第9章 复合材料的高频介电性能能与雷达罩

电磁波的反射和能量损耗对雷达工作性能的 影响最大。
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9.2.1 雷达罩反射电磁波对雷达工作的影响
1） 减少了雷达的最大测距
电磁波能量越高，传播距离越大，对雷达而言就是其最 大测距增大。雷达罩反射了部分电磁波的能量，因而雷 达的最大测距比无罩时减小。
Dmax-雷达的最大测距，米; Pf-雷达发射出电磁波的最大功率值，瓦
各种基体所含极性基团的极性强弱不同、含量不同、结构不 同，其在外电场作用下产生极化现象的极化程度（ε ）以及极 化引起的外电场能量损耗（tanδ ）差别较大，因而玻璃钢表 现出来的高频介电性能差别较大。 极性基团含量越大、极性越大，基体的高频介电性能参数值 就越大。
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2） 基体材料极性基团的运动能力对玻璃钢 高频介电性能的影响
第9章 复合材料的高频介电性能 与雷达罩
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9.1 复合材料的高频介电性能
复合材料的一项重要用途，是用来制造雷达整流罩 及各种微波天线保护罩。这些罩子质量优劣，很大 程度上取决于复合材料的高频介电性能。
复 合 材 料
低频绝缘
高频透波
低频导电
高频绝 缘
金 属 材 料
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介电性能
介电性能
材料在电场中表现出来的导电行为及其内部 发生的一些物理现象，如介质的极化、电流 的穿透等问题，总称为材料的介电性能。
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1 玻璃钢的组成、结构对其高频介电性 能的影响 (内因）
在高频电场条件下，为减少介质的功率损耗，应 选择ε、tanδ较小的介质材料。
1） 基体材料极性基团的含量及极性大小对玻璃 钢高频介电性能的影响 2）基体材料极性基团的运动能力对玻璃钢高 频介电性能的影响
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1） 基体材料极性基团的含量及极性大小对玻璃 钢高频介电性能的影响
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外界条件对玻璃钢高频性能的影响(外因）
1） 温度对玻璃钢高频介电性能的影响 2） 湿度对玻璃钢高频介电性能的影响
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1） 温度对玻璃钢高频介电性能的影响
温度改变了基体中极性基团的运动能力、基团的密度以 及基体的结构，因此温度的影响主要表现在对基体介电性 能的影响。
外电场频率较高时，在基体使用温度范围内，随温度升 高,基体的高频介电性能参数值提高。
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3） 制造工艺质量
对复合材料雷达罩，基体材料是影响雷达罩高频介电 性的主要因素，基体材料的固化反应程度，以及基体材料 的含量及其均匀性，是影响雷达罩反射的重要因素。所以 工艺条件的控制、含胶量以及结构均匀性，是影响雷达反 射的重要因素。
雷达罩电气类别的选择，罩壁上是否含有夹杂物，特 别是罩壁上是否有覆冰等，也会影响到雷达罩的反射性能。
a. 基体胶粘剂的固化程度
一般当基体材料所含极性基团极性越强、基团越 小（位阻越小）、分子链的柔顺性越好，在外电场作 用下，极性基团沿外电场方向的定向程度越高、则极 化程度越高，其介电系数ε 和介质损耗tanδ 值越大。
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b. 胶粘剂分子链的柔顺性和低分子线性组分
基体中低分子线型组分的增加，如增塑剂、增韧剂的 加入，使基体分子链的柔顺性增加，且在外电场作用下极 性基团的运动能力提高有利于极化运动，表现出高频介电 性能值提高(对高频介电性要求是不利的)。 但若线型组分在基体中含量过高，降低了单位体积基 体中极性基团的密度，也会使基体材料的高频介电性参数 值降低（有利于高频介电性能的要求）。
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9.2.3 吸收电磁波对雷达性能的影响
1）减少探测距离
雷达罩对电磁波的吸收将损耗电磁波的能 量，致使雷达的有效作用距离减小。
2）影响雷达工作
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9.2.4 影响雷达罩吸收电磁波的因素
1）雷达罩材料 罩壁材料的介质损耗越小，对电磁波吸收越少。罩壁 材料中的基体材料品种、用量、固化程度及均匀性是 影响雷达罩对电磁波吸收的主要因素。
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2)
3)
玻璃钢的高频介电性能 主要取决于基体材料
高频电场下，玻璃纤维属于离子式极化，其介电系 数ε变化不大，介质损耗tgδ较小。基体树脂属于 偶极驰张式极化，其介电系数和介质损耗较大，且 随基体品种不同、基体含量的变化以及基体固化程 度不同，ε和tgδ变化的范围较大。
特 点
玻璃钢的高频介电 性能参数一般较大
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2） 湿度对玻璃钢高频介电性能的影响
湿度对玻璃钢高频介电性能的影响较为明显。 因为玻璃钢吸水后，水与玻璃纤维作用产生大量 羟基，使玻璃钢的高频介电性参数值增大。因而 在高频电场条件下使用的玻璃钢应有防护措施， 如表面涂漆等。
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垂直入射雷达罩示意图
流线型雷达罩示意图
电磁波极 化示意图
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9.4 玻璃钢的高频介电性能
1)
在高频电场条件下，介质材料的介电性能指 标，是介电系数ε和介质损耗角正切值 tgδ(介电损耗）。 介质材料的介电系数和介质损耗的大小，取 决于介质材料在高频电场作用下的极化现象。 含有偶极分子或极性基团的介质材料，在外 电作用下，容易产生较强的极化现象，而且通 常表现出较大的介电系数和介质损耗。
按其结构
双层
采用介电系数较小的材料（如泡沫塑 料）制成，其介质损耗低，高频介电 性能好，但强度低，耐热性差。适于 低速飞行器使用。
一般是夹层结构罩，面层采用强度 高、介电系数大的材料，中间夹以 轻质、介电系数小的夹芯制成。重 量轻、强度、刚度较高，介电性能 15 好，但制造工艺复杂。
多层罩
泡沫塑料 玻璃钢－泡沫塑料
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瓣状天线方向性图
9.2.2 影响雷达罩反射电磁波的因素
1）雷达罩材料 罩壁材料的选择，是影响反射的首要因
素。 罩壁材料的介质损耗越小，对电磁 波吸收越少。罩壁材料中的基体材料品 种、用量、固化程度及均匀性是影响雷 达罩对电磁波吸收的主要因素。 2）壁厚 对各种结构的雷达罩都存在某一理想的 厚度，称“最佳厚度”，使罩壁前后表 面反射的电磁波叠加后，减至最小，以 降低反射对雷达性能的影响。
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机载雷达的功能
是通过其天线辐射出一定频率的电磁波， 利用电磁波传播过程的特性， 达到探索目标、 测距、定位以及控制武器攻击目标等目的。
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9.2 电磁波通过雷达罩时的物理现象及其对 雷达工作的影响
雷达天线辐射出来的电磁波束射向雷达罩时， 会产生反射、折射和透过现象；用作雷达罩的材 料在电磁波作用下产生“极化”现象和损耗（吸 收）电磁波能量的现象。
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外电场频率较低时，介电系数（极性基团的取向度） 随温度升高而增大。介电损耗随温度升高开始由于极性基 团运动能力提高其值下降，随着温度继续升高，已固化的 基体结构中链的“段落”运动能力增加，极化基团的极化 度增加，迅速消耗外电场能量因而介电损耗增大。
若外界温度升高超过了基体的使用温度范围，无论外 电场频率高或低，基体的高频介电性参数都会急剧升高。 这是因为基体开始裂解、分子量急剧下降，分子间约束力 （对极性基团运动的位阻）随之急剧下降；同时漏电电流 急剧上升，因而极化效果迅速增加表现出高频介电性参数 急剧上升。
这是对比非极性聚合物而言，与玻璃钢在高频 介电场条件下的极化类型有关。
玻璃钢的高频介电性 能与其制造工艺有关
玻璃钢制造过程中基体含量控制、基体含量分 布的均匀性、基体的固化程度等工艺因素，都 20 会影响玻璃钢的高频介电性能。
影响复合材料高频介电性能的因素
玻璃钢的组成、结构对其高频介电性能的影 响 (内因） 外界条件对玻璃钢高频性能的影响(外因）
பைடு நூலகம்
2）壁厚
罩壁越薄，电磁波透过罩壁的行程越短，被吸收的能量越少， 因而功率透过系数将越大。 但罩壁厚度不能无限制的减薄，首先要考虑其强度、刚度是 否满足要求，还要考虑满足反射的要求，保持最佳厚度。 12
9.3 雷达罩分类与结构
雷达罩的类别可根据其结构、形状、所用材料 以及电气类别来分类。
锥形
按其外形
材料在低频电场条件下的电行为属于材料的低频介电性 能，在高频电场下的电行为属材料的高频介电性能。 对用于雷达罩及各种微波天线保护罩的复合材料（除 CFRP），因它工作在雷达天线辐射出来的高频电（磁） 场条件下，作用是用来保护雷达天线的，所以主要研究 它的高频介电性能。
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"介电常数" 在学术文献中的解释 1．介电常数是指物质保持电荷的能力，损 耗因数是指由于物质的分散程度使能量损失的 大小.理想的物质的两项参数值较小 2.其介质常数具有复数形式，实数部分称为介 电常数，虚数部分称为损耗因子.通常用损耗正 切值(损耗因子与介电常数之比)来表示材料与 微波的耦合能力，损耗正切值越大，材料与微 波的耦合能力就越强 3．介电常数是指在同一电容器中用某一物 质为电介质与该物质在真空中的电容的比值.在 高频线路中信号传播速度的公式如下：V=K
按所用的材料
玻璃钢－蜂窝夹芯材料
陶瓷 玻璃钢－陶瓷材料
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垂直入射雷达罩
平行的电磁波束射向雷达罩，无论天线 在何处罩壁上的工作区域内每点的电磁 波入射角θ都小于30°。
按其高频介 电性能特点
流线型雷达罩
当电磁波束射向雷达罩，罩壁上工作区 域内某些部位的入射角大于30°，或随 天线位置的变化，罩壁上工作区域内入 射角在较大范围内变动。
Pj-雷达接受机可鉴别的目标物最小功率反射值，瓦
A-雷达接收机天线的有效面积，米2, σ-目标物的有效反射面积，米2 Λ-所发射电磁波的波长，米
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2）使雷达“无线方向性图”产生畸变
雷达天线向其周围发射的电磁波能量分布的不同规律性， 可用截面图形表示出来，称为天线的方向性图。 对入射电磁波的反射会造成电磁波能量的分布或最大能量 发射方向发生变化，即天线方向性图畸变。 平方余割 天线方向 性图
柱形 椭圆— 半球形
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雷达罩的基本要求
1. 有较大的透波率，较低的功率反射。 2. 对雷达的天线方向性的影响较小，即对雷