浅述防弹天线罩的研制

李佑武 樊璞 杨中平 李波 黄义国 李世斌

摘要：对天线罩使用环境的分析指出了研制防弹天线罩的重要意义，结合电磁性能、防弹性能及环境适应性提出了面向工程应用的防弹天线罩的技术要求。罗列了防弹天线罩研制的可选纤维增强材料，结合防弹天线罩着弹后的毁伤形式提出了防弹天线罩设计及使用中需要特别注意的问题。

一、防弹天线罩的重要意义

在现代战争中，雷达作为战场上的关键装备，被喻为现场指挥员的眼睛，可实现对战场情况的实时、全面侦查，是现代战争的重要情报源，也是敌方首先要压制和摧毁的作战装备之一。在相控阵雷达易损性研究方面，国内外对相控阵雷达目标特性和毁伤机理等开展了研究。精确制导武器的发展及战争形式的改变也使得雷达在战场上受到打击毁伤的可能性越来越大。因此，对雷达进行防护是有必要的。

天线罩作为雷达系统的重要组成部分，是雷达的电磁窗口，也是用于保护天线或雷达系统的 “防护眼镜”。普通天线罩能为雷达提供环境适应性保障，因其制造材料不具备防弹能力，普通天线罩一旦被弹片击中，轻则雷达系统部分组件被毁伤，重则雷达整机被弹片穿透摧毁，导致相关装备甚至是武器系统致“盲”，从而散失基本功能。网络上报道，我军曾出现过雷达被石子“打瞎”的事例。由此可见，研制具有一定防弹能力的天线罩，为雷达配一副“防护眼镜”，筑起最后一道防线，能有效提高雷达系统的抗毁伤打击能力，提升相关装备及武器系统战场生存率，对于在战场环境下充分挥发相关装备及武器系统的功能具有重要意义。

本文通过对防弹天线罩进行需求分析，总结了防弹天线罩的技术要求及设计、使用时需特别注意的问题，并据此罗列了几种可用于防弹天线罩研制的纤维增强材料。

二、防弹天线罩的研制现状

目前，国内针对防弹天线罩的研究报道较少，多数研究工作是将复合材料抗弹性能与天线罩电磁性能分离开独立进行的，鲜有将二者结合起来进行研究的。在防弹天线罩主体材料的选择上既有采用单一材料层合板结构的，也有采用多种材料夹心结构的，针对电磁性能的研究主要围绕透波率展开。

海军工程大学陈昕等人联合武汉海威船舶与海洋工程科技有限公司采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖维层合板研制了一种既能够直接防御反辐射武器近炸毁伤，又能保持优异透波性能的防弹天线罩。弹道实验和电磁性能测试结果表明，该夹芯结构能够防御某型反辐射导弹在15m处爆炸产生的破片冲击，并且在S波段的平均透波率不低于97.8%，平均值达到了98.6%。

董长胜博士等人为解决Ku/Ka双频段天线罩的防弹和透波问题，用HFSS软件对UHMWPE纤维复合材料进行透波性能仿真设计，并采用透波率测试试验与防弹测试试验验证了UHMWPE纤维复合材料的防弹和透波性能。研究结果表明7mmUHMWPE纤维层合板的Ku频段损耗为0.2dB（透波率为95.5%），Ka频段损耗为0.6dB（透波率为87.1%），面密度为5.6kg/m2的UHMWPE纤维层合板防弹等级优于1级，实测V50值为 546m/s。

四川辉腾科技股份有限公司采用芳纶Ⅲ（Kevlar）纤维成功研制出了一款毫米波天线罩，具备一定的防弹能力。

中国电子科技集团公司第十研究所黄巍，管志宏等人以芳纶Ⅲ纤维为原料，采用模压工艺，生产出具有优异的电磁性能、透波性能满足指标及防护性指标V50值不小于 610m/s，具有与军用防弹头盔相当的防护能力的毫米波天线罩。

以上所涉及的文献基本涵盖了国内关于防弹天线罩的所有公开报道。

国外针对防弹天线罩的研究较多，在防弹天线罩主体材料的选择上倾向于采用多种材料的层合结构，并取得了相应的研究成果。Avraham Frenkel公开了一种防弹天线罩专利，该防弹天线罩的主要防护层由阵列柱状陶瓷颗粒及在陶瓷颗粒间隙中填充的介电材料构成，防护层两侧辅以Kevlar纤维或UHMWPE纤维制成的介电层，该天线罩具备较高的透波率及防弹性能。

Pierre-Henry等人发明了一种用于防护卫星天线的防弹天线罩，该天线罩整体成筒状，由三层材料构成，中间层为UHMWPE纤维织物（介电常数=2.2），表面两侧为8mm厚度高密度聚氨酯泡沫（介电常数=1.7，密度为400kg/m3）。该天线罩能有效抵御由AK47射击的7.62mm口径子弹或者重量80克，速度为600m/s的弹片，对于8GHz左右的电磁波具有很好的透过率。

Mark Hawthorne发明了一种三频段低损耗防弹天线罩，该天线罩表层为坚硬高分子量聚碳酸脂基板材，中间层为防弹材料由UHMWPE纤维制成，内侧为低密度泡沫（主要起减少电磁能量反射及提升防弹效果的作用），该天线罩在X、Ku、Ka波段的衰减不超过1dB（透波率为79.4%），且能抵御手枪的袭击。

三、防弹天线罩需求分析

防弹天线罩既要为雷达系统提供电磁窗口，又要为其提供环境适应性保障，还要具备一定的抗毁伤打击能力。普通天线罩基本要求为：电磁性能良好（电磁性能包括透波率、对天线副瓣影响、瞄准误差等，其中透波率为电磁性能的主要指标）、强度高、刚度好、可靠性高、质量轻等。防弹天线罩则需在此要求上增加相应的防弹指标要求。

天线罩的电磁性能主要由材料的介电常数、损耗角正切两个参数决定，同时还与天线罩外形、材料的均匀性，及电磁波的频率有关。

防弹天线罩的防弹能力主要由防弹材料及其厚度直接决定，没有厚度限制的防弹材料是没有意义的。材料厚度直接决定了防弹天线罩的体积、重量，并在很大程度上影响透波率，接收天线接收到的回波能量按防弹天线罩透波率的平方衰减，透波率的变化则直接决定了雷达的探测距离。在雷达探测距离一定的条件下，若防弹天线罩透波率降低，雷达系统的功率、体积、重量势必要适当增大，这又导致雷达系统热耗增加。防弹天线罩透波率的降低与雷达系统小型化、轻量化矛盾。因此，防弹天线罩透波率的提升既有利于提高装备的机动性，又能赋予雷达系统一定的抗毁伤打击能力。

从雷达系统研制成本方面看，防弹天线罩在雷达系统成本中所占比重较小，为最大限度的保护装备在战场上的作战能力，我们提出防弹天线罩设计过程中在保证电磁性能及防弹能力的条件下，若雷达整体设计规划允许，应尽量增加防弹天线罩材料的厚度，以便提高其抗打击毁伤能力。

遭遇破片侵彻时，防弹天线罩将产生撕裂、分层、鼓包等，天线罩表面或多或少会残留有预制破片金属材料，这都会导致防弹天线罩材料组织发生改变，透波率降低、防弹能力降低，因此防弹天线罩在实战中应该有一定量的备份，待需要时更换，以保证雷达性能正常发挥。防弹天线罩着弹后不能形成二次毁伤，材料的崩脱或鼓包不能对雷达内部部件造成损毁。

天线罩的研制是一项系统工程，它综合了材料学、工艺学、电磁学及结构力学等多个学科的知识，在普通天线罩的研制中电磁设计分析起主导作用。天线罩防弹能力的应用需求提升了天线罩研制工作的复杂程度。

四、防弹天线罩技术要求

综合以上需求分析，结合武器装备环境适应性指标要求，对防弹天线罩提出如下具体技术要求：

防弹天线罩的研制、生产应兼顾防弹性能及电磁气性能要求，并综合考虑环境适应性指标，在此基础上优先考虑防弹性能，确保设备安全。

电磁性能要求：在明确天线极化方向、发射，接收信号频率、扫描角的条件下，结合雷达整机设计规划，提出合理的透波率、对天线副瓣影响、瞄准误差等要求。

防弹性能要求：战场环境复杂多变，打击形式多种多样，根据设备使用环境及最可能受到的打击形式，提出合理的防弹性能技术指标要求。

环境适应性要求：耐高低温、耐盐雾、耐湿热、耐霉菌、耐砂尘、耐太阳辐射等，具体指标应参考雷达系统总体指标要求。

结构外形要求：结构合理、连接方式可靠、外形美观、尽量减小着弹面积。

外观质量要求：天线罩内外表面应均匀、平滑，不应有气泡、疏松、分层、贫胶、堆胶、针孔、褶皱等缺陷。

涂层系统要求：耐盐雾、抗静电、防雨蚀、疏水性（雨水中存在大量的电解质，是电的良导体，天线罩外表面形成积水膜后，若雨水不能及时滑落，会极大的电磁波的增加衰减）涂层系统。

理想的防弹天线罩应该是电磁性能良好（即透波率高、对天线副瓣影响小，瞄准误差小等）、防弹性能高、质量轻、环境适应性好、生产制造成本低的零件。

五、防弹天线罩的研制

防弹天线罩的研制工作依据防弹天线罩的技术要求展开，需从两方面入手，一是天线罩的电磁性能，一是天线罩的防弹能力。天线罩的电磁性能、结构性能和工艺材料既相互联系又相互制约，需要统筹考虑、协同设计，找到一个可行的方案。防弹天线罩的研制，简言之就是要在电磁性能与防弹性能之间寻求平衡及最优解。

为降低研制成本，提高一次研发的成功率，普遍做法是结合研制总要求，形成初步研制方案，然后采用电磁仿真软件与动力学仿真软件进行仿真分析并优化，试制后进行试验验证，确保设计目标的顺利实现，防弹天线罩的研制流程如图1。异形天线罩的生厂制造需采用钢制磨具，施加特定的温度和压力，保持一定时间后成型。整个防弹天线罩研制周期较长，因此，具体实施过程中，较为稳妥可靠的办法是：先用仿真软件对平板型天线罩及异形天线罩进行仿真分析并对比数据，确保实际需要使用的异形天线罩性能优于平板材料后，可先试制平板并进行相应的试验，试验成功后再进行异形天线罩的试制，并进行相关的验证试验，这种工程方法能大大提高研发成功率。

材料体系是天线罩的基础，选材是天线罩设计的重要环节，能用于天线罩制造的材料众多。与普通天线罩相比，防弹需求的增加限制了天线罩的选材范围，防弹天线罩的制造材料必须从透波材料与防弹材料的交集中选出。纤维增强材料是普通天线罩材料体系中的重要成员，且在防弹领域应用广泛，因此防弹天線罩的材料可以从中选择。适合用于防弹天线罩的纤维增强材料由如下几种：Kevlar纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维、玄武岩纤维（BF）等，几种纤维材料的主要特性参数如表1。

介电常数和损耗角正切是表征材料透波性能的基本特性参数，模量和拉伸强度则是决定防弹能力的基本特性参数。从表种数据可以看出，几种纤维增强材料各有优缺点，但目前国内防弹天线罩的研制选材主要涉及UHMWPE纤维及Kevlar纤维，其余纤维增强材料研制的防弹天线罩未见报道。综合来看，BF、PBO纤维及以上各纤维的混编材料，还有各种材料的层合结构在防弹天线罩上均有一定的应用潜力。未来，随着防弹天线罩应用需求的增加，以上材料在防弹天线罩领域的应用研究也会越来越多，针对防弹天线罩的研究也会越来越全面。

六、结论

本文通过对天线罩使用环境的分析指出了研制防弹天线罩的重要意义，结合电气性能、防弹性能及环境适应性提出了面向工程应用的防弹天线罩技术要求。综合参考文献罗列了防弹天线罩研制的可选纤维增强材料，结合防弹天线罩着弹后的毁伤形式提出了防弹天线罩设计及使用中需要特别注意的问题，对于工程设计人员有一定的参考价值。

（作者单位：李佑武、杨中平、李波 、黄义国、李世斌，江苏无线电厂有限公司；

樊璞 ，陆军装备部驻南京地区军事代表局驻南京地区第二军事代表室）