介电梯度氮化硅结构耐高温宽带天线罩研究进展

玄晓波, 夏 冬, 顾 昊, 樊鸣鸣, 辛 朋

(上海无线电设备研究所,上海 201109)

0 引言

雷达天线罩[1]是各类飞行器的重要部件,除了作为雷达发射与接收电磁波的透射窗口外,还可以保护天线不受外界复杂环境影响。近年来,高速飞行器技术的快速发展对天线罩提出了更高的性能要求,主要体现在高温条件下的高强度特性以及宽带电磁透波特性。

现代先进战斗机最大飞行马赫数不超过2.5[2],高速飞行时位于机头的天线罩工作温度一般不超过300℃。在该温度条件下,为匹配宽带工作的火控雷达,天线罩可采用具备宽带透波特性的A夹层或C夹层结构,其主要由复合材料蒙皮与有机材料蜂窝芯层构成[3]。这种蜂窝夹层结构天线罩由于材料自身限制,并不适用于温度更高的工作环境。

各类新一代战术导弹,如防空导弹等,其最大飞行马赫数普遍超过4,甚至更高。为承受高速飞行条件下的巨大气动热力冲击,导弹天线罩普遍选用耐高温的无机陶瓷基材料[4-8]。石英陶瓷是目前最常用的耐高温天线罩材料,具备稳定的介电常数与低热膨胀系数,最高可承受温度为(1 000～1 200)℃。氮化硅陶瓷[9-10]则是受到广泛关注的新一代导弹天线罩材料,其最高可承受温度达(1 600～1 800)℃,具备极佳的耐热冲击特性。但是由于此类陶瓷基材料天线罩一般为单层结构,透波带宽较窄,不具备宽带透波特性。尽管夹层结构是飞机雷达天线罩设计中常用的宽带透波结构,但类似设计并不能直接拓展应用到导弹天线罩设计中。导弹天线罩工作的热力条件严苛,夹层结构导弹天线罩在设计时受到更高的热力载荷指标约束,尤其是在缺乏兼具低介电、耐高温(1 000℃以上)、高强度特性的芯层材料时,往往无法实现理想的耐高温宽带夹层天线罩设计。

为兼顾高温、高强度与宽带透波特性,近年来新型介电梯度氮化硅陶瓷材料[11-15]受到了广泛关注。基于多孔氮化硅材料介电常数灵活可调节这一特性[9-10],经特殊工艺处理可以获得具备渐变介电特性的新型氮化硅陶瓷材料,其在宽带透波特性上远胜于单一孔隙率的常规氮化硅材料。本文主要讨论这种适用于耐高温天线罩的梯度氮化硅材料结构的电磁透波特性与相关研究进展,对其制备工艺不作展开讨论。

1 多层结构天线罩的宽带透波特性分析

1.1 天线罩宽带设计方式

为实现雷达天线罩宽带高透波特性,可以选择薄壁结构、低介电材料和多层结构等设计方式[6-7]。其中薄壁结构宽带特性较佳,但罩壁过薄而无法承受气动热力的冲击,很少应用于飞行器天线罩。

对于单层结构天线罩,罩体材料介电常数越高,则电磁波在罩体表面的反射就越大;材料损耗角正切越大,则电磁波在透射过程中能量损失也越大。为实现宽带高透波特性,可选用低介电、低损耗且高强度的材料[6]。现有石英陶瓷材料的介电常数为3.1～3.4,损耗角正切不大于0.008。在满足使用强度的前提下,多孔氮化硅的介电常数可调低至2.5。尽管相关研究仍在进行中,但短期内出现介电常数更低且强度适用于耐高温天线罩的新材料的可能性较低。

另一种实现天线罩宽带透波的方式是罩壁采用多层结构,例如常见的A/B/C等夹层结构。基于等效传输线理论[1,16],可以将单层介质结构等效为单阶梯式阻抗匹配器,而将多层介质结构等效为多阶梯式阻抗匹配器[8]。多阶梯式阻抗匹配器可以将单阶梯式阻抗匹配器较大的阻抗突变分散为几个较小的阻抗突变,通过合理的参数设计,可使其产生的电磁反射在一定频段内实现部分相消,从而拓展透波带宽。

1.2 多层介质平板电磁透射分析

假设入射电磁波为理想平面波,从一种介质传输至另一种介质时会发生反射与折射。对于由多层介质构成的理想平板结构,其电磁波透射示意如图1所示。图中:θ是波束入射角;ε0,μ0分别是空气的介电常数与磁导率;di,εi,μi分别是第i(i=1,2,…,n)层介质的厚度、相对介电常数与相对磁导率。

图1 理想多层介质平板的电磁波透射示意图

基于传输线理论,可以得到第i层介质平板的归一化传输矩阵[1,11]

式中:Ai,Bi,Ci,Di为第i层介质归一化传输矩阵的元素;γi为相位因子;λ0为电磁波自由空间波长;Zc,i是第i层介质对自由空间的归一化特性阻抗;Z‖,i,Z⊥,i分别为电磁波水平极化与垂直极化下的归一化特性阻抗。对于多层介质平板,其等效传输矩阵可以认为是各层等效传输矩阵的级联形式,如图2所示。

图2 多层介质平板的级联传输矩阵示意图

相应地,多层介质平板的等效归一化传输矩阵可以表示为

式中:A,B,C,D为多层介质平板结构的等效归一化传输矩阵元素。则总透波系数

基于上述公式,就可以对多层介质平板的透波特性进行分析。

2 介电梯度氮化硅结构的透波特性分析

传统致密氮化硅陶瓷相对介电常数一般为7～9,较高的介电常数限制了其在天线罩领域的应用。为降低介电常数,可以在制备过程中对氮化硅陶瓷进行多孔化处理。多孔氮化硅孔隙率越大,对应的介电常数与介电损耗越低[9-11]。多孔氮化硅陶瓷同样具备优良的高温高强度特性,且介电常数可以降至2.5～6.0。尽管目前也出现了介电常数低于2.5的多孔氮化硅的相关报道[17],但由于孔隙率过高导致强度性能出现较大下降,因此该类多孔氮化硅不适合直接应用于天线罩领域。由于多孔氮化硅陶瓷材料的介电常数可通过特定工艺流程实现精确调控,在此基础上出现了具备渐变介电特性的介电梯度氮化硅材料[11-15]。该材料因其独特的超宽带透波特性与高温高强度特性,近年来受到了广泛关注。

介电梯度氮化硅材料由多层多孔氮化硅材料复合而成,各层孔隙率呈现单调的梯度变化趋势,因此各层介电常数也相应地呈现梯度变化趋势。介电梯度氮化硅材料结构在广义上依然属于多层结构,因此可以使用1.2节中介绍的多层介质平板分析方法对其进行电磁透波特性分析。一种典型的介电梯度氮化硅材料结构如图3所示。该结构中颜色越深的部分对应氮化硅介质层的孔隙率越低,介电常数越高。天线罩最外层氮化硅材料的厚度与介电常数分别为d1和ε1,最内层氮化硅材料的厚度与介电常数分别为dn和εn,各层介电常数由外壁到内壁单调下降。ox轴表示以天线罩外壁为坐标原点的壁厚。

图3 一种典型的介电梯度氮化硅结构示意图

对于介电梯度氮化硅材料,在总厚度不变的条件下,层数越多,各层厚度越薄,则介电常数变化曲线越趋于平滑。假设某理想介电梯度氮化硅材料总厚度为L,且每层介质厚度无限薄,则此材料的介电常数随厚度呈现连续变化趋势。设其外壁处坐标x=0,则任意壁厚x处的介电常数[15]可表示为

式中:εmin为内壁最低介电常数;εmax为外壁最高介电常数;k>0为结构系数。

在设计时,一般可设置结构系数k<1,从而提高宽带透波特性。取介电梯度渐变结构厚度L=9 mm,最低介电常数εmin=2.5,最高介电常数εmax=4.5,结构系数k=0.5,得到的介电梯度氮化硅结构的介电常数变化曲线如图4所示。

图4 介电梯度氮化硅结构介电常数变化曲线

在实际制备过程中,由于工艺限制,各层氮化硅厚度无法做成任意薄,因此介电常数变化呈离散形式。假定该多层介质平板结构由6层壁厚为1.5 mm的氮化硅材料复合而成。对图4中的介电常数变化曲线进行离散化处理,再根据式(1)～式(6)可计算得到该结构在(0.1～60.0)GHz频率范围内的宽带透波率,如图5所示。

图5 介电梯度氮化硅结构的宽带透波特性

由图5可知,在(0.1～60.0)GHz范围内、垂直极化入射条件下,波束入射角为0°时,该结构可实现的透波率高于70%;波束入射角为45°时,该结构可实现的透波率依然高于50%。水平极化入射条件下,该结构的宽带透波特性更佳。

在对此类介电梯度氮化硅结构进行宽带电磁透波特性优化时,相关文献[12]给出了一些经验:结构系数不应过大或过小,否则会对宽带透波特性和结构热力特性造成负面影响。相关优化结果显示:一般设置结构系数k=0.5或附近值较为合适;最外层及最内层厚度占总厚度的比例越低,越有利于提高结构的宽带透波与热应力性能;层数越多,结构的宽带电磁透波特性越好。在总厚度保持不变的条件下,增加层数可以提高介电梯度结构的阻抗匹配度,从而优化宽带透波性能。但总体优化幅度有限,且会导致加工工艺难度的剧增。

3 介电梯度氮化硅结构天线罩研究现状

3.1 相关研究进展报道

美国波音公司于1981年申请了一项耐高温宽频天线罩的专利[7,18]。该天线罩罩壁采用双层氮化硅结构,该结构可被视作一种最简化的介电梯度氮化硅材料结构,如图6所示。其内外层厚度比例为15∶1,外层为介电常数5.0的高密度氮化硅材料(厚约0.76 mm);内层为介电常数1.8的低密度氮化硅-钡铝硅酸盐复合陶瓷材料(厚约11.4 mm)。尽管内外层材料都可耐受1 500℃高温,但介电常数仅为1.8的低密度氮化硅-钡铝硅酸盐复合陶瓷由于孔隙率较高,作为天线罩主要承力结构,在高温下的强度特性存疑。另外该天线罩采用了聚酰亚胺树脂作为内外层粘接剂,由于普通聚酰亚胺树脂耐温极限不超过600℃,这也限制了该天线罩在高温条件下的应用。

图6 一种耐高温宽频天线罩的双层氮化硅结构示意图

20世纪80年代起,梯度功能材料[19]作为一门新兴学科开始进入高速发展期。研发梯度功能材料的初衷是为了降低航天器材料所承受的巨大热应力。由于其材料物化特性呈现梯度变化,故特别适用于材料两侧温差巨大的极端应用场景。但相关研究主要关注梯度功能材料的热力特性优化,未见对陶瓷基梯度功能材料电磁透波特性研究的相关报道。

2010年,武汉理工大学的CHEN等[11]首次提出将孔隙梯度氮化硅陶瓷材料结构应用于宽带透波天线罩领域。在对孔隙梯度氮化硅陶瓷结构参数进行理论优化的基础上,课题组设计制备了一种具备宽带透波特性的5层介电梯度氮化硅材料。该材料总厚度为6 mm,其中每层厚度均为1.2 mm,由外至内各层的介电常数分别为7.0,3.8,3.0,2.5和2.2。其微观结构如图7所示,可见孔隙率由外到内呈现逐渐增大趋势。理论计算与测试都显示,在波束入射角为0°时,此介电梯度氮化硅结构在(1～18)GHz的宽带范围内具有高于70%的透波率。

图7 5层介电梯度氮化硅材料微观结构图[11]

2012年,北京大学的ZHOU等[12]详细分析了介电梯度氮化硅陶瓷结构的电磁透波特性与结构热力特性的非线性耦合关系,并给出了相应的电-热-力综合优化的方法。根据该优化方法得到的一种9层介电梯度氮化硅材料结构,最外层介电常数为5.6,最内层介电常数为2.0。仿真显示,该结构除了具备高温高强度的优良热力特性外,在波束入射角为0°时,在(1～100)GHz的宽频带范围内可以保持透波率高于70%,且在此频率区间的大部分频率上透波率都大于75%。同年,ZHOU等[13]还介绍了另一种具有对称结构的介电氮化硅梯度材料,该结构的宽带透波特性优于传统A夹层结构。

2015年武汉理工大学的李飞宇[14]采用冷喷涂与无压烧结工艺制备了一种4层介电梯度氮化硅材料结构,如图8所示。该4层结构总厚度为2.4 mm,其中最内层厚度为1.5 mm,其他3层厚度均为0.3 mm,由外至内各层的介电常数分别为6.0,5.0,4.1,3.1。理论计算显示,在波束入射角为0°时,该结构在(0.5～40.0)GHz的宽带范围内透波率大于70%。

图8 经冷喷涂与无压烧结工艺制备的介电梯度氮化硅材料界面结合处微观结构图[14]

2020年,哈尔滨工程大学的叶健[15]利用有机流延成型和气压烧结技术制备了一种11层介电梯度氮化硅材料结构。该结构总厚度约为10 mm,各层厚度均为0.9 mm,最外层介电常数为5.60,最内层介电常数为2.46,且由外到内呈递减趋势。测试显示,在波束入射角为0°时,该结构在(2～20)GHz频段上的透波率不低于72%。

3.2 有待解决的关键问题

介电梯度氮化硅结构作为一种潜在的耐高温宽带天线罩罩壁材料,在近十年受到广泛关注与研究。在介电常数调控与制备工艺上也取得了一定进展。但在天线罩实际应用层面,还存在一些关键问题有待解决。

(1)大角度入射的宽带透波问题

现有研究主要局限于波束垂直入射条件(入射角为0°),但实际的导弹天线罩波束入射角一般大于60°,甚至可能达到70°。需要对介电梯度氮化硅材料结构在大入射角下的宽带透波特性进行优化设计,以满足实际应用需求。

(2)曲面结构成型问题

对于介电梯度氮化硅材料而言,现有工艺技术只能实现简单的平板结构样件制备。而天线罩一般为类似圆锥的曲面外形,其制备难度很大。需要继续对介电梯度氮化硅材料曲面结构的制备工艺技术进行研究。

4 结论

介电梯度氮化硅材料具有独特的梯度变化介电特性与高温高强度特性,是一种理想的耐高温宽带透波天线罩罩壁材料。本文主要介绍了梯度介电氮化硅材料结构的宽带透波特性与相关设计经验,并对其国内外研究现状进行了简要介绍与分析。尽管距离实际应用仍有部分关键问题有待解决,但这种具备耐高温、高强度、超带宽特性的特殊透波功能材料,仍然具备极大的应用潜力。