一種機載對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)設計

朱海波，王景琰，張海福

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍32069部隊天津軍事代表室，天津 300211)

0 引言

近年來，越來越多設備選擇以飛機作為工作平臺，天線作為機載設備的一部分[1]，是機載系統(tǒng)與外界進行信號交換的重要設備[2]。

機載天線除了完成所需的電性能外，還要滿足飛機工作導致的環(huán)境適應性要求[3]。機載天線在實際工作過程中需承受來自載機發(fā)動機機械振動、噴氣噪聲、飛機的飛行姿態(tài)以及起飛、著陸等因素產(chǎn)生的振動和沖擊[4]。上述工作環(huán)境對電子設備造成的危害主要有以下2種[5]:其一，結(jié)構(gòu)和工藝性破壞，如結(jié)構(gòu)件的疲勞、斷裂、磨損，連接件的松動、分離等；其二，功能和性能性破壞，包括工作失靈、性能降低及超出容差范圍等[6]。

如果機載天線自身承受沖擊、振動性能較差，在使用過程中導致故障產(chǎn)生會影響整個飛機的作戰(zhàn)性能[7]。為了保證機載天線的可靠性，必須對其結(jié)構(gòu)進行抗振動設計[8]。

1 機載天線結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)需求，通過電磁仿真軟件設計了結(jié)構(gòu)為雙對數(shù)周期天線的模型，由于該天線為機載天線，要承受飛機工作過程中所產(chǎn)生的振動和沖擊[9]，該天線電磁性能由其結(jié)構(gòu)形狀實現(xiàn)，所以天線良好的抗沖擊和振動性能是其可靠工作的基礎[10]。

通過電磁仿真，設計了該天線的初步模型，如圖1所示。針對電磁仿真模型，直接將模型根據(jù)可加工方案設計了天線的實際三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)工程經(jīng)驗并經(jīng)過分析認為圖2中天線陣子與中間支架連接存在多處應力集中部位，并且各個主要零件使用螺釘連接降低了螺釘連接處結(jié)構(gòu)的可靠性。在天線工作過程中，應力集中處必然成為天線破壞點[11]，同時按照仿真模型天線生產(chǎn)加工實際產(chǎn)品需要拆分成許多零件，裝配過程中產(chǎn)生的裝配誤差同樣會影響天線的可靠性[12]。

圖1 初步天線仿真模型

圖2 天線初版模型

由于飛機起飛及工作過程中存在惡劣的沖擊和振動環(huán)境，天線結(jié)構(gòu)的可靠性直接決定了天線的性能及使用壽命，因此，從增加天線結(jié)構(gòu)可靠性出發(fā)，對機載天線的仿真模型進行了優(yōu)化。

本天線由左右2個實現(xiàn)天線性能的對數(shù)周期天線及改善天線性能的底部反射腔組成。

為了降低零件配合及裝配誤差造成的應力集中及破壞，本次結(jié)構(gòu)設計中采用一體化設計，將左右天線的主體分別設計為一體成型的結(jié)構(gòu)方式，如圖3所示。

圖3 單個對數(shù)周期天線

同時，對易出現(xiàn)應力集中的部分采用圓角過渡的方式消除應力集中，由于機載設備重量要求苛刻，所以同時對非關鍵受力部位設計減重凹槽等方式進行結(jié)構(gòu)減重，并對天線工作過程中容易產(chǎn)生應力集中的薄弱部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的三維模型如圖4所示。

圖4 天線優(yōu)化模型

該天線加工材料選擇常用5A06系鋁合金[13]，其力學性能[14]如表1所示。該天線要求重量為8 kg，使用軟件預估重量為7.5 kg，滿足要求。

由于瀝青混凝土攤鋪施工一旦進行不允許中途中斷，因而需要選用適宜的運輸設備，保障拌和料等能夠及時送至運輸現(xiàn)場，同時最大程度地減少運輸次數(shù)與運輸成本，因此需要使用如下公式計算運輸車輛的具體裝卸能力以及運輸次數(shù)：

表1 5A06-F鋁合金力學性能

型號密度/(g.cm-3)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa彈性模量/GPa5A06-F2.6529516070

由于該機載天線工作時封閉于天線罩內(nèi)，環(huán)境適宜性無其他特殊要求，所以該天線涂鍍工藝按照鋁合金常用要求，采用表面按Al/Ct·Ocd導電氧化后，裸露面噴涂色漆的工藝。

本天線的最終目的是實現(xiàn)天線電磁性能，因此首先采用電磁仿真軟件對優(yōu)化后天線模型的駐波與增益進行了仿真，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后其駐波比與增益均在指標要求范圍內(nèi)。

2 隨機振動仿真分析

隨機振動分析是指采用功率譜密度作為輸入條件，以確定響應特定值出現(xiàn)概率的分析方法[15-16]。在設計過程中進行隨機振動仿真分析，可以得到其在力學環(huán)境條件下的動力學響應[17]。

由圖4可知該機載天線由2個對數(shù)周期天線和反射腔3個主要部分組成。

其中，天線陣反射腔與2個天線相比是一個相對獨立的部分，裝配時除了與天線連接，還將其直接固定在安裝支架上，同時反射腔側(cè)壁加裝了專門的固定支撐加固，所以反射腔具有較好的抗振性，而且仿真時反射腔對天線的振動性能影響不大，為降低仿真分析時占用的計算資源，仿真時略去反射腔。

為了使振動試驗效果與天線真實工作效果更貼近，設計了用于天線振動試驗的夾具[18-19]，并在仿真分析建模時帶入振動夾具模型，力求仿真更貼近天線實際工作情況，如圖5所示。根據(jù)表1在仿真軟件中設置材料的各項參數(shù)并根據(jù)GJB中機載設備振動試驗條件進行振動仿真分析。

圖6～圖8給出了天線各個軸向仿真分析應力分布、最大應力所在位置及最大應力值。

圖5 仿真模型

圖6 X軸向隨機振動應力

圖7 Y軸向隨機振動應力

圖8 Z軸向隨機振動應力

表2列出了各個軸向最大應力值，從力學仿真結(jié)果來看，該天線的最大應力出現(xiàn)在X軸向。

表2 各軸向最大應力

軸向XYZ最大應力(1σ/MPa)34.417.8516.66

根據(jù)表1給出的該天線所選用材料的物理性能，5A06系鋁合金的許用應力σ為：

σ=σs/n，

(1)

式中，σs為5A06系鋁合金的屈服強度，n取1.5～2.5，當n=2.5時，計算得出該材料的許用應力為64 MPa，此時該天線最大應力軸向的安全系數(shù)為許用應力與最大應力的比值，最終計算得出該天線的安全系數(shù)為1.86，滿足結(jié)構(gòu)設計中對安全系數(shù)的要求，因此該天線結(jié)構(gòu)可靠性通過仿真實驗驗證，滿足設計要求。

3 實物加工與試驗

針對上文所述雙對數(shù)周期天線數(shù)模，根據(jù)射頻線纜裝配方案及現(xiàn)有加工水平對天線及振動夾具進行了結(jié)構(gòu)拆分，并繪制圖紙加工實物，天線實物如圖9所示。

實測樣件重量為7.1 kg，相比軟件估計重量7.5 kg略輕，出現(xiàn)偏差的原因在于軟件中材料相關參數(shù)與實際情況有所偏差。

根據(jù)GJB要求機載設備振動條件(如圖10所示)及沖擊試驗條件(如圖11所示)，本天線進行了振動和沖擊試驗，采用振動試驗與沖擊試驗結(jié)合的試驗方式，其中振動試驗在3個軸向進行，每個軸向持續(xù)1 h，振動試驗結(jié)束后進行該軸向的沖擊試驗，試驗結(jié)束后再統(tǒng)一進行機械性能和外觀質(zhì)量檢查。

圖9 雙對數(shù)周期天線實物

圖10 振動試驗譜

圖11 后峰鋸齒沖擊脈沖波形

經(jīng)過試驗驗證，該天線結(jié)構(gòu)能滿足GJB規(guī)定的振動及沖擊要求。

4 結(jié)束語

設計了一種機載雙對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)，在保證電磁性能的前提下，通過對天線結(jié)構(gòu)部分進行優(yōu)化，消除應力集中隱患，對優(yōu)化后的三維模型采用仿真軟件進行振動仿真分析。仿真分析結(jié)果符合要求后加工天線樣件，根據(jù)GJB振動及沖擊試驗條件進行試驗驗證，結(jié)果證明設計的天線結(jié)構(gòu)能夠滿足抗振動和沖擊的要求，滿足機載使用。