一種輕量化天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所, 安徽 合肥 230088)

0 引言

天線單元是相控陣?yán)走_(dá)的核心組成部分，用于發(fā)射與接收電磁信號(hào)，多個(gè)天線單元以陣列方式構(gòu)成相控陣?yán)走_(dá)天線陣面。常用天線單元主要分為漸變開槽式天線、階梯開槽天線、金屬對(duì)稱振子天線、印刷振子天線、微帶貼片天線以及開口波導(dǎo)天線[1]。其中微帶天線具有重量輕、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其剛強(qiáng)度與環(huán)境適應(yīng)性差。通常將微帶天線固定在金屬支撐上，再安裝到天線骨架上，可有效提升其剛強(qiáng)度。同時(shí)，通過合適的共地設(shè)計(jì)以滿足陣面天線單元間共地要求。目前復(fù)合材料大量應(yīng)用于輕量化天線設(shè)計(jì)[2-4]。其中，文獻(xiàn)[5]對(duì)泡沫芯層厚度、蒙皮厚度、鋪層角度與強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行了定量分析。針對(duì)某機(jī)載雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，在此提出一種輕量化天線單元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用“蒙皮+泡沫支撐+微帶天線”的3層復(fù)合結(jié)構(gòu)型式。

1 天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某機(jī)載雷達(dá)天線陣面采用相控陣體制，天線陣面主要由天線單元、反射板、功分網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備組成。其中，天線單元采用N行×M列布局在反射板正面，功分網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備安裝在反射板背面；功分網(wǎng)絡(luò)連接器垂直穿過反射板后，與天線單元金屬層焊接以保持信號(hào)連接，如圖1所示。

天線單元主體采用微帶型式，最大外形為395 mm(長)×190 mm(高)，厚度為1.524 mm，微帶天線通過金屬支架安裝在反射板上。支架為T型結(jié)構(gòu)，材料選用鋁合金。一方面，為避免支架對(duì)天線單元性能的影響，支架設(shè)計(jì)高度小于20 mm，安裝位置需確保支架邊緣距離最近微帶線大于10 mm。另一方面，受系統(tǒng)重量指標(biāo)限制，需要對(duì)微帶天線單元進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)最小外形包絡(luò)與非功能區(qū)域局部減輕孔。

圖1 天線單元安裝示意

受限于功能要求，T型支架尺寸較小，而微帶天線單元平面尺寸大、厚度薄，支架難以滿足機(jī)載振動(dòng)條件下對(duì)天線單元的剛強(qiáng)度要求。因此，需要對(duì)天線單元進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度，同時(shí)又不能增加過多重量。

由于天線單元數(shù)量較多，在選擇改進(jìn)設(shè)計(jì)方法時(shí)，還需要考慮到工藝實(shí)現(xiàn)，以確保生產(chǎn)周期與成本。根據(jù)微帶天線單元結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，主要考慮通過增加天線單元整體厚度來提升其剛度。

圖2 天線單元結(jié)構(gòu)組成示意

根據(jù)復(fù)合材料成型特點(diǎn)，提出“蒙皮+泡沫支撐+微帶天線”的3層復(fù)合結(jié)構(gòu)型式。最終天線單元結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示，微帶天線通過螺釘與T型支架固接；泡沫支撐分前后2層，每層厚度5 mm，微帶天線嵌在泡沫支撐內(nèi)部；泡沫支撐外表面鋪設(shè)防水Tedlar膜與玻璃纖維。其中，泡沫支撐選用力學(xué)性能良好、熱穩(wěn)定性好、耐化學(xué)性高的ROHACELL型發(fā)泡材料；蒙皮選用透波性能好的玻璃纖維。天線單元最終總重量約148 g，主體厚度為10.6 mm。

2 天線單元接地設(shè)計(jì)

為確保天線陣面具有良好的電性能指標(biāo)，天線單元還需考慮接地設(shè)計(jì)。本天線單元的接地設(shè)計(jì)主要包括反射板上各天線單元之間的共地設(shè)計(jì)和天線單元與對(duì)應(yīng)功分網(wǎng)絡(luò)之間的共地設(shè)計(jì)。

受天線系統(tǒng)重量指標(biāo)限制，天線反射板采用“碳纖維復(fù)合材料蒙皮+泡沫芯層+預(yù)埋件”的結(jié)構(gòu)型式，但由于復(fù)合材料本身的介電常數(shù)較低，且多層蒙皮之間敷設(shè)有膠膜，導(dǎo)致反射板導(dǎo)電性能差，難以滿足天線單元接地要求。為解決此問題，主要采取以下2種措施：(1)在反射板的蒙皮下敷設(shè)1層金屬網(wǎng)，同時(shí)將金屬網(wǎng)與預(yù)埋件焊接在一起(如圖3所示，該預(yù)埋件另一面設(shè)計(jì)有功分網(wǎng)絡(luò)的安裝孔)，從而將全陣面的設(shè)備地連通；(2)改進(jìn)功分網(wǎng)絡(luò)的連接器設(shè)計(jì)，如圖4所示，即在原連接器外導(dǎo)體上，設(shè)計(jì)一接地片，該接地片與微帶天線的地線進(jìn)行焊接，從而確保天線單元與相應(yīng)功分網(wǎng)絡(luò)的共地。

圖3 接地網(wǎng)示意

圖4 連接器示意

3 仿真分析與優(yōu)化

天線單元作為整個(gè)天線系統(tǒng)的一部分，隨天線系統(tǒng)整體進(jìn)行力學(xué)分析。分析的工況主要是功能振動(dòng)與公路運(yùn)輸振動(dòng)，兩者均為隨機(jī)振動(dòng)。以天線陣面方位向?yàn)閄向，俯仰向?yàn)閅向，陣面法向?yàn)閆向，相互關(guān)系由右手定則決定。

考慮功能振動(dòng)在X，Y，Z方向的振動(dòng)量級(jí)相同，公路運(yùn)輸振動(dòng)在Y向的振動(dòng)量級(jí)遠(yuǎn)大于X，Z向，且天線單元相對(duì)于反射板為懸臂結(jié)構(gòu)，其薄弱點(diǎn)在T型支架處，結(jié)合天線系統(tǒng)裝機(jī)與運(yùn)輸狀態(tài)，重點(diǎn)核算Y向振動(dòng)時(shí)，天線單元的變形與T型支架強(qiáng)度。T型支架材料為鋁5A06，屈服強(qiáng)度為145 MPa；核算安全裕度時(shí)以3σ應(yīng)力校核，安全系數(shù)取1.5。

Y向功能振動(dòng)仿真結(jié)果：天線單元最大變形位于頂端約1.02 mm，T型支架的最大應(yīng)力位于根部為89.8 MPa(1σ)，安全裕度小于0。Y向公路運(yùn)輸振動(dòng)仿真結(jié)果：天線單元最大變形位于頂端為1.76 mm，最大應(yīng)力位于根部為323 MPa(1σ)，已經(jīng)超過了材料屈服強(qiáng)度。

從仿真結(jié)果可以看出，功能振動(dòng)時(shí)，T型支架的安全裕度偏低，存在安全隱患；而公路運(yùn)輸振動(dòng)時(shí)，T型支架不滿足強(qiáng)度要求，且應(yīng)力過大。根據(jù)分析結(jié)果可知：

a.改進(jìn)T型支架設(shè)計(jì)，增強(qiáng)局部強(qiáng)度，并將材料由5A06改為7075(屈服強(qiáng)度為440 MPa)，提升其屈服強(qiáng)度。

b.改進(jìn)包裝箱設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其整體剛度，減少對(duì)天線單元的振動(dòng)量級(jí)放大倍數(shù)；同時(shí)將天線系統(tǒng)由立式安裝改為平躺式安裝，將最大振動(dòng)量級(jí)避開支架的薄弱位置。

支架改進(jìn)后如圖5所示，主要是將倒角改為圓角、側(cè)面增加加強(qiáng)筋、底面加厚等，單個(gè)支架約增加3.7 g，經(jīng)核算可以滿足系統(tǒng)重量要求。

圖5 支架改進(jìn)前后示意

改進(jìn)后，Y向功能振動(dòng)仿真結(jié)果如圖6所示，天線單元最大變形位于頂端約0.122 mm，T型支架的最大應(yīng)力位于根部為12.1 MPa(1σ)，安全裕度為7.1。Y向公路運(yùn)輸振動(dòng)仿真結(jié)果如圖7所示，天線單元最大變形位于頂端為0.31 mm，最大應(yīng)力位于根部為15.6 MPa(1σ)，安全裕度為5.3。從仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)滿足要求。

圖6 改進(jìn)后的Y向功能振動(dòng)仿真結(jié)果

圖7 改進(jìn)后的Y向公路運(yùn)輸振動(dòng)仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

振動(dòng)試驗(yàn)分為功能振動(dòng)、公路運(yùn)輸振動(dòng)以及耐久振動(dòng)3部分。功能振動(dòng)、公路運(yùn)輸振動(dòng)隨天線系統(tǒng)整體進(jìn)行試驗(yàn)，如圖8所示。其中功能振動(dòng)試驗(yàn)前、中、后需要對(duì)天線單元的駐波進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)后檢查天線單元狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。通過對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)前、中、后的天線單元駐波數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，各天線單元的駐波數(shù)據(jù)整體一致性與頻帶內(nèi)最大駐波值基本一致。

圖8 改進(jìn)后的Y向公路運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)

由于耐久振動(dòng)屬于破壞性試驗(yàn)，同時(shí)天線系統(tǒng)體積大，對(duì)振動(dòng)臺(tái)的要求比較高，故針對(duì)單個(gè)天線單元進(jìn)行耐久振動(dòng)試驗(yàn)。為與真實(shí)振動(dòng)情況匹配，需要根據(jù)仿真分析及在功能振動(dòng)試驗(yàn)中的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行處理：仿真分析結(jié)果表明，反射板的量級(jí)放大約為1.3倍，故在試驗(yàn)量值上均按1.3倍處理；根據(jù)功能試驗(yàn)中的測(cè)試數(shù)據(jù)，用共振頻率點(diǎn)代替試驗(yàn)大綱中相近頻率；根據(jù)響應(yīng)數(shù)據(jù)，將共振頻率的試驗(yàn)量值調(diào)整為反射板的共振響應(yīng)量值。

耐久振動(dòng)試驗(yàn)如圖9所示，經(jīng)過9.5 h的耐久振動(dòng)試驗(yàn)后，天線單元狀態(tài)完好，無結(jié)構(gòu)性損傷。

圖9 改進(jìn)后的Y向耐久振動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)大綱要求，天線單元隨天線系統(tǒng)先后開展其他各類環(huán)境試驗(yàn)及電性能測(cè)試等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明天線單元設(shè)計(jì)滿足要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)微帶天線特點(diǎn)，提出“蒙皮+泡沫支撐+微帶天線”的3層復(fù)合結(jié)構(gòu)型式，從而解決輕量化與剛強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性之間的矛盾。通過仿真分析，對(duì)天線單元的支架進(jìn)行改進(jìn)，并通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。此方法為其他類似天線單元輕量化設(shè)計(jì)提供參考。另外，通過合理的包裝箱設(shè)計(jì)與運(yùn)輸放置方式，可有效減少運(yùn)輸振動(dòng)對(duì)天線單元的振動(dòng)放大量級(jí)，減小最大應(yīng)力，從而降低對(duì)天線單元的研制要求。

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