某型号天线的结构设计

摘  要：在现代战争中，导弹有着相当重要的作用，因此，对于导弹设计的要求也越来越高，对于导弹中的电子系统设计更是如此。要设计出一款性能优异的导弹，需要综合考虑多种因素，如空间尺寸与重量、抗振动、电磁兼容等等。文章针对某型号电子设备的体积、重量、环境适应性、耐振动冲击以及电磁兼容性等方面的严格要求，对结构总体进行模块化设计，并给定新的布局方式，最终产品通过全部试验，证明设计是成功可行的，为其他类似的产品设计提供了可靠的经验。

关键词：天线;结构设计;卫星天线

中图分类号：TN957.2      文献标识码：A 文章编号：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

随着科学技术的日益发展，导弹在军事上得到了广泛的应用。在现代高新技术条件下的局部战争中，导弹战的地位越来越突出，对电子系统的功能要求也在不断提高，使得其装载的设备数量不断增加。导弹搭载设备在结构设计上有着特殊的要求，主要表现在：

（1）在空间尺寸和重量方面要求苛刻;

（2）飞行阶段，特别是最后的发射阶段，设备遭受的冲击、振动等非常巨大，所以抗振动设计尤为重要;

（3）设备的密集安装，使得导弹设备舱内的电磁环境变得复杂，在一个有限的面积和空间内，电子设备要能够互不干扰、协调地正常工作，必须对设备进行合理有效的电磁兼容性设计。

1  天线结构设计

整个卫星导航天线包括天线及接收机，基本上位于长轴XX乘以短轴XX的椭球体的1/4体积内，如图1所示，空间十分狭小。设计要求天线阵面倾斜角为一固定值，接收机在最靠近椭球体中心面，安装在底座上，底座通过四个螺钉与支撑板连接。信号及电源插头位置也是相对固定的。如此，模块布置的自由度有所降低，对空间利用提出了更大的挑战。为充分利用空间，不同模块间分层布置，线路板面积越大的越靠近椭球体的中心面，在天线阵面下方形成的小腔体内，完成设备内部的连线。

天线结构主要由天线阵、数字模块、射频模块、电源模块及接收机组成。

2  抗冲振设计

2.1  设计

在振动环境下，因为振动的疲劳效应及共振现象，电子设备会出现指标性能下降、零部件疲劳破坏甚至失效的现象。据统计，在引起机载（弹载）电子设备失效的环境因素中，振动因素约占27%。所以，必须对设备结构进行抗振动设计，提高设备的环境适应能力來保证其性能和可靠性。

在不同的振源和振动环境下，振动对设备的影响是不同的。由于该天线属于弹载设备，受到的强迫振动主要有发动机及其噪音、外部的气动扰流，其次是着陆、滑行、气动抖振等引起的振动，总体来看，设备所处的振动环境是宽带随机振动，垂直方向与水平方向的激励量值相当。所以，抗冲振设计主要是两方面内容：

（1）“优化”使用环境，使传递到设备上的振动越少越好，进行缓冲设计;

（2）改善设备自身条件，采用提高系统刚度、增加阻尼，调整自振频率等办法提高其抗振性。

天线的盒体采用铝合金2A12，密度低，又有良好的机械性能，强度大，便于加工;是综合性能优良并在航空航天中广泛应用的铝材。

对于高可靠、短寿命的小型弹载天线，阻尼橡胶减振器因其良好的成熟使用经验成为首先要考虑选用的，但是由于该天线空间实在有限，根本没有地方安装，只能采取紧固件的直接联结方式。

综合考虑这些情况，采取了如下抗冲振措施：改变质量分布来提高结构件的刚度;所有元器件紧贴印制板面安装，对大质量的元器件采取硅胶和结构防护的双重办法，阵子下面的射频线缆局部采用硅胶和导线槽压板来固定……;所有联结螺钉均规定力矩值来安装，并且涂抹适量螺纹胶。

2.2  模态分析

为了避免出现共振现象，应使设备的固有频率尽量避开激励频率。但在宽带振动环境中，这是很难做到的，只能降低共振峰值、传递率和相关耦合率。因此，利用对系统及内部构件的固有频率和模态分析的结果，通过改变质量分布等手段来优化结构设计。

首先在三维软件CREO中建立分析模型。由于实际装配体的结构是复杂的，如果完全按实物建立有限元模型，往往是不必要的，有时甚至是不可能的。所以，建立区别于实际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，有时候会将零部件上的一些细节特征做压缩处理。这些特征的压缩不能影响到所要进行分析的模型的特性，也就是说，强度分析的时候能压缩的就是包括圆角、棱角、小的槽和定位孔等一类的修饰特征;在模态分析或热分析的时候，可以压缩的特征并不适用于强度分析，比如在模态分析中，那些能够产生应力集中的特征是完全可以忽略的，因为其并不影响刚度，但在强度分析中却是不可以的。这就是说，要具体情况具体分析。另外，在每一次分析之前，压缩模型的特征也是不可取的。

此次分析均采用3D实体单元solid164单元，为8节点六面体单元;螺钉与被连接件之间采用GLUE处理，经验表明这样的简化是可以接受的。底座螺钉处采用全约束处理。网格采用自由划分方法，局部细化处理，细化部位的不同对结果稍有小小的影响，网格划分结果如图2所示，共有768822个单元、176427个节点。固有频率分析结果如图3所示。

在ANSYS默认的设定中，在分析还没开始的时候，3D分析模型的不同零部件间接触关系已经被软件自行定义好了：接触区域被指定为面面关系。这个默认的设定可以更改，但是这种面面关系属性适用于大多数的接触情况。

3  电磁兼容性设计

产品的电磁兼容性需要将整个产品作为系统来考虑。

由于该天线主要由PCB与结构件构成。因此，电磁干扰源与敏感源是PCB，电磁兼容性既跟元器件的选择相关，也跟PCB的布线有很大的关系。如果PCB设计得好，可对结构件的屏蔽设计要求降低，结构件设计的难度和成本就低一些;否则的话，仅仅依靠结构设计来实现是不可能的。

而要实现产品不干扰其他产品，就要切断电磁干扰的耦合通道，采用合适的屏蔽手段，使用连续导电材料将发射源及敏感源包装起来，是产品设计中电磁兼容设计最有效的手段之一，既保证了产品不向外发射干扰信号，也可对其他干扰源产生抑制作用。

在该天线的结构设计中，形成了很多小的腔体，将不同“源头”隔离开来。另外，采用高标准的加工精度，使盒盖与盒体的间隙尽可能小;另外，螺钉越密，屏蔽效果越好，但螺钉太多会提高加工及装配成本。所以，在该天线盒体内的结构设计中，对螺钉进行等距排布，使用的最大螺钉为M2，间距一般小于15 d（d为螺钉公称直径），即最大间距不会超过30 mm，螺钉的间距均满足安装强度要求，材料为弱磁的304不锈钢。此外，还较多地使用深缝隙结构，即在结构面接触部位设计了“凸起”部分，保证了各个模块间的相互“独立”。

在内部导线集中的天线反射板下面，通过各个盒体的边缘突起形成了屏蔽的腔体，再在反射板后面挖槽固定铝银导电橡胶条，其具有的弹性特性既保证了导线的物理隔离，有利于通过环境试验，还增强了产品的电磁兼容性能。

4  热设计

整机功耗、器件的布置及其使用环境是决定该设备能否长期可靠工作的一个重要因素，散热问题主要由结构设计来解决，在紧凑的空间内，优选自然冷却方式进行散热。

对于该天线，发热器件主要集中在数字电路板上，且器件均直接焊接在电路板上，其中电源芯片功率为3 W，ARM、DXP芯片的功率为0.5 W，射频板的信号放大器的功率较小，约为0.1 W。

经计算，天线整体的体积发热功率系数为0.011 W/cm3;小于经典的导热体积功率发热系数（0.122 W/cm3）。因此，采取金属导热的冷却方式。处理好关键功率器件的发热问题，就能解决整机的散热问题。

将导热绝缘胶垫加在芯片与盒体盖板之间，通过尺寸过盈来增加压力可以有效地減小接触热阻，使热量传导到铝盒体上来达到散热目的。

发热器件生热率为实际功率与体积的比值，分别设为1.35e6，0.4e6，1e6 w/m3。设置如表1所示。

环境温度设置为333 K，空气对流系数为6 W/（m2·℃）。

在虚拟样机阶段，对电子设备模块及时地进行热仿真，有助于获取优良的散热效果，使之能够满足军用环境的需求。散热主要通过热传导进行，由于狭小的密闭空间，热对流等导热方式予以忽略。

仿真结果如图4所示，显示温度最高处在发热器件上：375.2 K，满足弹载使用环境要求。

5  三防设计

在设计时，要避免电位差大的金属件的直接接触，如铜件和铝件的直接接触，防止引起金属间的电化学腐蚀，因为铜铝之间在潮气和其他杂质的作用下极易形成电解液，同时接触电阻也增大，最后可能产生发热、烧毁等事故。所以，铜件采用镀金处理，铝合金表面均采用化学导电氧化处理来避免此类问题。紧固件材料均为不锈钢。对低频电路板，喷涂进口聚氨酯清漆进行保护。

在天线安装面装有密封胶条，使产品内部与外界完全隔离。这些措施可以保证天线的三防能力。

6  结  论

弹载电子设备的结构设计是一项复杂的系统工程，文中对某弹载天线的结构的各方面进行了详细设计，各种实测试验的通过证明了此设备设计的合理性。随着弹载电子设备的需求和技术的发展，将会出现更多各种功能强大的电子设备，设计师将面临更多的挑战，结构总体设计方面还有很多技术需要进一步研究。

参考文献：

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作者简介：李国勇（1979-），男，汉族，山西平原人，高级工程师，硕士，主要研究方向：电子设备的机械结构设计。