子灰的磁損耗較小，相比氟聚氨酯磁漆底漆的數(shù)值變化較為平緩。

作者：仝曉剛 單位：中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所