航空电磁窗结构设计

吴平军，白增

【内容摘要】电磁窗是用来保护天线或整个微波系统（雷达、通信系统等）在恶劣环境下能够正常工作的一种结构/功能部件，它是由电介质材料构成的具有特殊形状的能使电磁波正常通过的“电磁明窗”。

关键词：电磁窗 涂层 雷电防护 静电防护

1. 作用和结构组成

电磁窗是用来保护天线或整个微波系统（雷达、通信系统等）在恶劣环境下能够正常工作的一种结构/功能部件，它是由电介质材料构成的具有特殊形状的能使电磁波正常通过的“电磁明窗”。

电磁窗是雷达天线罩的统称，既是飞行器结构的组成部分，也是雷达系统的重要组成部分。电磁窗无论与何种雷达天线匹配，无论安装在飞机或导弹的任何部位，都作为雷达天线的电磁透波窗口，保证雷达天线及通信系统等在各种复杂环境下的正常工作。电磁窗作为保护航空飞行器雷达“眼睛”的防护镜，其性能优劣直接影响雷达系统的性能。

1. 1. 介质壳体

介质壳体是电磁窗的主体结构，是电磁波的透波窗口，通常是由损耗角正切和介电常数低的材料制成的双曲面壳体。介质壳体的壁截面结构形式及壁厚分布规律的设计要与天线的工作体制、中心频率、频带宽带、极化特性、口径场分布等特性相匹配，才能达到对天线性能影响最小的效果。

1. 2. 根部连接结构

根部连接结构是电磁窗的连接部件，用于介质壳体与飞机机体的安装定位、连接、载荷传递及雷电流泄放，同时方便打开电磁窗对天线进行维护。一般由连接环（框或条带）、密封圈（带或条）、导向定位连接组件（或快卸锁）及折翻（铰链旋转）机构组成。

1. 3. 传感器安装结构

对于电磁窗上需要安装传感器的，应设计安装结构。

1. 4. 雷达防护结构

所有飞机的端部，例如机头、机翼和尾翼的端部、尾椎、机翼上安装的吊舱以及其它明显突出物，由于它们是可能的初始雷达附着点的区域，当飞机在带电云团周围飞行时容易引发云团对地放电，因而极易遭受雷击，发生击穿、电磁力破坏等。电磁窗外表面应设计一组按照一定规律排布的防雷击分流条和电流泄放组件。

1. 5. 防雨蚀涂层

电磁窗介质壳体遭受雨冲击易发生分层、脱落、吸水，会导致介电性能和强度下降。电磁窗外表面应涂敷防雨蚀涂层。

1. 6. 抗静电涂层

电磁窗的介质壳体为绝缘体，飞行过程中在表面会产生并积累电荷，形成电晕放电。电磁窗外表面涂敷防雨蚀涂层后，应涂敷抗静电涂层。

2. 结构设计要求

电磁窗结构设计应满足以下要求：

1. 安装位置及使用环境；

2. 所处的雷电环境区域；

3. 强度刚度要求；

4. 重要度等级；

5. 系统对电磁窗的电性能指标要求；

6. 电磁窗形状、结构形式、涂层体系；

7. 现有的材料和工艺水平；

8. 试验项目，包括电性能、强度、防鸟撞、功率耐受和环境试验等；

9. 设计、制造、试验周期及成本。

1. 1. 气动外形

电磁窗外形设计应根据不同的飞行器、不同的安装位置及不同的功能要求来综合考虑，通常要满足天线波入射角要求，另外，电磁窗大小应使天线运动不受影响。一般认为：固定的天线与电磁窗的间隙一般不小于10mm，运动的天线与电磁窗的间隙一般不小于20mm。

1. 2. 电性能

主要应考虑的电性能参数有：

1. 传输（透波）系数：电磁窗的单向传输功率用平均值；

2. 反射功率：从电磁窗反射进入到天线里的功率；

3. 波速宽度变化：是指电磁窗引起天线方向图半功率（3dB）点波束宽度的变化；

4. 方向图起伏（方向图失真、畸变）：一般是指半功率点以上的方向图起伏；

5. 副瓣变化：副瓣电平增加；

6. 波束偏转：电磁窗引起天线波束偏转，对不同天线体制，有不同波束偏转定义，如圆锥扫描体制定义为天线瞄准误差；而单脉冲体制则定义为方向图零点偏移；

7. 波束偏转变化率：在天线瞄准范围内，电磁窗影响引起每角度波束偏转的变化量。

1. 1. 力学性能

1. 不应在设计载荷下发生结构破坏，在鸟撞载荷作用下，不应对天线及内部主承力结构造成影响飞行安全的损伤，还应考虑装拆过程/飞机水上迫降/增压等其它因素对电磁窗强度及其连接结构强度的要求；

2. 电磁窗弹性变形应在规定的范围内；

3. 电磁窗材料热力学性能必须满足耐热耐寒性要求。

1. 1. 环境适应性

1. 静电防护：必须采取控制静电荷积累、使之平稳泄放的措施，一般采用抗静电涂层，其阻值为0.5MΩ～10MΩ，涂层透波率不得影响天线的性能；

2. 雷电防护：按照GJB639的要求，为了保证电磁窗与机体之间实现电联通，释放雷电电流，需要进行雷电防护设计；

3. 腐蚀防护：为满足电磁窗表面防护要求，满足电磁窗抗老化、防腐蚀、防水蒸气及防雨蚀等要求，需要涂敷由底漆加耐雨蚀加防静电漆三者组成的表面涂层体系。

3. 结构设计过程

   1. 主要材料选择

国内型号电磁窗的材料体系主要由增强材料、树脂基体材料、夹芯材料、胶粘剂和表面涂层体系组成。

1. 1. 1. 增强材料

目前国内透波复合材料使用的增强纤维主要是各类玻璃（石英）纤维。

1. 1. 2. 树脂基体材料

目前常用的树脂基体复合材料主要有不饱和聚酯复合材料、环氧树脂复合材料、烯丙基脂树脂复合材料、双马来酰亚胺树脂复合材料、氰酸酯树脂复合材料、炔基硅树脂复合材料。国内型号电磁窗上大部分采用的是氰酸酯树脂复合材料。

1. 1. 3. 夹芯材料

夹层结构电磁窗一般是由内外复合材料面板、芯材、芯材与面板的胶结层所构成，共同组成一个整体的夹层结构，见图1。

图1 夹层结构复合材料示意图

1. 1. 4. 胶粘剂

胶粘剂主要包括胶膜和泡沫胶，胶膜主要用于预浸料面板与芯材的粘接固化，应满足使用温度要求，同时粘接固化后应具有足够的强度。泡沫胶用于蜂窝边缘填充，应具有合适的膨胀比，并满足使用温度要求，发泡固化后应具有足够的强度。

1. 1. 5. 表面涂层体系

为保护飞机电磁窗的力学性能和电性能，使雷达正常功能得到保障，电磁窗表面必须涂敷由底漆加耐雨蚀加防静电漆三者组成的表面涂层体系。

1. 2. 罩壁结构剖面构型

按照GJB680的要求，罩壁结构剖面一般有以下几类：

1. 半波壁式：电磁窗的罩壁厚度尺寸为介质内波长的一半；

2. 薄壁式：电磁窗的罩壁厚度尺寸小于介质内波长的十分之一；

3. 三层夹层式：电磁窗由二层面板和一层芯层材料组成，面板的介电常数比芯层的介电常数高；

4. 复合多层夹层式：三层的组合，即面板层数加上芯层层数为大于3的奇数；

5. 三层中间加填充物式：由二层面板和非导电泡沫芯组成，泡沫芯用电介质材料填充，用以匹配面板材料的介电常数；

在实际设计过程中，由于某些特殊要求，可选择一种基本样式予以改进，如半薄壁变厚度，罩壁增加加强肋及增加骨架等。

1. 3. 参数测量

罩壁结构剖面构型确定后，将所选用材料按所确定的结构形式制成电性能试块及力学性能试块。测出介电常数、损耗角正切等电性能参数及力学性能参数。

首先确定罩壁厚度，需要知道所需天线的参数，天线波束相对电磁窗的极化方式，先以透波系数的要求为依据，计算罩壁厚度初值，再利用罩壁厚度初值进行其它的电性能参数计算，校验是否满足要求。通过理论计算确定罩壁厚度后，设计并制造等效平板，经等效平板测试试验验证满足电性能要求后，才能确定罩壁的最终制造厚度。

1. 4. 连接设计

根据电磁窗的维护要求和载荷作用情况，确定其与机体结构的连接形式。要首先满足其强度设计要求，同时要兼顾电磁窗的装配工艺性、维护性、可靠性、保障性等。

4. 结构设计试验

根据电磁窗的功能要求，可开展电性能试验、雷电防护试验、强度试验、环境试验和淋雨试验等。

1. 1. 电性能试验

按照GJB1680的要求，电磁窗必须对所要求的电性能参数进行测试验证。

1. 2. 雷电防护试验

按照HB6129的要求，电磁窗采用的雷电防护措施应进行雷电防护试验来验证。

1. 3. 强度试验

按照HB7491的要求，针对电磁窗采用的复合材料的特点进行复合材料结构强度试验来验证。

1. 4. 环境试验

根据电磁窗的功能要求，可开展环境适应性试验，按GJB150A及其它专用技术要求实施。主要试验项目按以下试验进行，也可以通过类比分析的方法。

1. 高温；

2. 低温；

3. 液体；

4. 温度冲击；

5. 太阳辐射；

6. 湿热；

7. 霉菌；

8. 烟雾；

9. 砂尘；

10. 雨蚀；

11. 雨冲击；

12. 雹冲击。

1. 5. 淋雨试验

淋雨试验可依据型号专用技术条件或GJB8606随部件或全机淋雨试验进行，其目的是保证电磁窗的连接及安装接口部位是水密的。

参考文献：

1. 航空工业济南特种结构研究所.航空电磁窗技术.北京：航空工业出版社，2013.12

2. 庄南征，闭业波，张啸天，雷达天线罩电性能设计和结构设计分析[J].玻璃钢/复合材料，2010

3. 杨洁颖，吕毅，张春波.飞行器用透波材料及天线罩技术研究进展[J].宇航材料工艺，2015