玄曉波, 夏 冬, 顧 昊, 樊鳴鳴, 辛 朋

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

雷達天線罩[1]是各類飛行器的重要部件,除了作為雷達發(fā)射與接收電磁波的透射窗口外,還可以保護天線不受外界復雜環(huán)境影響。近年來,高速飛行器技術(shù)的快速發(fā)展對天線罩提出了更高的性能要求,主要體現(xiàn)在高溫條件下的高強度特性以及寬帶電磁透波特性。

現(xiàn)代先進戰(zhàn)斗機最大飛行馬赫數(shù)不超過2.5[2],高速飛行時位于機頭的天線罩工作溫度一般不超過300℃。在該溫度條件下,為匹配寬帶工作的火控雷達,天線罩可采用具備寬帶透波特性的A夾層或C夾層結(jié)構(gòu),其主要由復合材料蒙皮與有機材料蜂窩芯層構(gòu)成[3]。這種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)天線罩由于材料自身限制,并不適用于溫度更高的工作環(huán)境。

各類新一代戰(zhàn)術(shù)導彈,如防空導彈等,其最大飛行馬赫數(shù)普遍超過4,甚至更高。為承受高速飛行條件下的巨大氣動熱力沖擊,導彈天線罩普遍選用耐高溫的無機陶瓷基材料[4-8]。石英陶瓷是目前最常用的耐高溫天線罩材料,具備穩(wěn)定的介電常數(shù)與低熱膨脹系數(shù),最高可承受溫度為(1 000～1 200)℃。氮化硅陶瓷[9-10]則是受到廣泛關(guān)注的新一代導彈天線罩材料,其最高可承受溫度達(1 600～1 800)℃,具備極佳的耐熱沖擊特性。但是由于此類陶瓷基材料天線罩一般為單層結(jié)構(gòu),透波帶寬較窄,不具備寬帶透波特性。盡管夾層結(jié)構(gòu)是飛機雷達天線罩設(shè)計中常用的寬帶透波結(jié)構(gòu),但類似設(shè)計并不能直接拓展應(yīng)用到導彈天線罩設(shè)計中。導彈天線罩工作的熱力條件嚴苛,夾層結(jié)構(gòu)導彈天線罩在設(shè)計時受到更高的熱力載荷指標約束,尤其是在缺乏兼具低介電、耐高溫(1 000℃以上)、高強度特性的芯層材料時,往往無法實現(xiàn)理想的耐高溫寬帶夾層天線罩設(shè)計。

為兼顧高溫、高強度與寬帶透波特性,近年來新型介電梯度氮化硅陶瓷材料[11-15]受到了廣泛關(guān)注。基于多孔氮化硅材料介電常數(shù)靈活可調(diào)節(jié)這一特性[9-10],經(jīng)特殊工藝處理可以獲得具備漸變介電特性的新型氮化硅陶瓷材料,其在寬帶透波特性上遠勝于單一孔隙率的常規(guī)氮化硅材料。本文主要討論這種適用于耐高溫天線罩的梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu)的電磁透波特性與相關(guān)研究進展,對其制備工藝不作展開討論。

1 多層結(jié)構(gòu)天線罩的寬帶透波特性分析

1.1 天線罩寬帶設(shè)計方式

為實現(xiàn)雷達天線罩寬帶高透波特性,可以選擇薄壁結(jié)構(gòu)、低介電材料和多層結(jié)構(gòu)等設(shè)計方式[6-7]。其中薄壁結(jié)構(gòu)寬帶特性較佳,但罩壁過薄而無法承受氣動熱力的沖擊,很少應(yīng)用于飛行器天線罩。

對于單層結(jié)構(gòu)天線罩,罩體材料介電常數(shù)越高,則電磁波在罩體表面的反射就越大;材料損耗角正切越大,則電磁波在透射過程中能量損失也越大。為實現(xiàn)寬帶高透波特性,可選用低介電、低損耗且高強度的材料[6]?，F(xiàn)有石英陶瓷材料的介電常數(shù)為3.1～3.4,損耗角正切不大于0.008。在滿足使用強度的前提下,多孔氮化硅的介電常數(shù)可調(diào)低至2.5。盡管相關(guān)研究仍在進行中,但短期內(nèi)出現(xiàn)介電常數(shù)更低且強度適用于耐高溫天線罩的新材料的可能性較低。

另一種實現(xiàn)天線罩寬帶透波的方式是罩壁采用多層結(jié)構(gòu),例如常見的A/B/C等夾層結(jié)構(gòu)。基于等效傳輸線理論[1,16],可以將單層介質(zhì)結(jié)構(gòu)等效為單階梯式阻抗匹配器,而將多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)等效為多階梯式阻抗匹配器[8]。多階梯式阻抗匹配器可以將單階梯式阻抗匹配器較大的阻抗突變分散為幾個較小的阻抗突變,通過合理的參數(shù)設(shè)計,可使其產(chǎn)生的電磁反射在一定頻段內(nèi)實現(xiàn)部分相消,從而拓展透波帶寬。

1.2 多層介質(zhì)平板電磁透射分析

假設(shè)入射電磁波為理想平面波,從一種介質(zhì)傳輸至另一種介質(zhì)時會發(fā)生反射與折射。對于由多層介質(zhì)構(gòu)成的理想平板結(jié)構(gòu),其電磁波透射示意如圖1所示。圖中:θ是波束入射角;ε0,μ0分別是空氣的介電常數(shù)與磁導率;di,εi,μi分別是第i(i=1,2,…,n)層介質(zhì)的厚度、相對介電常數(shù)與相對磁導率。

圖1 理想多層介質(zhì)平板的電磁波透射示意圖

基于傳輸線理論,可以得到第i層介質(zhì)平板的歸一化傳輸矩陣[1,11]

式中:Ai,Bi,Ci,Di為第i層介質(zhì)歸一化傳輸矩陣的元素;γi為相位因子;λ0為電磁波自由空間波長;Zc,i是第i層介質(zhì)對自由空間的歸一化特性阻抗;Z‖,i,Z⊥,i分別為電磁波水平極化與垂直極化下的歸一化特性阻抗。對于多層介質(zhì)平板,其等效傳輸矩陣可以認為是各層等效傳輸矩陣的級聯(lián)形式,如圖2所示。

圖2 多層介質(zhì)平板的級聯(lián)傳輸矩陣示意圖

相應(yīng)地,多層介質(zhì)平板的等效歸一化傳輸矩陣可以表示為

式中:A,B,C,D為多層介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)的等效歸一化傳輸矩陣元素。則總透波系數(shù)

基于上述公式,就可以對多層介質(zhì)平板的透波特性進行分析。

2 介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)的透波特性分析

傳統(tǒng)致密氮化硅陶瓷相對介電常數(shù)一般為7～9,較高的介電常數(shù)限制了其在天線罩領(lǐng)域的應(yīng)用。為降低介電常數(shù),可以在制備過程中對氮化硅陶瓷進行多孔化處理。多孔氮化硅孔隙率越大,對應(yīng)的介電常數(shù)與介電損耗越低[9-11]。多孔氮化硅陶瓷同樣具備優(yōu)良的高溫高強度特性,且介電常數(shù)可以降至2.5～6.0。盡管目前也出現(xiàn)了介電常數(shù)低于2.5的多孔氮化硅的相關(guān)報道[17],但由于孔隙率過高導致強度性能出現(xiàn)較大下降,因此該類多孔氮化硅不適合直接應(yīng)用于天線罩領(lǐng)域。由于多孔氮化硅陶瓷材料的介電常數(shù)可通過特定工藝流程實現(xiàn)精確調(diào)控,在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了具備漸變介電特性的介電梯度氮化硅材料[11-15]。該材料因其獨特的超寬帶透波特性與高溫高強度特性,近年來受到了廣泛關(guān)注。

介電梯度氮化硅材料由多層多孔氮化硅材料復合而成,各層孔隙率呈現(xiàn)單調(diào)的梯度變化趨勢,因此各層介電常數(shù)也相應(yīng)地呈現(xiàn)梯度變化趨勢。介電梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu)在廣義上依然屬于多層結(jié)構(gòu),因此可以使用1.2節(jié)中介紹的多層介質(zhì)平板分析方法對其進行電磁透波特性分析。一種典型的介電梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)中顏色越深的部分對應(yīng)氮化硅介質(zhì)層的孔隙率越低,介電常數(shù)越高。天線罩最外層氮化硅材料的厚度與介電常數(shù)分別為d1和ε1,最內(nèi)層氮化硅材料的厚度與介電常數(shù)分別為dn和εn,各層介電常數(shù)由外壁到內(nèi)壁單調(diào)下降。ox軸表示以天線罩外壁為坐標原點的壁厚。

圖3 一種典型的介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)示意圖

對于介電梯度氮化硅材料,在總厚度不變的條件下,層數(shù)越多,各層厚度越薄,則介電常數(shù)變化曲線越趨于平滑。假設(shè)某理想介電梯度氮化硅材料總厚度為L,且每層介質(zhì)厚度無限薄,則此材料的介電常數(shù)隨厚度呈現(xiàn)連續(xù)變化趨勢。設(shè)其外壁處坐標x=0,則任意壁厚x處的介電常數(shù)[15]可表示為

式中:εmin為內(nèi)壁最低介電常數(shù);εmax為外壁最高介電常數(shù);k>0為結(jié)構(gòu)系數(shù)。

在設(shè)計時,一般可設(shè)置結(jié)構(gòu)系數(shù)k<1,從而提高寬帶透波特性。取介電梯度漸變結(jié)構(gòu)厚度L=9 mm,最低介電常數(shù)εmin=2.5,最高介電常數(shù)εmax=4.5,結(jié)構(gòu)系數(shù)k=0.5,得到的介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)變化曲線如圖4所示。

圖4 介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)介電常數(shù)變化曲線

在實際制備過程中,由于工藝限制,各層氮化硅厚度無法做成任意薄,因此介電常數(shù)變化呈離散形式。假定該多層介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)由6層壁厚為1.5 mm的氮化硅材料復合而成。對圖4中的介電常數(shù)變化曲線進行離散化處理,再根據(jù)式(1)～式(6)可計算得到該結(jié)構(gòu)在(0.1～60.0)GHz頻率范圍內(nèi)的寬帶透波率,如圖5所示。

圖5 介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)的寬帶透波特性

由圖5可知,在(0.1～60.0)GHz范圍內(nèi)、垂直極化入射條件下,波束入射角為0°時,該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)的透波率高于70%;波束入射角為45°時,該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)的透波率依然高于50%。水平極化入射條件下,該結(jié)構(gòu)的寬帶透波特性更佳。

在對此類介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)進行寬帶電磁透波特性優(yōu)化時,相關(guān)文獻[12]給出了一些經(jīng)驗:結(jié)構(gòu)系數(shù)不應(yīng)過大或過小,否則會對寬帶透波特性和結(jié)構(gòu)熱力特性造成負面影響。相關(guān)優(yōu)化結(jié)果顯示:一般設(shè)置結(jié)構(gòu)系數(shù)k=0.5或附近值較為合適;最外層及最內(nèi)層厚度占總厚度的比例越低,越有利于提高結(jié)構(gòu)的寬帶透波與熱應(yīng)力性能;層數(shù)越多,結(jié)構(gòu)的寬帶電磁透波特性越好。在總厚度保持不變的條件下,增加層數(shù)可以提高介電梯度結(jié)構(gòu)的阻抗匹配度,從而優(yōu)化寬帶透波性能。但總體優(yōu)化幅度有限,且會導致加工工藝難度的劇增。

3 介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)天線罩研究現(xiàn)狀

3.1 相關(guān)研究進展報道

美國波音公司于1981年申請了一項耐高溫寬頻天線罩的專利[7,18]。該天線罩罩壁采用雙層氮化硅結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可被視作一種最簡化的介電梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu),如圖6所示。其內(nèi)外層厚度比例為15∶1,外層為介電常數(shù)5.0的高密度氮化硅材料(厚約0.76 mm);內(nèi)層為介電常數(shù)1.8的低密度氮化硅-鋇鋁硅酸鹽復合陶瓷材料(厚約11.4 mm)。盡管內(nèi)外層材料都可耐受1 500℃高溫,但介電常數(shù)僅為1.8的低密度氮化硅-鋇鋁硅酸鹽復合陶瓷由于孔隙率較高,作為天線罩主要承力結(jié)構(gòu),在高溫下的強度特性存疑。另外該天線罩采用了聚酰亞胺樹脂作為內(nèi)外層粘接劑,由于普通聚酰亞胺樹脂耐溫極限不超過600℃,這也限制了該天線罩在高溫條件下的應(yīng)用。

圖6 一種耐高溫寬頻天線罩的雙層氮化硅結(jié)構(gòu)示意圖

20世紀80年代起,梯度功能材料[19]作為一門新興學科開始進入高速發(fā)展期。研發(fā)梯度功能材料的初衷是為了降低航天器材料所承受的巨大熱應(yīng)力。由于其材料物化特性呈現(xiàn)梯度變化,故特別適用于材料兩側(cè)溫差巨大的極端應(yīng)用場景。但相關(guān)研究主要關(guān)注梯度功能材料的熱力特性優(yōu)化,未見對陶瓷基梯度功能材料電磁透波特性研究的相關(guān)報道。

2010年,武漢理工大學的CHEN等[11]首次提出將孔隙梯度氮化硅陶瓷材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于寬帶透波天線罩領(lǐng)域。在對孔隙梯度氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)參數(shù)進行理論優(yōu)化的基礎(chǔ)上,課題組設(shè)計制備了一種具備寬帶透波特性的5層介電梯度氮化硅材料。該材料總厚度為6 mm,其中每層厚度均為1.2 mm,由外至內(nèi)各層的介電常數(shù)分別為7.0,3.8,3.0,2.5和2.2。其微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示,可見孔隙率由外到內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。理論計算與測試都顯示,在波束入射角為0°時,此介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)在(1～18)GHz的寬帶范圍內(nèi)具有高于70%的透波率。

圖7 5層介電梯度氮化硅材料微觀結(jié)構(gòu)圖[11]

2012年,北京大學的ZHOU等[12]詳細分析了介電梯度氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)的電磁透波特性與結(jié)構(gòu)熱力特性的非線性耦合關(guān)系,并給出了相應(yīng)的電-熱-力綜合優(yōu)化的方法。根據(jù)該優(yōu)化方法得到的一種9層介電梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu),最外層介電常數(shù)為5.6,最內(nèi)層介電常數(shù)為2.0。仿真顯示,該結(jié)構(gòu)除了具備高溫高強度的優(yōu)良熱力特性外,在波束入射角為0°時,在(1～100)GHz的寬頻帶范圍內(nèi)可以保持透波率高于70%,且在此頻率區(qū)間的大部分頻率上透波率都大于75%。同年,ZHOU等[13]還介紹了另一種具有對稱結(jié)構(gòu)的介電氮化硅梯度材料,該結(jié)構(gòu)的寬帶透波特性優(yōu)于傳統(tǒng)A夾層結(jié)構(gòu)。

2015年武漢理工大學的李飛宇[14]采用冷噴涂與無壓燒結(jié)工藝制備了一種4層介電梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu),如圖8所示。該4層結(jié)構(gòu)總厚度為2.4 mm,其中最內(nèi)層厚度為1.5 mm,其他3層厚度均為0.3 mm,由外至內(nèi)各層的介電常數(shù)分別為6.0,5.0,4.1,3.1。理論計算顯示,在波束入射角為0°時,該結(jié)構(gòu)在(0.5～40.0)GHz的寬帶范圍內(nèi)透波率大于70%。

圖8 經(jīng)冷噴涂與無壓燒結(jié)工藝制備的介電梯度氮化硅材料界面結(jié)合處微觀結(jié)構(gòu)圖[14]

2020年,哈爾濱工程大學的葉健[15]利用有機流延成型和氣壓燒結(jié)技術(shù)制備了一種11層介電梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)總厚度約為10 mm,各層厚度均為0.9 mm,最外層介電常數(shù)為5.60,最內(nèi)層介電常數(shù)為2.46,且由外到內(nèi)呈遞減趨勢。測試顯示,在波束入射角為0°時,該結(jié)構(gòu)在(2～20)GHz頻段上的透波率不低于72%。

3.2 有待解決的關(guān)鍵問題

介電梯度氮化硅結(jié)構(gòu)作為一種潛在的耐高溫寬帶天線罩罩壁材料,在近十年受到廣泛關(guān)注與研究。在介電常數(shù)調(diào)控與制備工藝上也取得了一定進展。但在天線罩實際應(yīng)用層面,還存在一些關(guān)鍵問題有待解決。

(1)大角度入射的寬帶透波問題

現(xiàn)有研究主要局限于波束垂直入射條件(入射角為0°),但實際的導彈天線罩波束入射角一般大于60°,甚至可能達到70°。需要對介電梯度氮化硅材料結(jié)構(gòu)在大入射角下的寬帶透波特性進行優(yōu)化設(shè)計,以滿足實際應(yīng)用需求。

(2)曲面結(jié)構(gòu)成型問題

對于介電梯度氮化硅材料而言,現(xiàn)有工藝技術(shù)只能實現(xiàn)簡單的平板結(jié)構(gòu)樣件制備。而天線罩一般為類似圓錐的曲面外形,其制備難度很大。需要繼續(xù)對介電梯度氮化硅材料曲面結(jié)構(gòu)的制備工藝技術(shù)進行研究。

4 結(jié)論

介電梯度氮化硅材料具有獨特的梯度變化介電特性與高溫高強度特性,是一種理想的耐高溫寬帶透波天線罩罩壁材料。本文主要介紹了梯度介電氮化硅材料結(jié)構(gòu)的寬帶透波特性與相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗,并對其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了簡要介紹與分析。盡管距離實際應(yīng)用仍有部分關(guān)鍵問題有待解決,但這種具備耐高溫、高強度、超帶寬特性的特殊透波功能材料,仍然具備極大的應(yīng)用潛力。