1、雷達天線罩作用及性能要求
隨著雷達大量應用于陸、海、空三軍及民航、氣象等領域，雷達天線罩的應用也日益廣泛。天線罩是雷達的重要組成部分，被稱為雷達系統的“電磁窗口”。它在雷達天線的周圍形成一個封閉的空間，以保護雷達天線系統免受風、沙、雨、雪、雹的侵襲，緩解氣溫驟變、太陽輻射、潮濕、鹽霧等環境條件對天線系統的影響。隨著雷達工作體制的改進，以及參數捷變、米波、毫米波、擴譜和調頻等新型雷達技術的廣泛應用，寬頻響應已成為雷達天線系統重要特征，從而對雷達天線罩的透波特性提出了越來越高的要求。
對飛機機載、導彈彈載雷達等飛行器雷達系統而言，雷達天線罩除了用來保護雷達天線或整個微波系統在惡劣環境下能夠正常工作之外，還是一個氣動/結構/透波功能一體化部件。典型的飛行器雷達天線罩位于機頭前部。如果把雷達比作飛機的眼睛，雷達天線罩是飛機“眼睛”的防護鏡。相比地面、艦載、車載等靜止或低速移動雷達系統而言，飛行器雷達天線罩還需滿足高速飛行中氣動力、氣動熱帶來的力學、熱學性能要求，因此飛行器雷達天線罩的技術要求更高。
2、國內外雷達天線罩技術發展歷史
雷達天線罩技術不是一門獨立的專業技術，是一門跨專業跨學科的綜合技術。它的設計和制造涉及空氣動力學、機械結構、強度計算、熱力學、天線與電磁場理論、材料學、工藝學、檢測技術、測量技術、表面保護等專業。由于其對武器裝備發展的重要作用，世界各工業發達國家，特別是各軍事大國都給予了不動聲色的關注。
我國對于電磁窗技術的研究起步較晚，從20世紀80年代才逐漸開始重視電磁窗技術。隨著我國航空工業技術的發展，特別是近30年來，我國的機載雷達天線罩研制水平得到了快速發展。目前，我國已基本具備了研制各種類型先進雷達天線罩制件的條件，并成功研制了幾乎包括世界上現有的各種結構形式雷達天線罩，如實芯半波壁結構、準半波壁結構、蜂窩夾層結構、泡沫夾層結構、FSS（帶通式）結構、電抗加載結構等。其中最能代表技術進步水平的是90年代初期，中航工業集團濟南特種結構研究所（637所）研制的變壁厚、準半波壁、人工介質夾層結構飛機雷達罩，使我國成為繼美國、德國之后第三個把人工介質成功應用于飛機雷達罩的國家。
3、雷達天線罩材料
雷達天線罩選材的依據是高強度、高模量、耐候性好、介電性能好等，其中最主要的是介電性能，具體包括介電常數（ε）和損耗角正切（tanδ）。其中tanδ越大，電磁波能量在穿透天線罩過程中轉化為熱量而損耗的能量就越多；ε越大，電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，從而導致鏡像波瓣電平增加和傳輸效率降低。因此，要求雷達天線罩罩體材料的tanδ低至接近于零，ε盡可能低，以達到“最大傳輸”和“最小反射”的目的。
玻璃纖維增強樹脂基復合材料是一類集結構、防熱、透波于一體的功能復合材料，具有優良的電性能，介電常數ε和介電損耗tanδ都很小，同時具有足夠的力學強度和適當的彈性模量，是實際應用最廣的天線罩材料。
3.1 雷達天線罩增強纖維
增強纖維為纖維增強樹脂基復合材料的主要承力者，在復合材料中有較高體積含量。其介電常數一般高于樹脂基體，因此是決定復合材料力學性能和介電性能的主要因素。
目前，雷達天線罩纖維增強樹脂基復合材料的增強材料主要有玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維和聚乙烯纖維等。
玻璃纖維具有高強度、優良的介電性能、耐腐蝕、吸濕性小以及尺寸穩定等優點，是天線罩最常用的增強材料，包括E玻璃纖維，S玻璃纖維、D玻璃纖維、高硅氧玻璃纖維等。E玻璃纖維是一種無堿玻璃，是最早用于天線罩的增強材料，價格最低，但其電性能較差；S玻璃纖維是一種高強度玻璃纖維，力學性能是玻璃纖維中最好的，介電性能中等；D玻璃纖維又稱低介電玻璃纖維，是國外專門為天線罩研制的一種玻璃纖維，ε和tanδ僅次于石英纖維和高硅氧玻璃纖維，但拉伸強度和模量較其他纖維低。高硅氧玻璃纖維以E玻璃纖維為基體，其SiO2含量可達91%~99%，性能介于E玻璃纖維和石英纖維之間。
石英纖維是指SiO2含量達到99.9%以上，絲徑在1-15μm的特種玻璃纖維。石英纖維的介電性能是所有玻璃纖維中最好的，并且能夠在較寬的頻帶范圍內保持基本不變，因此可以實現天線罩的寬頻透波性。但其價格昂貴，是E玻璃纖維的30~40倍。
芳綸纖維（Kevlar）是一種比較常見的有機纖維，具有高強度和高模量，密度在高性能纖維中最小，阻尼性能好，耐磨性能優異，化學穩定性和熱穩定性好，具有較高的斷裂伸張率，優異的抗沖擊性能、尺寸穩定性能和介電性能，但芳綸易吸濕，影響介電性能，表面光滑，具有很強的化學惰性，與樹脂基體的結合界面性能較差。
高模量聚乙烯纖維（Spectra1000）具有很高的比強度和比模量，優異的抗沖擊和阻尼性能，并且在各種頻率下均表現出優異的介電性能（ε≤3.0，tanδ=10-4），耐熱性能差（熔點在144~152℃），強度和模量隨著溫度的升高而下降，抗蠕變性能較差，表面光滑且有惰性，極大的限制了UHMWPE纖維在透波復合材料中的應用。
3.2 玻璃纖維基本概念
玻璃纖維是由玻璃礦石等加工而成，具有表面積大，比強度高，耐熱和物理化學穩定的特點，是一種優良的功能材料和生態環境材料。玻璃纖維的主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。
3.2.1、玻璃纖維制造工藝
玻璃纖維生產工藝主要有兩種：坩堝拉絲法和池窯拉絲法。坩堝拉絲法先把玻璃原料高溫熔制成玻璃球，然后再將玻璃球二次熔化，高速拉絲制成玻璃纖維原絲。
池窯拉絲法則是國際上比較先進的工藝，該工藝具有簡單、節能、生產效率高的特點。池窯拉絲工藝是原料經過破碎粉碎、篩分成合格粉料、混合制成配合料，再將配合料投入單元熔窯中熔化成玻璃液，玻璃液由多排多孔鉑金樓板流出，形成纖維。
兩種工藝相互對比，坩堝拉絲工藝浪費能源，單機產量低，產品質量差，生產成本高。而池窯拉絲法工藝簡單，能耗相對較低，產品質量較好，生產效率高且生產能力大。全世界90%以上產能已經采用池窯拉絲法，未來比例將會更大。
玻璃纖維增強樹脂基復合材料是一種廣泛應用的雷達天線罩材料，其應用頻段主要在10GHz范圍內，對于高頻波段（10~20GHz），需要采用具有更好介電性能的石英纖維作為增強材料。以石英纖維布作為增強材料，以環氧樹脂為基體制造的復合材料在雷達天線罩中應用最為廣泛。
3.2.2、石英纖維
石英纖維是指SiO2含量達到99.9%以上，絲徑在1-15μm的特種玻璃纖維。它具有很高的耐熱性，能長期在1050℃下使用，瞬間耐高溫達1700℃，耐溫性能僅次于碳纖維，同時具有卓越的電絕緣性和介電性能。石英纖維在實際中得到大量應用，如美國F-15戰斗機第一代、第二代鼻錐天線罩都采用了石英纖維增強氰酸酯樹脂復合材料作為夾層架構的蒙皮。國外第四代戰斗機如美國F-22雷達罩都選用了寬頻性能極佳的石英纖維。
石英纖維的生產非常依賴原材料的供應，通常是直接用高純度的石英棒送至高溫區熔化拉絲。一般在2000~2100℃下拉制。目前全球高純度的石英砂供應商中Unimin處于行業壟斷地位，國內材料產能也受其制約。
3.3 雷達天線罩樹脂基體
不飽和聚酯樹脂（UP）的電性能和工藝性能良好，而且價格便宜，是最早用于天線罩的樹脂基體之一，但因其力學性能較差，多使用于要求較低的地面雷達天線罩；酚醛樹脂（PF）是較早使用的天線罩材料，但其成型困難，不過改性后可用于一些對材料耐熱性要求高的場合；環氧樹脂（EP）具有優良的力學性能、耐化學腐蝕性能和電性能，且固化收縮率低，是使用最廣泛的天線罩樹脂基體。
以上三種樹脂是傳統的天線罩樹脂基體材料，目前仍廣泛用于制備各種天線罩。近年來隨著先進雷達天線罩對全頻帶、低介電損耗、耐高溫、耐候性等性能要求的不斷提升，一些新型樹脂體系如有機硅樹脂、聚酰亞胺樹脂（PI）、氰酸酯樹脂（CE）、聚四氟乙烯樹脂（PTFE）等新型耐高溫樹脂也開始應用于天線罩制造中。
有機硅樹脂突出的優點是耐熱性和優良的介電性能，在各種環境條件下介電性能都比較穩定；其缺點是機械強度較低，且需高壓成型。聚酰亞胺是近年來研究和報道較多的一種耐高溫樹脂，可以在300℃長期使用，短期使用溫度達到540℃，具有優異的介電性能，ε在3~4之間，tanδ<10-3，而且在較寬的溫度和頻率范圍內仍能保持較好水平，它的缺點是固化困難，常需要高溫高壓和復雜的升溫程序，反應生成的水或溶劑的存在將導致孔隙率較高，使樹脂潮解，電性能降低。
氰酸酯樹脂具有良好的力學性能、耐熱及耐濕熱性能，在很寬的溫度范圍（-160~220℃）和頻率范圍（104~1011Hz）內具有穩定且極低的ε（2.8~3.2）和tanδ（0.002~0.006），并且CE的介電性能具有明顯的寬帶特性，這種樹脂基體及其復合材料是未來透波復合材料的發展方向。
隨著雷達天線罩工作頻率（X波段或以上）的升高，特別是隱身天線罩的需求，傳統的蒙皮透波材料（高強度玻璃纖維布增強環氧樹脂體系）已不能滿足高透過、低反射、耐高功率的要求，石英纖維布/氰酸酯體系應運而生，滿足了高性能天線罩的需求。
國外復合材料產品如BASF公司的石英纖維/氰酸酯復合材料天線罩，其綜合性能比傳統環氧樹脂天線罩介電損耗降低了75%，介電常數降低了10%，另外具有更低的吸水率，因此濕態介電性能更加優異。根據《樹脂基復合材料在雷達天線罩領域應用及發展》，國內產品如航天材料及工藝研究所（703所）的QWB/701系列石英布/氰酸酯預浸料及復合材料耐180℃的高溫，介電性能優異，已經在某些型號上得到了應用。
表中列出了航天材料及工藝研究所生產的石英布或高強玻璃纖維布作為增強材料，氰酸酯或環氧樹脂作為樹脂基體，組合制備的四種復合材料的介電性能對比。
通過對比可以看出，增強材料和樹脂的選擇均對介電常數和損耗角正切有較大影響。氰酸酯樹脂基復合材料的損耗角正切均顯著小于環氧樹脂基復合材料；石英纖維布增強復合材料介電常數均顯著小于玻璃纖維布增強復合材料。石英纖維布/氰酸酯復合材料的介電性能與傳統玻璃纖維布/環氧復合材料相比，介電常數降低了24%，損耗角正切降低了78%。
3.4 雷達天線罩壁結構
雷達天線罩主要的壁結構有單層、A夾層、B夾層、C夾層和多夾層結構。天線罩之所以多采用夾層架構是因為夾層結構不僅有更好的強度保持性，而且有著比薄壁結構更為優異的透波性能。夾層結構可以利用兩表層之間電磁波的反射相互抵消作用來保證其良好的透波性。當電磁波由空氣進入夾層時，在各介質層產生反射，當芯層厚度最佳時，內、外蒙皮的反射波幅度相等、相位相反，相互抵消，從而降低了反射波對雷達性能的影響。
單層實心半波壁的特點是在高入射角和兩種極化情況下具有良好的電性能，主要缺點是頻帶窄、重量大，因而實心半波壁常用于戰斗機的機頭罩。A夾層的特點是重量輕，在低、中入射角情況下，電性能較好，但其重復性較差，常用于入射角不大的情況，如民用客機的機頭罩和艦載雷達罩。多夾層雷達罩比A夾層具有更寬的頻帶并且適應高入射角，但重復性較差和相位性能不佳是其主要缺點。
天線技術的不斷發展促進了新的雷達罩壁結構的出現，主要有準半波壁結構、電抗加載雷達罩和頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）。
為了利用實心壁結構的高入射角的優點，克服重量大的缺點，人們提出了準半波壁結構。準半波壁從結構上看是三層夾層結構，從電氣上看是單層壁。其中間層（俗稱“人工介質”）的介電性能從理論上來說和蒙皮層的介電性能相同。同時由于人工介質的密度較低，使得準半波壁比實心半波壁在重量上減輕30%以上，取得了明顯的減重效果。
電抗加載雷達罩實現了現代空戰寬頻的要求，即通過電抗加載（將專門設計的金屬物加到常規壁結構上去），使天線罩在寬頻范圍內具有穩定的電性能。
頻率選擇表面技術很好的滿足了四代戰斗機的隱身性能要求。常規雷達天線是主要的雷達波反射源，采用頻率選擇表面（FSS）雷達罩是實現雷達天線隱身的一個較好的辦法。FSS雷達天線罩允許我方飛行器雷達在自己的頻帶內正常穿透，而將其他頻率的雷達波散射到各個方向，從而在保證自身雷達正常工作的同時實現對敵雷達的隱身。
3.5 雷達天線罩夾層材料
對于夾層結構天線罩，夾芯材料（簡稱芯材）的選擇對天線罩的性能有重要影響。天線罩用芯材主要有蜂窩芯材和泡沫芯材。
蜂窩材料主要有鋁蜂窩、NOMEX蜂窩和普通紙蜂窩等，但天線罩用蜂窩芯材主要是NOMEX蜂窩。NOMEX蜂窩芯材是由芳綸紙浸漬酚醛樹脂制成，其介電常數低、強度高，具有彈性，抗撕裂性及耐磨蝕性都很好，在航天航空結構、船舶制造等領域中已得到廣泛應用。國內使用的NOMEX蜂窩主要是北京航空制造工程研究所的NRH系列和北京航空材料研究院的NH系列。
聚合物泡沫是一種最常用的芯材，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）等，其中天線罩用泡沫芯材主要是PMI泡沫。PMI泡沫是一種采用固體發泡工藝成型，泡沫孔隙基本一致且均勻的100%閉孔泡沫。與其他泡沫比，在相同密度下，PMI泡沫的剛度和強度最高。而且，其耐高溫蠕變性能使得該泡沫能夠適用于高溫固化樹脂和預浸料體系。另外，PMI泡沫經過適當的高溫處理以后，能承受190℃的固化工藝對泡沫尺寸穩定性的要求，在航空領域中得到了廣泛的應用。
4、雷達天線罩的制造工藝
雷達罩的成形工藝主要有手糊真空袋壓法、模壓法、熱壓罐法、纖維纏繞法和樹脂傳遞模塑法（RTM）等。
手糊、真空袋壓法是使用最早、最廣泛的天線罩成型工藝方法，其基本工藝過程是：在涂有脫模劑的模具上涂刷樹脂，再鋪一層纖維織物，并用手工擠壓出氣泡和多余樹脂，如此一層一層鋪疊直到所需要的厚度。然后用真空袋密封好，并抽真空加壓，固化后脫模、修正得到天線罩。
模壓法一般可用來制造中小型天線罩，其基本工藝過程是：將脫模處理過的玻璃纖維織物用樹脂浸漬，將浸漬的織物烘干后按要求裁剪并逐層鋪覆在涂有脫模劑的陽模上，鋪覆的層數要視天線罩的壁厚而定，然后套上陰模，加壓（也可加熱）固化。模壓料在模腔內逐漸固化后從模腔里取出，進行必要的修整得到天線罩成品。
熱壓罐法與手糊真空袋壓法和模壓法類似，只是在鋪覆成型后需將整個部件套上真空袋放到熱壓罐內，袋內抽真空，外部加熱加壓使樹脂固化，脫模修整后即得天線罩。
纖維纏繞法是用于陽模做芯軸，通過機械裝置將預先浸過樹脂的長玻璃纖維帶按照各種預定的線形，有規律地纏繞在陽模上。
樹脂傳遞模塑法是一種壁模模塑成型工藝方法，其工藝過程是在耐壓的密閉模腔內，填滿玻璃纖維增強材料，用壓力將液態樹脂注入模腔，使其滲透玻璃纖維，然后固化成型、脫模、修整得到天線罩產品。
5、高超聲速導彈用雷達天線罩
高超聲速導彈天線罩對材料性能的要求較一般導彈和飛機天線罩更為苛刻。高超聲速導彈在稠密大氣層內飛行時，空氣受到強烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，產生氣動加熱現象。隨著導彈馬赫數的增加，氣動加熱非常嚴重。高速飛行時氣動加熱引起的溫度升高，大體與速度的平方成正比。導彈的速度越高，天線罩材料所要求的耐熱性越高。如在海平面高度，導彈以8~12倍聲速飛行時，天線罩溫度將高達2400℃。氣動加熱在天線罩罩壁產生很高的升溫速率（540~820℃），在天線罩的內部存在很大的熱應力，材料應具有良好的抗熱沖擊性能。高超聲速導彈飛行時縱向和橫向過載產生的剪力、彎矩和軸向力非常大，要求天線罩材料具有較高的力學性能。氣動加熱及氣動剪切力的作用，還會使天線罩表面發生燒蝕，因此天線罩材料應具有微燒蝕或燒蝕可控性。
隨著導彈飛行速度越來越快，導彈天線罩材料的發展歷程為：纖維增強樹脂復合材料——氧化鋁陶瓷——微晶玻璃——石英陶瓷——氮化物陶瓷——陶瓷基復合材料。纖維增強樹脂復合材料與其它雷達罩應用情況相同，此處不再贅述。
第一種商品化的高溫天線罩為氧化鋁陶瓷，在麻雀Ⅲ導彈和響尾蛇導彈中得到成功應用，優點是強度高、硬度高、抗雨蝕性能好，缺點是彈性模量和線脹系數大，抗熱沖擊性能差。微晶玻璃是一種玻璃陶瓷，堇青石是其主要結晶相，但成型工藝和條件復雜，難以控制。1950年代末美國Corning公司開發的微晶玻璃應用在“小獵犬”艦空導彈天線罩中。1970年代末以來中科院硅酸鹽研究所研制的3-3微晶玻璃組成與Corning公司的9606微晶玻璃極為接近，只是介電損耗相對偏高，是國內第一種高溫天線罩材料，已成功應用于超聲速中低空防空導彈天線罩中。
氧化鋁、微晶玻璃僅適應于導彈飛行速度小于5倍聲速的天線罩。對于高超聲速導彈而言，天線罩候選材料主要有石英陶瓷、氮化硅和氮化硼陶瓷。石英陶瓷的抗熱沖擊性好，介電性能穩定，制造成本適中，已在美國“愛國者”和“潘興Ⅱ”導彈得到了應用，適用于3~5倍聲速的導彈天線罩。
石英陶瓷是綜合性能很好的天線罩材料，但石英陶瓷的抗雨蝕及抗粒子侵蝕性能較差，當導彈飛行速度大于6.5倍聲速時，石英陶瓷難以滿足導彈天線罩強度和可靠性要求。1970~1980年代發展了氮化硅和氮化硼等氮化物陶瓷主要應用于小于6倍聲速的導彈天線罩。國內哈爾濱工業大學、山東工業陶瓷研究設計院、中科院上海硅酸鹽研究所對氮化硼、氮化硅 、氮化鋁陶瓷及其復相陶瓷進行了深入研究。
高超聲速導彈天線罩要求材料具有優異的力學、介電、耐燒蝕及抗熱沖擊性能，現有的材料體系僅有連續纖維增強陶瓷基復合材料能夠滿足高超聲速導彈天線罩的應用要求。基體的作用是把載荷傳遞到纖維上，同時纖維發揮對基體的增強作用。石英纖維在各類纖維中綜合性能最為優異。此外石英纖維化學穩定性好、抗熱沖擊、耐燒蝕、易于編制且介電性能優異，非常適合航天透波領域的應用。然而石英纖維在高溫處理時容易脆化，力學性能迅速下降，因此應加強高純耐高溫石英纖維的開發，改進其常溫和高溫力學性能。目前國內外主要以石英和BN兩種纖維為增強體制備陶瓷基透波復合材料。
1）石英纖維增強陶瓷基透波復合材料
美國Philco-Ford公司和GE公司分別研制了石英纖維織物增強二氧化硅復合材料（SiO2/SiO2），其中AS-3DX材料常溫時5.841GHz下的介電常數ε=2.88，損耗角正切tanδ=0.00612，該材料已用于美國“三叉戟”潛地導彈。為滿足中遠程地地戰術導彈和戰略導彈天線罩需求，國內航天材料及工藝研究所（703所）、山東工業陶瓷研究設計院等單位研制了石英纖維織物增強二氧化硅基復合材料（3D SiO2/SiO2），其密度為1.58~1.61g/cm3，已獲得型號應用。
俄羅斯著重開發了石英纖維增強磷酸鹽基復合材料。該材料具有良好的力學、物理和電性能。磷酸鋁復合材料在1500~1800℃以下性能穩定，但當溫度再高時磷酸鹽復合材料熔融粘度太低，不能保證正常使用。目前，這類材料在巡航導彈、反導型、戰術型導彈及航天飛機上獲得了應用。
國內北京玻璃鋼研究設計院制備了石英纖維布增強磷酸鋁復合材料，可用于環境溫度在1200℃以下的天線窗材料和小型透波防熱部件。
2） 氮化硼纖維增強陶瓷基透波復合材料
美國的Hyper-Therm HTC公司利用獨特的化學氣相增密過程制備了世界上第一個低介電性能、耐高溫的氮化硅（Si3N4）基復合材料，該材料可以用在高超聲速導彈天線罩中。國內國防科技大學對氮化硅基復合材料進行了大量的研究，并取得了一定的成果。
6、雷達天線罩市場容量
雷達天線罩市場容量是雷達行業市場容量的子集。根據我們之前的研究《信息化戰爭千里眼，軍工成長急先鋒：雷達行業研究報告》，2015年國內軍用雷達市場容量約為140億元。我們估計雷達天線罩綜合價值占比在3%左右，由此推斷2015年國內軍用雷達天線罩市場容量約為4億元。我們預測十三五期間國內軍用雷達市場總體將保持20%以上的年復合增速。我們保守估計，2020年雷達天線罩市場容量將達10億元左右。
考慮到臺海、南海、釣魚島及中印邊境的軍事斗爭態勢，基于對遠程精確打擊武器的迫切需求，我們認為十三五期間在地基雷達、艦載雷達、車載雷達、星載雷達、機載雷達、彈載雷達等方向中，彈載雷達的增速最快，對天線罩的價值貢獻最大。
綜合以上分析，石英纖維增強樹脂基復合材料和石英纖維增強陶瓷基復合材料在雷達天線罩中的應用越來越廣。由于石英纖維造價較高，我們估計石英纖維在相應雷達天線罩總體造價中占比在50%以上。假設石英纖維復合材料在雷達天線罩應用中占比達2/3，則可估算2020年雷達天線罩用石英纖維市場容量將達3.5億元。（來源：國防軍工參考）
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