复合材料在雷达天馈系统结构设计中的应用

1 引言
      复合材料（Composite Materials，Composites）是指经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称祖元），通过人工复合、组成多项、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊功能的材料。因复合材料具有各组分的性能，同时能按预期的使用特性而设计制造，并按成分的不同比例可获得优于基体的更高性能。其具有高比强度、高比模量、吸波、透波及低膨胀系数等优越性能,已广泛应用于能源、交通、航天航空、汽车工业、电子工业等领域。
    随着机载、星载雷达的发展，天馈系统作为这一高新技术载体的核心部分，正向着集成度高、轻小型化、高可靠性的方向发展，其需要大量高性能的结构材料和功能材料对结构设计进行优化。天馈系统通常由天线骨架、天线阵面、馈线及天线罩等部分组成。本文主要介绍几类复合材料的特点及其在天馈系统中的应用。

2 复合材料的分类及特点

      复合材料按使用功能要求可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构件使用，其特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材和增强体铺层设计，充分发挥各组元的效能；功能复合材料则具有某种特殊的物理或化学性能（如电、磁、声、光、热等），利用其特殊的性能来实现特定功能，本文主要利用其电磁、热特性进行设计微波元器件。

    复合材料的主要特点是：性能可设计性、与构件成型的一致性，具有比强度高、比模量高、抗疲劳断裂性能好、尺寸稳定性好等一系列优点，其综合性能如表1所示。
       

    
3 复合材料在天馈系统上应用

      3.1 碳纤维复合材料在天线骨架中的应用

      碳纤维复合材料（CFRP）是集结构承载和电磁功能于一身的优质材料。同时随着雷达科学的发展，阵列面天线已经大量使用，天线骨架不仅安装阵面或反射面，还通常集成发射、接收、监控等分系统，进而需承载更大的载荷。根据两者的功能特点，将碳纤维复合材料应用于设计制造天线骨架，将更好地解决框架的刚强度设计和减重设计之间的矛盾。

       图1是某星载雷达天线阵面骨架，其上安装有阵列天线、T/R组件、功分器、波控及电源等，骨架包括边框、中框、接头和加强板等，尺寸约为5.6m×1.44m,重约800kg。经过对模型的结构优化，设计四周骨架方管高80mm、宽72mm、壁厚3mm，并在框架内预埋安装件，在横梁与纵梁的连接处使用铝合金槽形角片连接，并选用表2所示的碳纤维复合材料。试验结果和分析基本吻合，其固有频率约为49Hz,满足天线的使用要求。
        
      
      3.2 碳纤维复合材料在天线反射面中的应用

      通过CFRP的电磁波反射、透射等试验研究证明，CFRP的不同铺层对雷达波透射系数影响很大:在单向纤维铺层中，CFRP层板铺层层数越多，则雷达波反射率就越高，对于单向纤维层板，层数约25层时，大约99%以上的雷达波被反射；在单向纤维铺层中,纤维与电场方向夹的绝对值|6|(0 ≤|6|≤90°)越大，雷达波反射率就越小。

      我们应用CFRP的电磁波特性，为某雷达设计制造了图2所示的碳纤维复合材料天线反射面。该反射面不仅提高了天线的刚强度，而且比传统的铝合金天线重量降低了50%左右，同时具有良好的抗热变形能力。
      

图3是该碳纤维复合材料天线的透过率测试结果，数据表明该天线的反射率大于96％，透过率≤-25dB，符合设计、使用要求，满足电性能指标。
      
       3.3 玻璃纤维复合材料在天线罩上的应用

       雷达天线通常遭受到风、雨或飞沙走石等的侵袭，为了保护其不受这些因素的干扰，确保天线能在恶劣环境条件下正常工作，我们常使用集电磁波透明性和结构强度于一身的功能性复合材料罩在雷达天线上，即：雷达罩，被称为雷达系统的“电磁窗口”。

       雷达罩常使用玻璃纤维复合材料进行设计,由于制备工艺的不同,材料的机械及电气性能通常也略有不同，表3列出了几种典型材料的电气性能。因此设计雷达罩不仅对其风载荷、雪载荷等的强度和稳定性进行校核，而且需要对材料的电气性能进行设计，而且必须根据相应的测试标准进行复测。
       
      3.4 其它复合材料的应用

      随着材料复合手段的日渐丰富、制作工艺水平的逐步提高，复合材料的种类也不断增加，性能也大幅度优化，进而就扩大了其在馈线系统元器件设计中应用。金属基复合材料具有热导率高、强度高、热膨胀系数低等特点。目前，环行器、移项器、T/R组件等器件使用金属基复合材料进行电讯及结构设计。

4 结论

      复合材料以其优良的力学、热学及电性能在现代雷达天馈系统中得到来了广泛的应用，加快了雷达结构向高集成度、高可靠性、轻小型化的方向发展。现对复合材料的结构设计提出以下几点建议：

      (1)复合材料的可设计性是一把双刃剑，给设计带来方便的同时，也对制作工艺提出更高要求，提高工艺设计水平是利用好复合材料这把利剑的关键。

      (2)在天馈系统中使用复合材料，必须结合数字样机技术，对材料成分和状态进行仿真分析，优化产品结构形式、提高结构刚强度，同时缩短研发周期,降低设计和制造成本。

      (3)因为雷达天馈系统的结构尺寸要求精度非常高,对于功能复合材料的设计，还需要做大量的实验验证工作,以满足产品热稳定性和环境适应性的要求。