复合材料在移动通信天线罩的优势和工艺要点

方雄波

摘  要：综述了国内外树脂基复合材料在移动通信基站天线罩领域的应用和发展现状，介绍了现代高性能天线罩的介电、力学、环境可靠性等性能要求，不同材料体系的特点，树脂的改性方法和效果。重点介绍了改性环氧树脂玻璃纤维的性能和青酸脂玻璃纤维的性能。

关键词：天线罩;复合材料;环氧树脂;青酸脂;介电常数;介质损耗

引言

近年来移动通讯快速发展，作为移动通信基站天线的保护体天线罩的性能要求也日益提高，移动天线罩材料必须具有高频透波性（介电损耗角正切小，介电常数小），室外抗老化性能、耐腐蚀，力学强度高等要求。以前生产的移动天线罩多采用PVC材料，但该材料透波性能一般，易降解不耐老化，力学性能差，使用寿命较短。复合材料天线罩通常是玻璃类纤维（E玻璃布、D 玻璃布、S 玻璃布、石英布等）作为增强材料的树脂基（环氧、氰酸酯、不饱和聚酯树脂等）复合材料。

一、移动通信基站天线罩材料体系

（一）增强材料，目前移动通信基站天线罩用树脂基复合增强材料主要有玻璃纤维、芳纶纤维、石英纤维、聚乙烯纤维等。芳纶纤维是高度定向的芳香族聚酰胺纤维的统称，其代表品种为美国杜邦公司生产的Kevlar-49，由于芳纶纤维具有较低的密度、优越的抗冲击性和比刚度高、比强度高等特性，在航空上得到广泛应用，但易吸潮;石英纤维的化学成份是纯度达99.5% 以上的二氧化硅，经熔融制成纤维，其介电常数和介质损耗与上述玻璃纤维相比都是最小的，石英纤维的机械性能取决于制造工艺技术，另外，石英纤维的线膨胀系数较小，而且具有弹性模量随温度增高而增加的罕见特性，但成本高。聚乙烯纤维是密度最小，介电性能优良的一種增强纤维，由于其表面惰性导致纤维与树脂粘附性差，必须对纤维进行表面处理，同时选择合适的树脂体系。玻璃纤维是现在基站天线罩最常用的增强材料，其中低介电玻璃纤维（D-glass）的介电性能最好，高强度玻璃纤维（S-glass）力学性能优异。目前国内外先进的移动通信基站天线罩大多己采用玻璃纤维作为增强材料。常见的玻璃纤维和性能见表1。

（二）树脂基体

树脂在复合材料中起粘结剂的作用，是决定复合材料耐热性的基本成分。常用的树脂基体：酚醛树脂与不饱和聚脂树脂，环氧树脂已经广泛用于各类型天线罩基体。

其中环氧树脂具有优良的成型工艺性及力学性能，电性能，耐化学腐蚀性能，优良的粘接性。近年来随着先进基站天线罩对全频带，耐高低温，耐户外老化等性能要求的不断提升，对于在0～6GHz频率附近工作的基站天线罩，要求具有优良的耐湿热，耐紫外，耐酸碱等性能。介电性能更好的高性能树脂基材料通过对传统环氧树脂材料改性实现。环氧树脂的改性以降低介电常数和介质损耗同时提升材料耐热为目标。采用双环戊二烯改性环氧树脂，改性后树脂的介电常数由3.7降至2.6。介质损耗由0.0204降至0.0104.采用含苯并恶嗦的炔醚类分子作为固化剂，高化物中高极性的羟基基团数量大幅降低，改性树脂的介电常数为2.62。还有引入多面笼形聚倍半硅氧烷降低了材料的介电常数和介质损耗的同时改善了耐热性能。

氰酸酯树脂的主要特点是：低的介电系数（2. 8～3. 2），极小的介电损耗角正切值（0. 002 ～0. 008），并且在宽广的温度[- 160～（Tg- 50）]℃、频率范围（1MHz～1THz）变化很小;高耐热性（Tg240 ～290）℃，瞬时耐热性（热分解温度）远高于环氧树脂;低吸湿率（<1. 5 %）;小的热胀系数;优良的力学性能和粘接性能;具有与环氧树脂相似的工艺性，可溶于普通溶剂中，易与增强材料复合，固化过程中无低分子物析出，可于177 摄氏度固化。目前氰酸酯树脂已成功地应用于雷达天线罩领域。BASF 公司的一种以氰酸酯/石英纤维复合材料做成。为了进一步改性和提高性能价格比，氰酸酯树脂通常与环氧树脂共混使用，氰酸酯树脂环氧树脂/共混物不是简单的物理共混物，两者之间存在着复杂的共聚反应。采用氰酸酯改性环氧树脂体系，使改性的环氧树脂体系介电性能提高。利用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂做改性剂，对氰酸酯树脂进行共聚改性，经改性后的基体具有优异的介电性能，介电常数为2.11，介电损耗角tgδ <0.001（0-6GHz）。国外透波材料用氰酸树脂体系有BASF公司，Hexcel公司等，国内氰酸脂树脂体系有航天材料研究所研制的701氰酸脂树脂体系。

可用于天线罩材料的树脂还有聚岚，聚酰亚胺树脂和非碳化烧蚀材料聚四氟乙烯PTFE等。因热塑性树脂复合材料生产效率更高，是目前研究的天线罩材料的热点。常见基体树脂的透波性能见表2

（三）复合材料

随着5G基站天线罩工作频率的升高，传统的透波材料己不能满足高频电磁波高透过率。科学实践证明，增强材料与树脂基体的选择对介电常数和介质损耗有较大的影响，低的介电常数和介质损耗提高透波性能。比如：石英/ 氰酸酯体系复合材料就可以满足现代高性能天线罩的需求。国外产品如BASF 公司的的石英纤维/氰酸酯复合材料，国内产品有“航天材料及工艺研究所”的QWB/701系列复合材料。BASF 公司的的石英纤维/氰酸酯复合材料与传统环氧树脂天线罩相比，其介电常数降低了75%，介质损耗降低了10%，另外具有更低的吸水率，因此湿态介电性能更加优异。“航天材料及工艺研究所”的QWB/7o1系列石英布/氰酸脂复合材料的介电常数降低了24%，介电常数为3.28士0.15.符合天线罩用材料电性能要求，

系列环境试验的考核，此复合材料在高低温，湿热，盐雾，霉菌等环境试验后其力学性能具有较好的性能，说明该类型复合材料满足天线罩材料的设计要求。

复合材料透波性好，室外抗老化能力强，机械性能高，重量轻、采用模压，拉挤等生产工艺制作时尺寸稳定，批次一致性好，生产效率高、成本低，使用寿命在20年以上，完全符合移动通信基站天线罩的要求。目前已广泛用于无线移动通信基站天线的保护外壳。

二、天线罩的应用

（一）接收天线的设计

首先，设计了一款線极化贴片天线，为了比较，同时设计了一款相同口径的右旋圆极化贴片天线。基板材料为FR-4，厚度为3 mm，相对介电常数为4. 4，损耗正切为0.02。两种天线的S11仿真与实测数据，线极化贴片天线加载天线罩实测的5mm，线极化贴片天线和天线罩两者间距H为51 mm，线天线和圆天线中心工作频率均为5.8 GHz。

（二）天线罩应用与分析

将所设计的天线罩加载到线极化贴片天线上构成右旋圆极化信号接收终端，其中天线罩尺寸为二=336 mm。为了验证其接收圆极化信号的能力，将右旋圆极化喇叭天线作为发射端，天线罩加载线极化贴片天线作为接收端，连接到矢量网络分析仪进行了测试，发射功率为5 W，测得52的值为绝对收发功率比。通过改变天线罩与线极化天线之间的间距H，获得了对应最佳接收功率的间距。实测结果：当天线罩距离为H=51 mm时，可以获得最大的能量接收功率，接收功率大小由天线加载天线罩的线极化贴片天线和圆极化贴片天线作为接收终端的接收功率对比。入射波为右旋圆极化波，未加载天线罩的线极化贴片天线和圆极化贴片天线接收对比结果验证了当接收端极化不匹配时，存在约0.2dBi的接收能量损耗。通过加载天线罩，线极化天线接收效率在中心频点提升0.6dBi，在线极化天线工作带宽内，最高提升了约0.0.5dBi，从而验证了所设计的天线罩不仅具有较好的极化变换功能，而且由于天线罩加载带来的口径增加优势，增益亦被提高。本文所设计的天线罩与线极化贴片天线尺寸不一致，说明其适用于多种不同口径的天线，在极化不匹配的通信系统中，可以有更广泛的应用。

结语：

物联网，5G移动通信的发展对天线的性能增加了更高的复杂度，多频宽频集成化智能技术，毫米波技术，有源相控阵技术等先进技术的应用都将对天线罩材料及制造工艺提出更高更新的要求。作为未来天线罩的材料除了在电气上继续满足低介电常数、低损耗特性外，还必须具有极为宽的频带特性，具有高的结构强度和户外老化，抗腐蚀能力，相当高的工作温度以及便于成型加工的特性，这是当前和今后一段时期天线罩材料发展的新方向。依据这个思路，笔者认为，目前热固性树脂中应当重点发展氰酸酯树脂、改性环氧树脂等力学性能、耐热性、电性能均优的材料，以满足未来天线的高性能要求。

参考文献

[1]  巩恩勇，白海波.FRP移动通信天线罩的优势和工艺要点[J].数字通信世界，2018（11）：17+79.

[2]  黄定芳.移动通信基站玻璃钢天线罩拉挤成型树脂固化工艺研究[J].信息化建设，2015（06）：111+113.

[3]  韩国栋，顾长青.宽带改型B夹层移动通信天线罩的仿真设计[J].南京航空航天大学学报，2006（03）：331-334.