相控阵天线的电磁性能研究范文

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《电子元件与材料杂志》2015年第十一期

空天电子装备的轻量化设计是未来电子技术发展的主要方向。由于共形天线技术具有共形阵与载体共形，不破坏载体的力学性能，节省空间，可以快速无惯性扫描等优点被广泛应用在空天电子装备上[1]，另外共形天线相比传统天线体积减少很大，质量也大大减少，从而实现了电子装备的轻量化，增强了天线的性能，很适合在空天电子装备上应用。而目前机载共形天线主要工作在微波频段，微波频段对天线罩介质材料的电磁特性要求比较高，比如天线表面的介质层的介电损耗、磁损耗要尽量低，并且在工作频段内其电磁参数变化也要尽可能的小，具有一定的稳定性。而某相控阵共形天线需要对其天线裸阵面表面涂覆涂层进行防护，防止水汽及污染物附着、腐蚀天线裸阵面，从而影响天线的正常工作。但目前一般涂层厂商都没有提供涂层的相关电磁参数，文献检索也未见国内对涂层微波频段电磁性能研究的相关报道。为了掌握涂层材料电磁性能的测试方法及在2~18GHz内相关涂层材料的电磁性能变化规律，同时为将涂层材料应用于共形相控阵天线裸阵面提供选用依据，笔者开展了这方面的探索性工作。

为了测试在2~18GHz范围内常用涂层的相对介电常数和磁损耗，根据油漆材料的特性和制样的难易程度，作者选取了反射-传输法进行测试。反射-传输法可以应用频域和时域，又适合于宽频范围内的测量，特别是宽带矢量网络分析仪结合这一方法可分别实现时域和频率的应用，成为毫米波频段复相对介电常数和磁导率测量的有效工具，这个方法的优点是计算复相对介电常数和磁导率是去耦合的，无迭代的，被测量的频率范围宽等[4]。

1试样制作

由于涂层材料具有流动性，太厚，不易固化，因而不能一次性成型到想要的测试标准试样。本项目采取的思路是先让涂层固化，制取约2mm厚的圆饼状漆膜，然后让漆饼进一步固化，固化工艺具体见表1中的工艺参数。固化过程中采用的温箱为华邦XT-2型；然后把固化后的热固性涂层材料制成粉末，由于油漆材料的特殊性，普通的粉碎机难以制出颗粒均匀的漆粉，因而笔者经过多轮实验采用电磁制粉方式制出了理想的测试用漆粉，该电磁制粉机为上虞市道墟汪盛仪器厂生产的DF-4电磁制样粉碎机；制粉完后把制成的漆粉装在洁净的样品袋中，抽真空并进行热压密封，以免漆粉受潮或污染影响测试结果；最后采用专用模具把制得的漆粉压制成测试需要的标准环状试样。图1为标准试样制作的流程。表2和表3为2种试样的尺寸。从表2、表3的数据可以看出，本方法制得的试样的一致性很好，厚度尺寸差距≤0.03mm，外径尺寸差距≤0.03mm，内径尺寸差距≤0.03mm。因而本方法制得的标准试样可以应用于测试各试样的电磁数据。

2试样测试及结果分析

本次测试委托成都电子科技大学极高频复杂系统国防重点学科实验室进行测试。实验采用Agilent-E8363A宽带网络矢量分析仪，测试频率范围2~18GHz，要求测试系统加热30min以上，然后先进行试测试，等待测试系统达到稳态后正式开始测试；测试中采用的数据处理及采集系统为该实验室自编软件；测试过程中佩戴一次性无菌手套进行，避免样品受到污染。

2.1相对介电常数在测试数据中以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，FPEP代表氟聚氨酯磁漆底漆。从表示材料的相对介电常数与频率关系的图2和图3可以看出，两组标准试样的测试重复性较好，四种材料相对介电常数随频率变化的趋势基本一致。在2~12GHz内，基本上是原子灰的相对介电常数最大，氟聚氨酯磁漆底漆次之，丙烯酸聚氨酯漆再次之，氟聚氨酯磁漆的相对介电常数最小，但其和丙烯酸聚氨酯底漆的相对介电常数差距不大，这主要是由于原子灰、氟聚氨酯磁漆底漆中的无机填料较多的缘故，导致了其相对介电常数较高，特别是原子灰中的无机填料最多，而氟聚氨酯磁漆比丙烯酸聚氨酯漆相对介电常数低的主要原因是丙烯酸聚氨酯漆的分子结构较氟聚氨酯磁漆复杂，从而表现出来极性较氟聚氨酯磁漆强，从而其相对介电常数也较氟聚氨酯磁漆大。从2~18GHz的频段来看，原子灰的相对介电常数曲线的变化最快，而氟聚氨酯磁漆的相对介电常数变化最慢，这也反映出了氟聚氨酯磁漆的分子结构较为其他三种材料简单。在10GHz以下的频段，相对介电常数随着频率的增加出现了多个连续的阶梯状下降的走势，而这每一个阶梯对应的是一种极化过程，在这个频段范围内主要是由于取向极化、电子极化以及界面极化引起的；而在10~18GHz内四种材料分别出现了相对介电常数的几个峰值，特别是10~16GHz范围内：图2中，原子灰的相对介电常数的峰值为5.8，氟聚氨酯磁漆底漆的相对介电常数峰值为4.6，丙烯酸聚氨酯漆的相对介电常数峰值为3.8，氟聚氨酯磁漆的相对介电常数峰值为3.6；图3中原子灰的相对介电常数的极大值为5.2，氟聚氨酯磁漆底漆的相对介电常数极大值为4.18，丙烯酸聚氨酯漆和氟聚氨酯磁漆的相对介电常数的极大值均为3.9。出现这种现象的原因是由于当测试频率接近并分子中某些结构的共振频率时，相对介电常数先增加，后下降，出现了共振吸收峰[5]，从而导致了四种材料的相对介电常数的峰值的出现。在这个范围内，图2和图3不一致的地方是图3中丙烯酸聚氨酯漆的相对介电常数降低，这可能由于两组试样的厚度差引起的。

2.2磁损耗的测试及结果分析图4、图5中的磁损耗是指复磁导率的虚部，复磁导率的实部表示储存能量的能力，虚部则表示损耗能量的能力，因而以复磁导率的虚部作为磁损耗是合理的。从图4可以看出，氟聚氨酯磁漆底漆的磁损耗最大，其余三种材料的磁损耗差距不大，但氟聚氨酯磁漆的磁损耗在4GHz附近较大，造成这种情况的原因是由于在底漆材料的添加剂中可能有磁性材料的存在，本试样的底漆中具有磁性的添加剂是铬酸锌钾的复盐，原子灰的添加剂主要是硅盐、金刚砂等，而漆膜材料主要以有机物为主，而铬酸锌钾盐具备一定的磁性，从而使底漆的磁损耗明显高于其余三种材料；而氟聚氨酯磁漆在低频段4GHz附近磁损耗较高的原因可能是由于其分子链上引入氟原子的缘故，而氟原子在该频率附近具有一定的顺磁性，从而造成了其在4GHz附近磁损耗的明显增大。从图5可以看出，丙烯酸聚氨酯漆在14GHz左右出现了明显的磁损耗峰值，另外在2GHz左右氟聚氨酯磁漆也出现了明显的磁损耗峰值，这与图4的测试数据差异非常大；经过后面对测试过程及制样过程的检查发现，由于制样过程中采用的是铸铁坩埚，因而在制样的后期，标准试样中很可能混入了铁粉，而铁是一种磁性材料，因而当漆粉中掺杂铁后，就会造成测试试样磁损耗的增大，葛爱英等[6]对内包覆纳米Fe富勒烯的电磁特性研究的结论证实了这一点。

3结论

从2~18GHz四种油漆材料的相对介电常数、磁损耗测试结果来看，氟聚氨酯磁漆和丙烯酸聚氨酯面漆的相对介电常数较低，数值变化趋势较为一致，相比其他两种材料走势也较为简单；氟聚氨酯磁漆、丙烯酸聚氨酯漆、原子灰的磁损耗较小，相比氟聚氨酯磁漆底漆的数值变化较为平缓。

作者：仝晓刚 单位：中国电子科技集团公司第十研究所