一种高温工作的有源天线结构设计

李志新　杨锋周　闫晋宏　张景瑞

摘要：文章基于热防护技术，通过隔热结构设计和耐高温天线罩及隔热材料的选择，提出了一种飞行器载耐高温有源天线的一体化设计方案，并对隔热结构进行了仿真和分析。结果表明，该方案具有可行性，能为后续耐高温有源天线的设计提供参考。

关键词：有源天线；热防护技术；隔热结构；有限元分析

中图分类号：U172.6文献标志码：A0引言随着航空航天技术的进步，飞行器速度不断提升，气动加热导致表面环境迅速恶化，其瞬时加热的速度可达到120℃/s以上［1］，加之对电子设备功能和性能要求的提升，小型化、集成化程度越来越高，在很小的体积内安装的电子设备数量和密度日益增加。受安装空间限制，飞行器内部安装的电子设备与蒙皮之间间距减小，甚至与之共型，典型的电子设备如需要与外界通过电磁波通信的天线类产品。这种环境对天线类产品的结构设计提出了更高的要求，在气动加热的高温工作阶段，天线结构需保持稳定，并同时还要具有良好的電气性能，保证天线的正常工作。

针对耐高温天线设计，人们进行了大量的研究。罗超［2］基于高超声速飞行器平台，通过机-电-热耦合分析的方法，设计了一种1×8耐高温共形承载阵列天线结构。该结构具有一定的承载能力，且电性能良好。刘胤廷等［3-4］提出了一种无焊接工艺的耐高温天线结构，可长时间稳定工作在400 ℃。然而，由于器件使用温度限制，上述设计方法不适用于有源天线设计。方伟等［5］通过选用陶瓷透波材料和二氧化硅气凝胶复合材料，设计了一种隔热结构，有效地控制了传导至天线体和馈线位置的温度，并通过试验验证，达到了设计目标。李燚［6］针对高超音速弹载短时耐高温无源天线，通过选择高性能隔热透波材料，设计了合理的透波隔热天线罩结构，并采用石英红外射灯阵列模拟气动加热的高温试验，测试了产品的热防护性能测试，验证了该隔热方案的可靠性和有效性。Rao等［7］采用隔热材料填充的设计方法，实现了无源天线在高温下的工作。王晓飞［8］对高速飞行器天线的设计进行了介绍和总结，整理和分析了高速飞行器天线的性能需求，对其未来的设计方案及发展方向进行了展望。本文基于热防护技术，通过隔热设计，开发了一种耐高温工作的某飞行器载有源卫星导航天线，并通过隔热仿真分析，验证了设计方案的合理性和可行性。

1天线隔热结构设计

1.1天线概述某飞行器载有源卫星导航天线，用于接收卫星信号。结构形式为天线单元与低噪声放大器PCB贴装，通过插针焊接实现馈电，低噪声放大器腔体与底板采用螺钉安装，通过安装在低噪声放大器腔体上的射频连接器实现通信和供电。

有源卫星导航天线设计有天线罩，用于保护天线单元及低噪声放大器单元不受外界恶劣环境的影响，天线罩外表面与飞行器蒙皮共型设计。根据飞行器飞行和工作条件，蒙皮表面最高温度接近600 ℃，总工作时长超过15 min，其中，约5 min处于气动加热状态，同时，飞行器内部由于其他发热器件的影响，所有电子设备工作环境同样处于600 ℃以上高温状态。由于飞行器内部电子设备较多，天线安装空间有限，无法将天线单元和低噪声放大器单元分离设计，因此，需要同时解决天线单元和低噪声放大器单元在高温下可正常工作的难点。天线单元设计时，设计人员需考虑高温下结构和介电常数的稳定性，本次设计天线单元采用TF微波复合介质基板制造，使用温度范围为-80 ℃～+200 ℃；低噪声放大器单元设计时，对于有源低噪声放大器电路的器件，需选用耐高温器件，常用的低噪声放大器芯片最大结温不超过85 ℃，本次设计中选用的低噪声放大器器件最高结温均在125 ℃以上。

1.2隔热结构设计为保证天线单元与低噪声放大器工作在许可的温度范围之内，设计人员必须采用热防护技术，设计透波隔热结构，控制热量传递速度，保证有源卫星导航天线在工作时间内可靠工作。考虑到有源卫星导航天线使用过程中外表面直接承受高温加热，且安装时有源卫星导航天线结构四周与飞行器之间亦存在热传导现象，因此，在设计热防护结构时，天线单元和低噪声放大器四周均采用透波隔热材料填充。同时，由于距离天线单元越近，材料对天线单元性能影响越大，在与天线单元接触部分应选择介电常数尽可能低的材料。

目前，常用的耐高温透波隔热天线的防护结构多采用夹层结构，分为A、B和C 3类［6］，主要起隔热作用的是具有低导热系数的隔热层材料及其各层之间的热阻。根据非稳态传热理论，毕渥数Bi表征物体内部的传导热阻与穿过流体边界层的对流热阻之比，毕渥数Bi数值的大小反映了在非稳态导热条件下物体内温度场的分布规律，数值越大，物体内温度梯度越大。对于处于气动加热的天线而言，由于高温持续时间相对较短，只要毕渥数Bi足够大，天线内部温度梯度将非常大，传递至天线单元和低噪声放大器单元上的热量会变小。因此，除了选择低导热系数材料增加隔热结构本身热阻以外，也可通过增加隔热层数量，增加各隔热层之间的接触热阻。基于上述隔热设计理论，参考耐高温透波隔热天线防护结构的夹层设计方案，本天线隔热结构设计为多隔热层结构，依次分别为天线罩、隔热层1、隔热层2、隔热层3、天线单元、低噪声放大器、隔热层4和底板，如图1所示。

2材料的选择

2.1隔热材料概述研究人员将耐高温隔热材料定义为能承受或者使用温度超过650 ℃，且在高温下具有一定的力学性能和相对低的导热系数的材料，为改善此类材料的隔热能力和加工工艺性，科研人员投入了大量的精力进行研究，取得了诸多成果［9-10］。根据结构形式的不同，隔热材料可分为多孔型、纤维状以及纳米气凝胶3类［11］。多孔隔热材料是一种多孔隙、高热阻、低密度材料，由固体和不均匀分布在其上的大量细密的气孔组成，利用气孔阻止热量传递达到隔热的目的，如多孔陶瓷材料、泡沫复合材料等；纤维状隔热材料由单一或多种纤维复合材料加工而成的隔热材料，常见的如隔热瓦、陶瓷纤维隔热毡以及纳米纤维膜等，部分材料可作为结构件单独使用；纳米气凝胶隔热材料是由纳米颗粒聚集形成的纳米多孔三维结构，并在纳米孔隙中充满气态介质的固态材料［12］，其特点是低密度、高孔隙率、低导热率等，但其力学性能差，单独作为结构件直接使用相对困难，一般仅作为隔热材料与其他结构一起使用，这也限制了其在隔热方面的应用，常见的材料如二氧化硅气凝胶［13］。

2.2天线罩材料的选择天线罩作为直接承受由于气动加热而产生的高温热载荷的结构件以及天线辐射的窗口，其材料的选择直接影响产品性能指标。根据使用环境，耐高温天线罩材料的选择必须具备以下性能［14］：具有低介电常数和低介电损耗；良好的力学性能和抗热冲击性能；线胀系数低、弹性模量高，优异的抗热震；耐沙蚀、耐雨蚀、耐盐雾等；良好的可制造和加工性能，易于成型；密度相对较小，质轻。根据不同的成分，耐高温常用的材料主要有以下几类［15］：氧化铝体系、微晶玻璃体系、二氧化硅体系、氮化硅体系、氮化硼体系和磷酸盐体系等。

考虑到飞行器表面气动加热温度高且温度急剧变化，本天线罩设计采用氧化铝基复合材料，该材料具有可加工、强度高、硬度大、抗雨蚀、高温冲击下结构和电气性能稳定的特点。

2.3隔热材料的选择根据隔热结构设计分析，外界环境及安装固定时产生的载荷由天线罩承受，隔热层在天线罩内部，其主要作用在于阻止热量快速进入天线单元和低噪聲放大器单元，所受到的力学载荷较小，因此，隔热层对材料的刚度和强度等力学性能要求不高，要求在具有低导热系数的同时，为了保证天线单元的电气性能，必须具备良好的透波性能。

为实现天线在短时高温下可靠工作的目标，综合比对各种隔热材料性能，对如图1所示的各级隔热层材料选择如下：隔热层1采用透波性能较好、纤维增强的二氧化硅气凝胶复合材料［16］，最高使用温度可达650 ℃，常温时的热导率为0.018 W/（m·K），在最高使用温度650 ℃时的热导率仅为0.022 W/（m·K），介电常数低于2.5；由于二氧化硅气凝胶复合材料力学性能差，与之相邻的隔热层2采用玻璃纤维增强环氧板机加工成形，最高使用温度500 ℃，热导率0.38 W/（m·K），介电常数不大于4，隔热的同时，起到支撑二氧化硅气凝胶复合材料的作用；隔热层3由于和天线单元直接接触，对介电常数等电性能参数更加敏感，因此选用PMI泡沫［17］，介电常数为1.03～1.1，接近于空气，对天线单元电气性能的影响几乎可以忽略不计，最高使用温度220 ℃，热导率0.02 W/（m·K）；隔热层4同样采用玻璃纤维增强环氧板机加工成形，作为底部支撑结构的同时，隔离从底部传导至低噪声放大器单元的热量。上述材料均具有低的热导率和低的介电常数，综合性能良好。

2.4金属结构材料的选择在电子设备尤其是雷达装备及天线结构单元中，铝合金由于综合性能优异，通常作为首选的金属结构材料得到了广泛的应用［18］；而螺钉最常用的材质为不锈钢，在电子设备设计时，也通常选用不锈钢材质，在满足强度的前提下，成本低、通用性良好。然而，铝合金和不锈钢的热膨胀系数与天线单元、低噪声放大器单元、天线隔热层以及陶瓷天线罩等非金属材料相差较大［19］，在高温冲击下易产生热应力，使陶瓷天线罩存在因为热应力产生裂纹的风险。为减小温度冲击造成的由于金属材料和非金属材料热膨胀系数相差太大而引起的热应力，同时考虑导热性能，低噪声放大器腔体、底板和安装螺钉等金属结构均采用与非金属材料热膨胀系数接近的钛合金制造。钛合金由于具有与非金属材料很接近的热膨胀系数，且导热系数比铝合金低一个数量级，在剧烈的温度冲击的工作环境下，可保证天线单元、低噪声放大器单元和陶瓷天线罩等非金属材料结构的稳定性和可靠性。

3隔热仿真分析为验证隔热结构设计的可行性，本设计利用有限元分析软件对其进行仿真分析。有限元模型计算精度、所需要的资源及计算时间与网格数量相关，数量越多，所需要的资源和计算时间越长，精度越高，当数量达到一定程度之后，所需要的资源和计算成本会成倍增加，然而计算精度并未有显著提升。同时，对于特别复杂的结构，网格划分会异常困难，网格质量差，甚至会出现异常导致计算不收敛。为了节约计算资源和计算成本，有必要对结构实体模型进行简化。本文主要对结构设计模型进行以下几个方面的假设和简化。

（1）假设螺钉连接可靠，忽略连接安装螺钉特征。

（2）由于结构上倒角、圆角和螺纹孔等特征对热传导影响较小，忽略结构倒角和小孔等特征。

（3）忽略内部之间各部件间的热辐射。

（4）有源天线主要发热器件为低噪声放大器，但其产生的热量远远小于气动加热产生的热量，本次设计忽略低噪声放大器工作中产生的热量。

（5）由于低噪声放大器PCBA上元器件及接插件对热传导影响小，忽略低噪声放大器PCBA上所有元器件以及接插件的影响。

（6）PCB板为多层电路板，每一层敷铜比例不尽相同，长度和宽度导热性能较厚度方向高，在设计中将其等效为厚度方向与长度和宽度方向导热系数不同的导热材料。

基于上述假设和简化，在三维设计软件中简化结构实体模型，将简化后的三维实体模型导入有限元软件，并添加材料属性，主要材料的性能参数如表1所示。同时，对导入的有限元模型进行网格划分，并根据温度-时间曲线，选择在天线罩外表面施加温度载荷，设置环境温度为60 ℃后进行计算。

经过仿真计算，研究组得到各部分温度随时间变化的关系。本次设计主要关注传递至天线单元和低噪声放大器的温度，同时，鉴于隔热层3最高使用温度相对较低，因此，笔者提取隔热层3、天线单元和低噪声放大器的最高温度随时间变化曲线，如图2所示。

从图2可以看出，隔热层3、天线单元和低噪声放大器单元的温度均随施加在天线罩外层温度的变化而变化，呈现先明显增大后减小的趋势，与气动加热温度曲线相符，最高温度分别是152.04 ℃，108.41 ℃和111.24 ℃，均未达到其最高使用温度，有一定的温度冗余，能满足预期的设计要求。

4结语飞行器速度的提升，导致表面环境的恶化，同时对功能的需求日益增加，对性能急剧提升，加之安装空间狭小，集成化程度越来越高，散热条件有限，在此背景下，飞行器载共形耐高温天线成为研究重点之一。目前，受限于低噪声放大器芯片工作温度，耐高温导航天线多为无源天线，低噪声放大器与天线分离设计，通过空间距离提升温差，降低低噪声放大器单元处的温度，这种设计方案在解决耐高温的同时降低了空间利用率。因此，本文提出了一种飞行器载耐高温有源天线的一体化设计方案，通过对隔热结构的设计，基于隔热和天线单元电气需求，选择适合的隔热材料，并经过热仿真分析，天线可以满足预期的设计要求，为以后的这类有源耐高温天线结构设计提供参考。

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（编辑 王雪芬）

Structure design of active antenna that works in high-temperatureLi  Zhixin Yang  FengzhouYan  JinhongZhang  Jingrui

（1.iTHOR Inc， Xian 710065， China; 2.Xian Clarke Communication Technology

Co.， Ltd.， Xian 710100， China）Abstract： Based on thermal protection technology， through the design of heat insulation structure and the selection of high-temperature resistant radome and thermal insulation materials， an integrated design scheme of high-temperature resistant active antenna use on aircraft is put forward in this paper， and the thermal insulation structure is simulated and analyzed. The results show that the design scheme is feasible， which provides a reference for the design of subsequent high-temperature resistant active antenna.

Key words： active antenna; thermal protection technology; heat insulation structure; finite element analysis