某型號天線的結構設計

摘? 要：在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，導彈有著相當重要的作用，因此，對于導彈設計的要求也越來越高，對于導彈中的電子系統(tǒng)設計更是如此。要設計出一款性能優(yōu)異的導彈，需要綜合考慮多種因素，如空間尺寸與重量、抗振動、電磁兼容等等。文章針對某型號電子設備的體積、重量、環(huán)境適應性、耐振動沖擊以及電磁兼容性等方面的嚴格要求，對結構總體進行模塊化設計，并給定新的布局方式，最終產(chǎn)品通過全部試驗，證明設計是成功可行的，為其他類似的產(chǎn)品設計提供了可靠的經(jīng)驗。

關鍵詞：天線;結構設計;衛(wèi)星天線

中圖分類號：TN957.2? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0050-03

Abstract：In the modern war，the missile has a very important role，the missile design requirements are increasingly high. This is especially true for the design of electronic systems in missiles. To design a missile with excellent performance，many factors need to be considered，such as space size and weight，anti-vibration，electromagnetic compatibility and so on. In this paper a type of electronic equipment is based on the size，weight，environmental adaptability，resistance to impact and vibration electromagnetic compatibility of harsh requirements，the structure of general modular design and a new way of layout，the final product by all test，proved the feasibility of design is successful，provides the reliable design for other similar product experience.

Keywords：antenna;structure design;satellite antenna

0? 引? 言

隨著科學技術的日益發(fā)展，導彈在軍事上得到了廣泛的應用。在現(xiàn)代高新技術條件下的局部戰(zhàn)爭中，導彈戰(zhàn)的地位越來越突出，對電子系統(tǒng)的功能要求也在不斷提高，使得其裝載的設備數(shù)量不斷增加。導彈搭載設備在結構設計上有著特殊的要求，主要表現(xiàn)在：

（1）在空間尺寸和重量方面要求苛刻;

（2）飛行階段，特別是最后的發(fā)射階段，設備遭受的沖擊、振動等非常巨大，所以抗振動設計尤為重要;

（3）設備的密集安裝，使得導彈設備艙內(nèi)的電磁環(huán)境變得復雜，在一個有限的面積和空間內(nèi)，電子設備要能夠互不干擾、協(xié)調地正常工作，必須對設備進行合理有效的電磁兼容性設計。

1? 天線結構設計

整個衛(wèi)星導航天線包括天線及接收機，基本上位于長軸XX乘以短軸XX的橢球體的1/4體積內(nèi)，如圖1所示，空間十分狹小。設計要求天線陣面傾斜角為一固定值，接收機在最靠近橢球體中心面，安裝在底座上，底座通過四個螺釘與支撐板連接。信號及電源插頭位置也是相對固定的。如此，模塊布置的自由度有所降低，對空間利用提出了更大的挑戰(zhàn)。為充分利用空間，不同模塊間分層布置，線路板面積越大的越靠近橢球體的中心面，在天線陣面下方形成的小腔體內(nèi)，完成設備內(nèi)部的連線。

天線結構主要由天線陣、數(shù)字模塊、射頻模塊、電源模塊及接收機組成。

2? 抗沖振設計

2.1? 設計

在振動環(huán)境下，因為振動的疲勞效應及共振現(xiàn)象，電子設備會出現(xiàn)指標性能下降、零部件疲勞破壞甚至失效的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，在引起機載（彈載）電子設備失效的環(huán)境因素中，振動因素約占27%。所以，必須對設備結構進行抗振動設計，提高設備的環(huán)境適應能力來保證其性能和可靠性。

在不同的振源和振動環(huán)境下，振動對設備的影響是不同的。由于該天線屬于彈載設備，受到的強迫振動主要有發(fā)動機及其噪音、外部的氣動擾流，其次是著陸、滑行、氣動抖振等引起的振動，總體來看，設備所處的振動環(huán)境是寬帶隨機振動，垂直方向與水平方向的激勵量值相當。所以，抗沖振設計主要是兩方面內(nèi)容：

（1）“優(yōu)化”使用環(huán)境，使傳遞到設備上的振動越少越好，進行緩沖設計;

（2）改善設備自身條件，采用提高系統(tǒng)剛度、增加阻尼，調整自振頻率等辦法提高其抗振性。

天線的盒體采用鋁合金2A12，密度低，又有良好的機械性能，強度大，便于加工;是綜合性能優(yōu)良并在航空航天中廣泛應用的鋁材。

對于高可靠、短壽命的小型彈載天線，阻尼橡膠減振器因其良好的成熟使用經(jīng)驗成為首先要考慮選用的，但是由于該天線空間實在有限，根本沒有地方安裝，只能采取緊固件的直接聯(lián)結方式。

綜合考慮這些情況，采取了如下抗沖振措施：改變質量分布來提高結構件的剛度;所有元器件緊貼印制板面安裝，對大質量的元器件采取硅膠和結構防護的雙重辦法，陣子下面的射頻線纜局部采用硅膠和導線槽壓板來固定……;所有聯(lián)結螺釘均規(guī)定力矩值來安裝，并且涂抹適量螺紋膠。

2.2? 模態(tài)分析

為了避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，應使設備的固有頻率盡量避開激勵頻率。但在寬帶振動環(huán)境中，這是很難做到的，只能降低共振峰值、傳遞率和相關耦合率。因此，利用對系統(tǒng)及內(nèi)部構件的固有頻率和模態(tài)分析的結果，通過改變質量分布等手段來優(yōu)化結構設計。

首先在三維軟件CREO中建立分析模型。由于實際裝配體的結構是復雜的，如果完全按實物建立有限元模型，往往是不必要的，有時甚至是不可能的。所以，建立區(qū)別于實際模型的分析模型是第一步，常常不同的分析需要不同的模型。比如，有時候會將零部件上的一些細節(jié)特征做壓縮處理。這些特征的壓縮不能影響到所要進行分析的模型的特性，也就是說，強度分析的時候能壓縮的就是包括圓角、棱角、小的槽和定位孔等一類的修飾特征;在模態(tài)分析或熱分析的時候，可以壓縮的特征并不適用于強度分析，比如在模態(tài)分析中，那些能夠產(chǎn)生應力集中的特征是完全可以忽略的，因為其并不影響剛度，但在強度分析中卻是不可以的。這就是說，要具體情況具體分析。另外，在每一次分析之前，壓縮模型的特征也是不可取的。

此次分析均采用3D實體單元solid164單元，為8節(jié)點六面體單元;螺釘與被連接件之間采用GLUE處理，經(jīng)驗表明這樣的簡化是可以接受的。底座螺釘處采用全約束處理。網(wǎng)格采用自由劃分方法，局部細化處理，細化部位的不同對結果稍有小小的影響，網(wǎng)格劃分結果如圖2所示，共有768822個單元、176427個節(jié)點。固有頻率分析結果如圖3所示。

在ANSYS默認的設定中，在分析還沒開始的時候，3D分析模型的不同零部件間接觸關系已經(jīng)被軟件自行定義好了：接觸區(qū)域被指定為面面關系。這個默認的設定可以更改，但是這種面面關系屬性適用于大多數(shù)的接觸情況。

3? 電磁兼容性設計

產(chǎn)品的電磁兼容性需要將整個產(chǎn)品作為系統(tǒng)來考慮。

由于該天線主要由PCB與結構件構成。因此，電磁干擾源與敏感源是PCB，電磁兼容性既跟元器件的選擇相關，也跟PCB的布線有很大的關系。如果PCB設計得好，可對結構件的屏蔽設計要求降低，結構件設計的難度和成本就低一些;否則的話，僅僅依靠結構設計來實現(xiàn)是不可能的。

而要實現(xiàn)產(chǎn)品不干擾其他產(chǎn)品，就要切斷電磁干擾的耦合通道，采用合適的屏蔽手段，使用連續(xù)導電材料將發(fā)射源及敏感源包裝起來，是產(chǎn)品設計中電磁兼容設計最有效的手段之一，既保證了產(chǎn)品不向外發(fā)射干擾信號，也可對其他干擾源產(chǎn)生抑制作用。

在該天線的結構設計中，形成了很多小的腔體，將不同“源頭”隔離開來。另外，采用高標準的加工精度，使盒蓋與盒體的間隙盡可能小;另外，螺釘越密，屏蔽效果越好，但螺釘太多會提高加工及裝配成本。所以，在該天線盒體內(nèi)的結構設計中，對螺釘進行等距排布，使用的最大螺釘為M2，間距一般小于15 d（d為螺釘公稱直徑），即最大間距不會超過30 mm，螺釘?shù)拈g距均滿足安裝強度要求，材料為弱磁的304不銹鋼。此外，還較多地使用深縫隙結構，即在結構面接觸部位設計了“凸起”部分，保證了各個模塊間的相互“獨立”。

在內(nèi)部導線集中的天線反射板下面，通過各個盒體的邊緣突起形成了屏蔽的腔體，再在反射板后面挖槽固定鋁銀導電橡膠條，其具有的彈性特性既保證了導線的物理隔離，有利于通過環(huán)境試驗，還增強了產(chǎn)品的電磁兼容性能。

4? 熱設計

整機功耗、器件的布置及其使用環(huán)境是決定該設備能否長期可靠工作的一個重要因素，散熱問題主要由結構設計來解決，在緊湊的空間內(nèi)，優(yōu)選自然冷卻方式進行散熱。

對于該天線，發(fā)熱器件主要集中在數(shù)字電路板上，且器件均直接焊接在電路板上，其中電源芯片功率為3 W，ARM、DXP芯片的功率為0.5 W，射頻板的信號放大器的功率較小，約為0.1 W。

經(jīng)計算，天線整體的體積發(fā)熱功率系數(shù)為0.011 W/cm3;小于經(jīng)典的導熱體積功率發(fā)熱系數(shù)（0.122 W/cm3）。因此，采取金屬導熱的冷卻方式。處理好關鍵功率器件的發(fā)熱問題，就能解決整機的散熱問題。

將導熱絕緣膠墊加在芯片與盒體蓋板之間，通過尺寸過盈來增加壓力可以有效地減小接觸熱阻，使熱量傳導到鋁盒體上來達到散熱目的。

發(fā)熱器件生熱率為實際功率與體積的比值，分別設為1.35e6，0.4e6，1e6 w/m3。設置如表1所示。

環(huán)境溫度設置為333 K，空氣對流系數(shù)為6 W/（m2·℃）。

在虛擬樣機階段，對電子設備模塊及時地進行熱仿真，有助于獲取優(yōu)良的散熱效果，使之能夠滿足軍用環(huán)境的需求。散熱主要通過熱傳導進行，由于狹小的密閉空間，熱對流等導熱方式予以忽略。

仿真結果如圖4所示，顯示溫度最高處在發(fā)熱器件上：375.2 K，滿足彈載使用環(huán)境要求。

5? 三防設計

在設計時，要避免電位差大的金屬件的直接接觸，如銅件和鋁件的直接接觸，防止引起金屬間的電化學腐蝕，因為銅鋁之間在潮氣和其他雜質的作用下極易形成電解液，同時接觸電阻也增大，最后可能產(chǎn)生發(fā)熱、燒毀等事故。所以，銅件采用鍍金處理，鋁合金表面均采用化學導電氧化處理來避免此類問題。緊固件材料均為不銹鋼。對低頻電路板，噴涂進口聚氨酯清漆進行保護。

在天線安裝面裝有密封膠條，使產(chǎn)品內(nèi)部與外界完全隔離。這些措施可以保證天線的三防能力。

6? 結? 論

彈載電子設備的結構設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，文中對某彈載天線的結構的各方面進行了詳細設計，各種實測試驗的通過證明了此設備設計的合理性。隨著彈載電子設備的需求和技術的發(fā)展，將會出現(xiàn)更多各種功能強大的電子設備，設計師將面臨更多的挑戰(zhàn)，結構總體設計方面還有很多技術需要進一步研究。

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作者簡介：李國勇（1979-），男，漢族，山西平原人，高級工程師，碩士，主要研究方向：電子設備的機械結構設計。