复合蒙皮蜂窝结构的设计及其吸波性能

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:针对引入蒙皮材料导致吸波蜂窝26.5~40GHz频段吸波性能退化的问题,对蒙皮的结构进行了改进设计,研究了A型蒙皮结构对多层蜂窝吸波性能的影响机理及规律,并得到了最优的蒙皮结构参数。研究结果表明:设计的A型结构,可有效改善蒙皮的高频段透波性能。随着A型蒙皮中透波蜂窝厚度的增加,复合吸波蜂窝在2~18GHz频段内的吸波性能保持在相当的水平,在26.5~40GHz波段吸波性能先升高后降低,透波蜂窝的最优厚度为2mm。基于5种不同电磁特性的吸波蜂窝片材,设计制备的具有0.3mm石英布/2mm透波蜂窝/0.3mm石英布蒙皮结构的复合蜂窝在2~18GHz及26.5~40GHz的超宽频带内具备优异的吸波性能,与仿真优化结果保持一致。

  关键词:吸波蜂窝;A型蒙皮;宽频;反射率;阻抗匹配

  吸波材料的研制与应用技术源于第二次世界大战期间,今天已进入了深化研究与广泛应用阶段[1]。吸波材料按照应用形式可以划分为涂覆型、贴片型及结构型等多种类别,以吸波蜂窝/泡沫为代表的轻质吸波材料是结构型吸波材料类别下的重要分支[2-5]。吸波泡沫材料一般通过在泡沫基体中加入羰基铁粉、炭黑或短切碳纤维等吸收剂得到[6-9],吸波蜂窝材料则一般通过在芳纶蜂窝芯壁上浸渍混有炭黑的胶液[10-12],或者在造纸时直接掺杂短切碳纤维得到[13]。为了拓宽吸波蜂窝的吸波带宽,一般将吸波蜂窝设计为多层阻抗渐变结构[14-15],并通过电磁仿真算法进行吸波结构的优化[16-19]。

  随着战场环境的变化,军事装备的隐身频带需求已从传统的2~18GHz波段拓展到更高的26.5~40GHz波段(通常称为Ka波段),但目前对吸波材料Ka波段性能的研究报道尚较少。对于结构型吸波材料,在实际工程应用中往往需要在其表面包覆蒙皮(厚度一般不小于0.3mm)以提高力学性能及耐环境性能,何山、赵宏杰等研究了蒙皮/保护层对吸波材料反射率性能的影响,但均限于18GHz以下,未涉及Ka波段[20-21]。蒙皮的引入往往会导致Ka波段反射率性能退化,退化幅度达10dB以上,成为现阶段需要重点解决的技术难题。

  本文从工程应用的实际需求出发,制备不同牌号的吸波蜂窝片材,通过仿真优化得到吸波蜂窝结构,并研究蒙皮对蜂窝吸波性能的影响。通过A型蒙皮结构设计,提高复合吸波蜂窝Ka波段吸波性能,最后得到超宽频高效复合吸波蜂窝样品。

  实验材料及方法

  实验材料

  吸波蜂窝

  吸波蜂窝的基体材料为Nomex芳纶纸蜂窝(孔格边长为1.73mm),吸收剂为炭黑颗粒,通过将Nomex蜂窝浸渍到炭黑与树脂的混合溶液内并晾置、固化后得到吸波蜂窝。控制吸波蜂窝浸渍后的增重可以得到具备不同电磁损耗特性的吸波蜂窝。吸波蜂窝的制备过程为:将酚醛树脂溶于无水乙醇中稀释制成胶液,加入吸收剂并搅拌均匀,用高速匀质机充分分散后,倒入浸胶槽中备用。将Nomex蜂窝裁剪后置入浸胶槽中浸渍,取出并晾置20~30min,然后放入烘箱内进行固化,固化工艺条件为180℃下恒温2h。为了得到最佳的吸波性能,制备了5种不同规格的吸波蜂窝,用于多层吸波蜂窝结构的阻抗渐变匹配设计。5种吸波蜂窝的编号及增重比率见表1。

  蒙皮采用透波性能优异的石英/环氧复合材料,石英纤维织物作为增强材料,石英纤维织物为菲利华公司生产的B型石英纤维/环氧布,单层厚度为0.1mm。石英纤维的介电常数实部为3.8,环氧树脂的介电常数实部为3.1,纤维体积含量约为70%。

  实验方法

  吸波蜂窝电磁参数测试

  吸波蜂窝的电磁参数采用传输反射法进行测量,测试夹具为矩形波导,将吸波蜂窝加工为与测试夹具内边缘紧密贴合的尺寸,然后放入波导片内部,用矢量网络分析仪测试其电磁参数。分频段进行电磁参数测试,频段分别为2.6~3.95GHz,3.95~5.85GHz和5.85~8.2GHz,对应的测试样品尺寸分别为72.14mm×34.04mm×5.00mm、47.55mm×22.15mm×4.00mm和

  34.85mm×15.80mm×3.00mm。

  蒙皮介电常数测试

  蒙皮采用的石英/环氧复合材料为低损耗介电材料,采用高Q腔法测定其介电常数。测试夹具为圆柱形波导腔,样品直径为50.5mm,厚度为3.0mm。

  A型蒙皮复合吸波蜂窝结构的制备

  首先将5种规格的吸波蜂窝及Nomex蜂窝切割为设计的厚度。准备好J-47胶膜、石英布/环氧树脂预浸料并裁切,然后将吸波蜂窝、胶膜及蒙皮等按照设计的顺序进行铺层。放入模具中,进行真空封装,在烘箱内进行升温、固化,固化工艺为模具温度达到130℃并稳定后,保温2h。脱模后,裁切为300mm×300mm、180mm×180mm的方块形。

  反射率测试

  将制备得到的A型蒙皮复合吸波蜂窝样品进行反射率测试,测试设备为弓形法反射率测试系统,300mm×300mm的样品用于测试2~18GHz频段,180mm×180mm的样品用于测试26.5~40GHz频段[22]。

  结果与讨论

  A型蒙皮复合吸波蜂窝结构电磁特性

  采用上述方法对吸波蜂窝的电磁参数进行了测试,测得的介电常数实部、虚部及损耗角见图1。可以看出,吸波蜂窝片材的介电常数实部和虚部均随着浸渍吸波浆料增重的增加而增加,电磁参数最低的牌号为F-1,其介电常数实部为1.1~1.3,介电常数虚部为0.1~0.3;电磁参数最高的牌号为F-5,其介电常数实部为1.8~2.8,介电常数虚部为0.9~2.5。相应的,随着吸波浆料浸渍重量的增加,蜂窝片材的介电损耗角正切值也随之增加,电磁波吸收性能逐步提升。这种电磁参数的离散化有利于吸波蜂窝的阻抗匹配设计。

  测试了石英/环氧复合材料的介电常数,测得其介电常数为3.4,介电损耗为0.0095。

  1.1.2蒙皮

  3.0

  2.8

  R=20lg

  (2)

  2.6

  2.4

  2.2

  2.0

  1.8

  1.6

  1.4

  1.2

  1.0

  3.0

  2.8

  2.6

  2.4

  2.2

  2.0

  1.8

  1.6

  1.4

  1.2

  1.0

  0.8

  0.6

  0.4

  0.2

  0.0

  23456789

  Frequency/GHz

  23456789

  Frequency/GHz

  由式(2)可知,各层材料的电磁参数及厚度决定了材料的最终反射率。前文已得到5种不同吸波蜂窝材料的电磁参数,通过对各层的厚度进行设计,可以优化吸波材料整体的吸波性能。各层吸波蜂窝材料的厚度采用遗传算法进行优化,经多次迭代计算后,最终得到了在2~18GHz及26.5~40GHz超宽频带内吸波性能优异方案。吸波蜂窝的总厚度为24mm,各层材料厚度见表2,仿真得到的吸波蜂窝反射率曲线如图2中1#曲线所示。

  根据实际应用需求,吸波蜂窝表面需粘贴0.3mm的复合材料蒙皮。计算了粘贴蒙皮后复合吸波蜂窝材料反射率的变化情况,仿真结果见图2中2#曲线所示。可以看出,吸波蜂窝复合蒙皮后,其Ka波段反射率性能相比未复合蒙皮时退化了5~30dB。这表明蒙皮的阻抗在Ka波段与吸波蜂窝不匹配,导致Ka波段的电磁波在接触到蒙皮时产生了较大比例的直接反射,从而使反射率性能下降。

  1.0

  A型蒙皮复合吸波蜂窝结构仿真设计

  蒙皮对吸波性能的影响

  对于由k层吸波材料组成的多层结构,对电磁波正入射的反射率取决于吸波材料表面的输入阻抗Zk。Zk的值由下式递推得出[23]:

  Z+hth(igd)

  改进的蒙皮结构设计

  为了降低蒙皮对吸波蜂窝Ka波段吸波性能的影响,对蒙皮的结构进行了改进设计。A型夹层结构可以有效提高特定设计频带内的透波率,因此已

  Z=h

  k-1kkk

  (1)

  在天线罩中得到了广泛的应用[24-25]。A型夹层结构

  kkZ

  k-1th(ig

  kdk

  )+hk

  由上、下两层蒙皮组成,中间采用透波蜂窝材料作其中:Zk为第k层输入阻抗(金属反射板的输入阻

  抗Z0=0);hk=为第k层的本征阻抗;为支撑,如图3所示。

  材料的复介电常数及复磁导率;dk为第k层的厚度。在自由空间与材料的分界面上,电磁波反射率R表示为

  仿真研究了A型夹层蒙皮在无反射面情况下的反射率,因蒙皮及蜂窝均无损耗,反射率越低则代表透过率越高。图4是单层蒙皮及不同厚度蜂窝双层蒙皮的反射率计算结果。可以看出,单层蒙皮反射系数随频率的增加而增加,而采用双层蒙皮结构后形成了低反高透区,且随着蜂窝厚度的增加,低反高透区向低频移动。这是因为单层蒙皮对入射电磁波产生的反射只与介电常数及其电厚度有关,随着频率的增加,蒙皮的电厚度也增加,因此单层蒙皮的反射率呈单调上升的趋势,频率越高越不利于透波。采用A型蒙皮后,电磁波在两层蒙皮间发生多次反射,一次反射波与多次反射波在特定频带内可形成干涉相消,从而大幅增加电磁波在特定频带内的总透波率。随着蜂窝厚度的增加,两层蒙皮间的电磁波行程增加,干涉相消的谐振波长也相应的增加,因此导致低反高透区向低频移动。利用A型蒙皮在特定频率的高透特性,可以改善其对吸波蜂窝高频吸波性能的影响。

  A型蒙皮复合吸波蜂窝结构反射率验证

  按照设计的结构分别制备了反射率试样,1#试样为吸波蜂窝结构复合单层0.3mm蒙皮;2#~5#试样为吸波蜂窝结构复合A型蒙皮(中间蜂窝层厚度分别为1.4mm、1.7mm、2.0mm、2.2mm),反射率测试结果见图7所示。

  将A型夹层结构应用在吸波材料的表面,组成A型蒙皮复合吸波蜂窝结构,见图5。

  图6中2#~5#曲线为不同厚度蜂窝双层蒙皮放置到吸波蜂窝上表面后的反射率计算结果。可以看出,随着透波蜂窝厚度增加,Ka波段反射率性能逐步提高,但超过最佳值后,反射率性能开始随着厚度增加而退化。经仿真对比,在第一阶电性厚度范围内,A型蒙皮中透波蜂窝厚度为2.0mm时,复合结构Ka波段的反射率最低。

  可以看出,反射率实测结果与仿真设计的结果相比,数值和规律均保持一致。其中蜂窝层厚度为2.0mm的A型蒙皮复合吸波蜂窝在整个宽频范围内吸波性能最优,在4.5~18GHz、26.5~40GHz反射率优于-10dB,在6~16GHz、26.5~38GHz反射率优于-15dB。

  结论

  (1)采用A型夹层结构蒙皮可以有效改善蒙

作者:邢孟达,马向雨,宫元勋,吕通,李策,赵宏杰 单位:天特种材料及工艺技术研究所

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