高强度轻量化天线罩设计

葛源坤 何定全 曾敬

摘要：文章从工程应用的角度，提出一种天线罩结构的高轻量化设计思路，在等强度、等刚度的条件下对传统天线罩结构进行对比创新，从而达到大幅降低天线罩结构重量的目的。同时采用有限元法对两种天线罩结构进行分析计算，通过分析结果实现天线罩结构的高轻量化设计。

关键词：天线罩;轻量化;有限元

中图分类号：TN826                文献标识码：A

天线罩作为天线系统的保护结构，能免除外部环境对天线电气结构的影响[1]。电气性能上，天线罩具备良好的电磁辐射穿透性;结构性能上，天线罩具备良好的恶劣环境适应性。工作于露天的室外天线，通常直接承受自然冰雪、沙尘、暴风雨及太阳辐射等的侵蚀，导致天线的寿命缩短且精度降低，同时天线系统可靠性难以保证[2]。天线罩的使用目的如下：（1）避免冰雪、沙尘、风雨和太阳辐射等外部环境条件对天线系统产生影响，确保天线系统稳定可靠工作，延缓天线系统的老化速度，达到延长天线系统寿命的目的;（2）避免风负载和风力矩对天线系统的直接影响，提高天线系统的机械性能。

天线罩是天线系统不可缺少的部分，具有非常高的设计要求，在满足电磁辐射穿透性能的同时还必须满足刚度、强度及寿命等设计条件[3]。传统天线罩采用复合材料单向带、复合材料织布预浸料[4]，按预先设计的角度在模具上进行铺层[5]，采用已有且成熟的工艺方式进行固化成型，以这种方式生产的天线罩在各铺层向受力较为均匀。鉴于天线罩的设计并没有一个既定的规范标准，本文在传统天线罩的基础上进行结构优化，提出一种车载天线罩结构的轻量化设计思路，采用板-芯即环氧玻璃布与蜂窝夹心结构对天线罩进行优化设计。同时建立两种结构形式的天线罩模型，运用有限元分析法，对天线罩模型进行静力计算，保证夹芯结构天线罩与传统天线罩在强度、刚度相当的情况下，达到大幅降低天线罩重量的目的，实现产品轻量化设计。

1  天线罩仿真分析

1.1  几何模型

本文设计的天线罩为车载天线罩，结构外形如图1所示，在天线辐射平面采用蜂窝夹芯结构，即板-蜂窝芯-板的结构形式，其余区域采用实心石英制作。由于天线频段较高，且对增益的要求也高，所以基材选用介电常数和损耗角正切值低的氰酸酯石英预浸料，芯材选用NH系列芳纶纸蜂窝，蜂窝与氰酸酯石英板之间采用氰酸酯石英胶膜进行粘接固化，通过周围法兰安装到天线基座上。

为使天线罩各向承受能力均匀，并在成型固化后变形量小，氰酸酯石英内外板的铺层遵循对称原则，天线罩固化后产生的内应力小，使天线罩具有更好的承载能力。利用有限元方法将该夹层天线罩离散成若干单元，每个单元的刚度矩阵为该单元每个铺层的刚度矩阵对铺层厚度的积分，整个天线罩有限元的总体坐标系中的刚强度矩阵为每个单元刚度矩阵之和，公式（1）表达了作用力与有限单元节点之间的关系。

其中，F为用力向量;K为总体刚度矩阵;ψ为变形向量。

1.2  天线罩铺层设计

根据天线罩的材料选型和内外层的层数，分别定义天线罩内外层的铺层参数。本天线罩基于轻量化设计和降低对天线增益、幅相一致性的影响，设置的铺层按照0°/45°/90°/-45°的方向依次进行，其中安装法兰处设置有插层铺层，详见表1。

1.3  材料属性

氰酸酯石英预浸料和芳纶纸蜂窝相对于环氧玻璃预浸料而言，具有更低的介电常数和损耗角正切值，而蜂窝芯更具有低密度的优点，蜂窝夹芯天线罩能够更好提升天线罩的透波特性和降低产品重量。蜂窝和氰酸酯石英的材料力学性能见表2和表3。芳纶纸蜂窝压缩强度及模量测试参照《非金属夹层结构或芯子平压性能试验方法》（GB/T 1453—1987），剪切强度及模量测试参照《胶接铝蜂窝夹层结构和芯子平面剪切试验方法》（GJB 130.6—86）;氰酸酯石英织布拉伸及模量测试参照《纤维增强塑料拉伸性能实验方法》（GB/T 1447—2005），剪切強度及模量测试参照《聚合物基复合材料面内剪切性能标准试验方法》（ASMT D3518）。

2  有限元分析及结果

2.1  天线罩边界条件

根据技术要求，14级风能够正常工作，16级风不破环。天线罩需要耐受极限风速为61.2 m/s，根据风压的计算公式[6]见式（2）。

式中，为风载荷标准值，单位kPa;K为阵风因子;C为风阻系数;ω为基本风压，单位kPa;V0为最大风速，单位m/s。

根据公式（2）计算得出天线罩表面所受最大风压为3.2   kPa。

2.2  天线罩分析结果

基于ANSYS中ACP模块，模拟氰酸酯石英预浸料铺层进行建模，通过划分网格、设置材料及单元属性、施加载荷及约束等步骤，分别对实心天线罩和夹芯天线罩进行静力分析，实心罩应力云图如图2所示，夹芯天线罩应力云图如图3所示，蜂窝应力云图如图4所示，实心罩位移云图如图5所示，夹芯天线罩位移云图如图6所示。

综上，实心罩的最大应力为48.1 MPa，最大位移为20.6 mm;夹芯罩的最大应力为39.8 MPa，最大位移为19.8 mm;蜂窝的最大应力为0.35 MPa。氰酸酯石英层合板的弯曲强度为550 MPa，芳纶纸蜂窝夹层的平面压缩强度为2.42 MPa，实心天线罩的安全系数为S1=550/48.1≈11.4，夹芯天线罩材料安全系数分别为S2=550/39.8≈13.8，S3=2.42/0.35≈6.9。因此，实心天线罩的安全系数为11.4，夹芯罩的整体安全系数大于6.9，两种天线罩的设计均满足强度要求。

两种天线罩在刚度基本一致的情况下，实现天线罩的重量为16.84 kg，夹芯天线罩的重量为10.57 kg，在实芯天线罩的基础上减重6.27 kg，减重比例约37.2 %。

3  结论

相较于实心天线罩而言，采用芳纶纸蜂窝夹芯结构的天线罩设计可以实现大幅减重，蜂窝夹芯的复合材料结构的比刚度和比强度远大于实心复合材料结构。由此可见，蜂窝夹芯的复合材料结构形式有利于天线罩的轻量化设计。

（责任编辑：张  琼）

参考文献：

[1]韦生文.A型夹芯复合材料在地面雷达天线罩中的应用[J].电子机械工程，2006（04）：47-49.

[2]王兴业，曾竞成.夹层结构复合材料设计原理及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]方芳.先进复合材料在雷达上的应用[J].电子机械工程，2013（01）：28-31+54.

[4]张京，朱永明.无人机天线罩成型工艺研究[J].电子机械工程，2011（06）：46-48.

[5]沈观林，胡更开.复合材料力学[M].北京：清华大学出版社，2006.

[6]杜强，杜平安.天线风载的数值模拟分析[J].现代雷达，2009（03）：77-80.