КОМПОЗИЦИОННЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И АНТЕННАЯ ЛИНЗА ИЗ ЭТОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2007 года по МПК H01Q15/08 H01B3/40 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенной технике.

Развитие техники линзовых антенн наряду с совершенствованием их конструкций в том числе предполагает создание композиционных диэлектрических материалов с заданными электрофизическими и физико-механическими свойствами.

В статье «Диэлектрические линзовые антенны КВЧ и СВЧ диапазонов» (Зарубежная радиоэлектроника №4/1990 г., Москва, «Радио и связь», авторы Скородумов А.И., д.т.н. Трошин Г.И., к.т.н. Харланов Ю.Я., с.93-94) указано, что композиционные диэлектрики представляют собой смеси различных материалов, изменение соотношения и состава которых позволяет достичь требуемых характеристик, в том числе электрических. Синтактные пластмассы (синтактные пены) - принципиально новый тип газонаполненных пластмасс. Они состоят из полимера (связующего), в котором равномерно по объему распределены полые или непористые микросферы (органические или неорганические). Микросферы, предпочтительный диаметр которых 20...80 мкм, могут быть изготовлены из полимеров или керамики, но чаще всего используется стекло (ε_эф=1,2...1,3; tgδ=(2...8)·10^-4). Микросферы имеют закрытоячеистую структуру, поэтому синтактные пены имеют ряд преимуществ перед обычными пенопластами: небольшое водопоглощение, высокие удельную и абсолютную прочности при сжатии, равномерную плотность по объему, незначительную усадку при отверждении и повышенную стабильность размеров при повышении температуры. Диэлектрические свойства синтактных пластмасс можно варьировать в широких пределах, изменяя соотношение связующего и наполнителя, а также их состав и технологию изготовления. Кроме того, введение микросфер в композиционные диэлектрики позволяет достичь требуемой плотности материала.

Известна литая диэлектрическая линза из композитного материала, предназначенная для работы на радиочастотах (Н01Q 19/06, US 6489928 В2, опубликован 03.12.2002 г.). Диэлектрическая линза изготовлена из композитного материала, содержащего неорганический диэлектрический наполнитель и органический полимер с диэлектрической проницаемостью от 1 до 1,05, которой обладают пенопласты. Недостатком является возможная неоднородность композитного материала, в результате чего внутри оболочки, выполненной из такого материала, возможна неравномерная диэлектрическая проницаемость.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является композиционный диэлектрический материал с улучшенной однородностью (Н01Q 15/08, Н01В 3/44, Н01В 3/00 (11), ЕР 1126545 А1, опубликован 22.08.2001 г.), содержащий в качестве связующего пенополистирол и наполнитель - двуокись титана. Для улучшения сцепления двуокиси титана с пенополистиролом композиционный диэлектрический материал содержит дополнительно связующий материал, например воск, полиуретан или эпоксидную смолу, в количестве 1-25% по отношению к полной массе композиции. Несмотря на то, что пенополистирол имеет наименьший уровень тепловых потерь, его недостатками являются низкая термостабильность (68-70°С) и повышенная горючесть.

Целью изобретения является получение композиционного диэлектрического материала с высокой однородностью, работоспособного в интервале температур от -60 до +85°С и в условиях вибрационных нагрузок, предназначенного, например, для изготовления сферической диэлектрической линзы.

Указанная цель достигается тем, что композиционный диэлектрический материал содержит в качестве связующего эпоксидную смолу, а в качестве наполнителей - микросферы стеклянные полые и двуокись титана при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Эпоксидная смола74,3-82,8Микросферы стеклянные полые5,7-12,5Двуокись титанаостальное

Использование эпоксидной смолы обеспечивает технологичность и смачивающую способность, высокую адгезионную и когезионную прочность, малую усадку при отверждении без выделения побочных продуктов, а также высокую влагостойкость композиционного диэлектрического материала, стабильность его физико-механических и диэлектрических свойств и, соответственно, стабильность радиотехнических характеристик изделия.

Использование микросфер стеклянных полых и двуокиси титана обеспечивает получение композиционного диэлектрического материала с заданной диэлектрической проницаемостью и плотностью.

Композиционный диэлектрический материал, изготовленный из указанных компонентов, имеет однородную структуру, что обеспечивает повторяемость изготовления линз с заданными характеристиками.

Были изготовлены четыре состава диэлектрических композиций. Замер диэлектрической проницаемости производился на образцах размером 23±0,1×10±0,1×9,3 мм.

Замеры ε производились на измерителе КСВН панорамном Р2-61 на частоте 10¹⁰ Гц.

Результаты измерений приведены в таблице №1.

Таблица №1Компоненты составаСостав, вес.%1234Смола эпоксидная81,2582,874,392,3Двуокись титана6,2510,320-Микросфера12,56,95,77,7Диэлектрическая проницаемость на частоте 10¹⁰ Гц2,532,63,2-3,32,45Плотность г/см³0,8960,9251,1680,987

Введение в эпоксидную смолу микросфер стеклянных полых понижает ее плотность с 1,16 до 0,987, диэлектрическую проницаемость с 4,8 до 2,45 (состав №4).

Из композиционного диэлектрического материала с требуемой диэлектрической проницаемостью и плотностью были изготовлены, в частности, линзы по следующей технологии.

Приготовление композиционного диэлектрического материала:

1. Прогреть эпоксидную смолу ЭД - 16 до температуры (120±10)°С в течение 1 ч.

2. Двуокись титана высушить на металлическом противне слоем от 2 до 3 см при температуре от 110 до 120°С в течение 3,0-3,5 ч и охладить при комнатной температуре.

3. Просеять через сито 0,05 и ссыпать в плотно закрытую тару из алюминия, жести или стекла. Использовать просушенную двуокись титана в течение месяца. По истечении месяца сушку двуокиси титана повторить по п.2.

4. Просушить микросферу при температуре 70°С в течение 2 ч.

5. Отвесить компоненты согласно рецептуре (кроме ПЭПА), тщательно перемешать в течение 10-15 мин.

6. Полученную смесь прогреть при температуре 80°С в течение 1 ч. Затем смесь отвакуумировать при температуре от 65 до 75°С и остаточном давлении от 5 до 10 мм рт.ст. до прекращения активного выделения пузырей.

Отвакуумированную смесь охладить до температуры (25±10)°С и ввести полиэтиленполиамин при равномерном перемешивании.

Вакуумировать композиционный диэлектрический материал при остаточном давлении от 5 до 10 мм рт.ст. не более 10 мин, учитывая жизнеспособность компаунда.

7. Жизнеспособность приготовленного композиционного диэлектрического материала не более 40 мин в зависимости от температуры окружающей среды: (25±10)°С.

8. После приготовления композиционного диэлектрического материала произвести заливку изделия.

Заливка линз из композиционного диэлектрического материала:

1. Обезжирить форму спиртонефрасовой смесью с помощью бязевого тампона или кисти.

2. Просушить при температуре 25±10°С не менее 30 мин и покрыть смазкой СКТ (синтетический каучук от 5 до 10 мас.ч., толуол от 95 до 90 мас.ч.) или «Пентой - 107». «Пенту - 107» сушить при температуре (25±10)°С не более 45 мин.

3. Форму выдержать на воздухе в течение 15-20 мин. Нанести второй слой смазки СКТ. Форму, покрытую вторым слоем смазки, поместить в термостат и выдержать в течение 2 ч при температуре 180°С. Затем охладить до комнатной температуры.

4. Произвести заливку в форму, после того, как выйдут все пузырьки воздуха - закрыть форму.

5. Выдержать форму на воздухе при температуре (25±10)°С в течение 3 ч, затем при температуре (60±10)°С в течение 6 ч.

6. Извлечь изделие с формой из сушильного шкафа и охладить.

7. Разобрать форму, извлечь деталь и снять облой.

8. Детали, изготовленные из композиционного диэлектрического материала, перед механическими или климатическими испытаниями выдержать в нормальных условиях в течение 24 ч, не менее.

Далее линзы испытаны на климатическое старение согласно ГОСТ 9.707-81 «Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение». Испытание на воздействие отрицательной температуры, имитирующей один год хранения изделий в любом климатическом районе, проводилось в режиме:

- выдержка при температуре -20°С - 30 мин;

- выдержка при температуре -60°С - 6 часов;

- выдержка при температуре +20°С - 1 час.

Проводилась имитация 7 лет хранения.

Испытание на воздействие перепадов температуры, имитирующей один год хранения в любом климатическом районе, проводилось в режиме:

- выдержка при температуре -60°С - 2 часа;

- выдержка при температуре +85°С - 2 часа.

Всего проведено 12 циклов - имитация 12 лет хранения.

Испытание на влагоустойчивость в течение 10 суток при температуре 55±2°С и относительной влажности 98-100%.

После испытаний линзы по внешнему виду не изменились, трещин, сколов нет, размеры линз геометрически не изменились.

С линзами из композиционного диэлектрического материала были собраны антенны и испытаны:

1. На циклическое изменение температур от -60°С до +85°С с выдержкой по 2 часа при каждой температуре, всего 5 циклов.

2. На теплоустойчивость с выдержкой при температуре +85°С 2 часа, затем с выдержкой при температуре 100°С - 10 мин.

3. На влагоустойчивость при температуре +40°С и относительной влажности 98% в течение 10 суток.

4. Механические испытания антенн:

а) на воздействие случайной широкополосной вибрации.

Диапазон частот, ГцСпектральная плотность вибрации во всем диапазоне, м²/с⁴ Гц (g²/Гц)Среднеквадратное значение суммарного ускорения, м/с² (g)Время, ч20-2000По всему диапазону, линейная147 (15)20

Испытание в трех положениях с равномерной разбивкой суммарного времени 20 часов;

б) на воздействие механических ударов одиночного действия.

Пиковое ударное ускорение, м/с² (g)Длительность действия ударного ускорения, мсКоличество ударов по каждому направлению1470 (150)2-63

Испытание в трех положениях;

в) на воздействие механических ударов многократного действия.

Пиковое ударное ускорение, м/с² (g)Длительность действия ударного ускорения, мсОбщее число ударов по трем осям740 (75)5-104000

Испытание в трех положениях с равномерной разбивкой, общее количество ударов - 4000.

5. На циклическое изменение температур от -60°С до +85°С с выдержкой по 2 часа при каждой температуре, всего 5 циклов.

После каждого вида испытаний производился контроль по внешнему виду.

6. После климатических и механических испытаний была проведена проверка РТХ антенн.

Антенны с заявляемым композиционным диэлектрическим материалом, из которого изготовлены линзы, соответствуют техническим требованиям, предъявляемым к изделию.

Таким образом, как это подтверждается результатами экспериментов и испытаний, была решена поставленная задача и достигнут требуемый технический результат. Применение композиционного диэлектрического материала, например, для изготовления линз позволило обеспечить заданную диэлектрическую проницаемость и плотность, а также работоспособность в условиях вибрационных нагрузок в интервале температур от -60 до +85°С.

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является получение композиционного диэлектрического материала, например, для изготовления линз с заданными диэлектрической проницаемостью и плотностью, работоспособного в условиях вибрационных нагрузок в интервале температур от -60 до +85°С. Сущность изобретения заключается в том, что композиционный диэлектрический материал содержит в качестве связующего эпоксидную смолу, а в качестве наполнителей - микросферы стеклянные полые и двуокись титана в указанных соотношениях компонентов. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Композиционный диэлектрический материал, содержащий полимерный связующий материал - эпоксидную смолу и наполнители - двуокись титана и микросферы, отличающийся тем, что содержит микросферы стеклянные полые и изготовлен со следующим соотношением компонентов, вес.%:

эпоксидная смола74,3-82,8микросферы стеклянные полые5,7-12,5двуокись титанаОстальное