一种机载卫通天线的一体化设计方法

张 磊(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种机载卫通天线的一体化设计方法

张 磊
(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

主要介绍了一种机载卫通天线的一体化设计技术，并采用有限元方法对天线结构进行了动力学分析。仿真结果表明一体化设计方法，提升了结构整体的固有频率与动态特性。研究内容对机载天线的设计具有一定的指导意义。

机载卫通天线；一体化设计；固有频率；动力学分析

机载卫通天线需要更好的动态跟踪特性，同时机载天线面临非常恶劣的宽带随机振动环境[1]。为了解决机载卫通天线结构的尺寸重量和动态特性之间存在的相互矛盾，相互制约的问题。有必要对机载卫通天线结构进行机电一体化设计，减轻结构重量并提高天线的动态性能。

本文采用一体化设计技术，将机载卫通天线的各功能模块进行模块化分拆，与天线座架支臂进行了集成设计，并采用有限元分析方法对机载天线结构进行了模态分析与随机振动响应分析。

1 机载卫通天线的一体化设计

目前，传统机载卫通天线座架的设计形式为在U型架上安装伺服控制、接收机、功放等功能器件。每个器件都会由于电磁兼容等要求设计各自单独的盒体，尤其是功放单元需要大面积的散热片和散热风扇。

为了能够完全满足机载卫通天线的使用要求，对传统的天线座架进行了一体化设计，并进行了大量的优化设计工作，优化后的天线结构如图1所示。

图1 一体化设计天线结构

1.1 机载天线座架的一体化设计

在天线座架的设计中，将天线座架结构与伺服控制、接收机、上下变频、卫通功放等功能模块进行了一体化集成设计，并将卫通功放散热模块布置为支臂的加强筋结构，新的设计方案充分利用了设备盒体的结构，缩短了天线座架的跨距，增加了天线座架的刚度。

传统的机载天线座架结构与一体化设计的天线座架结构分别如图2和图3所示。

图2 传统机载天线座架结构 图3 一体化设计的天线座架结构

1.2 天线固有频率的优化设计

在进行天线系统设计时，首先通过固有频率的影响机理分析，依据两条原则开展设计，即提高结构刚度，减小系统的惯量[2]。并将结构动力学仿真技术与天线结构设计技术相结合，对影响系统谐振频率的薄弱环节进行针对性优化设计，在满足各功能模块合理布局的前提下，实现了材料刚度分布的再优化，提升了结构整体的谐振频率与动态特性[3]。

2 天线结构的动力学仿真

此机载卫通天线系统由天线反射面和座架两大部分组成：天线反射面部分主要由反射体、馈源、托架和极化旋转装置等组成；天线座架部分主要由U型架、方位和俯仰驱动组合等组成[4]。由天线系统的结构形式，采用实体建模的方法，建立了其力学分析模型。

2.1 天线结构模态分析

经过对天线结构的模态仿真分析，一体化设计与传统设计的机载卫通天线结构的前三阶固有频率值见表 1。图 4～图 6为对应的前三阶模态振型图。

表1 天线固有频率

图4 天线第一阶模态 图5 天线第二阶模态

图6 天线第三阶模态

2.2 天线结构的随机振动响应分析

在天线结构的随机振动响应分析中，按照实际使用要求中最严苛的耐久振动施加了振动载荷。耐久振动谱值如表 2所示。图 7～图 9为天线结构在振动载荷作用下的应力云图。

表2 耐久振动试验谱值

图7 天线整体应力图(水平X方向振动) 图8 天线整体应力图(水平Y方向振动)

图9 天线整体应力图(垂直Z方向振动)

由动力学仿真分析的结果可以看出，采用一体化设计方法的天线结构，相比传统设计，结构整体的第一阶固有频率提高了约60%，最大应力也有所下降，另外天线结构整体在三个方向的动载荷作用下，没有出现明显的局部薄弱环节，天线整体的抗振性能有所提高。

3 结论

本文在进行机载卫通天线的系统设计时，将一体化设计技术、结构动力学仿真技术与天线结构设计技术相结合，对影响系统谐振频率的薄弱环节进行针对性优化设计，在满足各功能模块合理布局的前提下，实现了材料刚度分布的再优化。通过一体化技术设计的天线完全满足机载卫通天线的使用要求，并且结构重量、动态跟踪特性、抗振性能、结构外观等都得到了优化提升。

[1] 乔山林．机载雷达天线座模态分析与试验研究[D]．南京理工大学，2011．

[2] 诸德超，邢誉峰．工程振动基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．

[3] 吴风高．天线座结构设计[M]．西安：西北电讯工程学院出版社，1986．

[4] 叶尚辉，李在贵．天线结构设计[M]．西安：西北电讯工程学院出版社，1986．

The integrated design method of airborne satellite communication antenna

ZHANG Lei
(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The integrated design technology of airborne satellite communication antenna was discussed. Simultaneously dynamic performance of antenna structure was obtained using FEA simulation method. The results show that natural frequency and dynamic characteristic of antenna have been improved using integrated design.The research has guiding significance for the design of the airborne antenna.

Airborne satellite communication antenna；Integrated design；Natural frequency；Dynamic analysis

2017-05-12

国家重点基础研究发展规划项目计划(973计划)(2012CB821800)；国家自然科学基金国际合作与交流项目(11261140641)

张 磊(1982-)，男，博士，工程师，主要从事天伺馈系统设计与有限元分析.邮箱：18033867866@189.cn

1001-9383(2017)02-0034-04

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