一種高溫工作的有源天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

李志新　楊鋒周　閆晉宏　張景瑞

摘要：文章基于熱防護技術(shù)，通過隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計和耐高溫天線罩及隔熱材料的選擇，提出了一種飛行器載耐高溫有源天線的一體化設(shè)計方案，并對隔熱結(jié)構(gòu)進行了仿真和分析。結(jié)果表明，該方案具有可行性，能為后續(xù)耐高溫有源天線的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：有源天線；熱防護技術(shù)；隔熱結(jié)構(gòu)；有限元分析

中圖分類號：U172.6文獻標志碼：A0引言隨著航空航天技術(shù)的進步，飛行器速度不斷提升，氣動加熱導(dǎo)致表面環(huán)境迅速惡化，其瞬時加熱的速度可達到120℃/s以上［1］，加之對電子設(shè)備功能和性能要求的提升，小型化、集成化程度越來越高，在很小的體積內(nèi)安裝的電子設(shè)備數(shù)量和密度日益增加。受安裝空間限制，飛行器內(nèi)部安裝的電子設(shè)備與蒙皮之間間距減小，甚至與之共型，典型的電子設(shè)備如需要與外界通過電磁波通信的天線類產(chǎn)品。這種環(huán)境對天線類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，在氣動加熱的高溫工作階段，天線結(jié)構(gòu)需保持穩(wěn)定，并同時還要具有良好的電氣性能，保證天線的正常工作。

針對耐高溫天線設(shè)計，人們進行了大量的研究。羅超［2］基于高超聲速飛行器平臺，通過機-電-熱耦合分析的方法，設(shè)計了一種1×8耐高溫共形承載陣列天線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有一定的承載能力，且電性能良好。劉胤廷等［3-4］提出了一種無焊接工藝的耐高溫天線結(jié)構(gòu)，可長時間穩(wěn)定工作在400 ℃。然而，由于器件使用溫度限制，上述設(shè)計方法不適用于有源天線設(shè)計。方偉等［5］通過選用陶瓷透波材料和二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，設(shè)計了一種隔熱結(jié)構(gòu)，有效地控制了傳導(dǎo)至天線體和饋線位置的溫度，并通過試驗驗證，達到了設(shè)計目標。李燚［6］針對高超音速彈載短時耐高溫?zé)o源天線，通過選擇高性能隔熱透波材料，設(shè)計了合理的透波隔熱天線罩結(jié)構(gòu)，并采用石英紅外射燈陣列模擬氣動加熱的高溫試驗，測試了產(chǎn)品的熱防護性能測試，驗證了該隔熱方案的可靠性和有效性。Rao等［7］采用隔熱材料填充的設(shè)計方法，實現(xiàn)了無源天線在高溫下的工作。王曉飛［8］對高速飛行器天線的設(shè)計進行了介紹和總結(jié)，整理和分析了高速飛行器天線的性能需求，對其未來的設(shè)計方案及發(fā)展方向進行了展望。本文基于熱防護技術(shù)，通過隔熱設(shè)計，開發(fā)了一種耐高溫工作的某飛行器載有源衛(wèi)星導(dǎo)航天線，并通過隔熱仿真分析，驗證了設(shè)計方案的合理性和可行性。

1天線隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1天線概述某飛行器載有源衛(wèi)星導(dǎo)航天線，用于接收衛(wèi)星信號。結(jié)構(gòu)形式為天線單元與低噪聲放大器PCB貼裝，通過插針焊接實現(xiàn)饋電，低噪聲放大器腔體與底板采用螺釘安裝，通過安裝在低噪聲放大器腔體上的射頻連接器實現(xiàn)通信和供電。

有源衛(wèi)星導(dǎo)航天線設(shè)計有天線罩，用于保護天線單元及低噪聲放大器單元不受外界惡劣環(huán)境的影響，天線罩外表面與飛行器蒙皮共型設(shè)計。根據(jù)飛行器飛行和工作條件，蒙皮表面最高溫度接近600 ℃，總工作時長超過15 min，其中，約5 min處于氣動加熱狀態(tài)，同時，飛行器內(nèi)部由于其他發(fā)熱器件的影響，所有電子設(shè)備工作環(huán)境同樣處于600 ℃以上高溫狀態(tài)。由于飛行器內(nèi)部電子設(shè)備較多，天線安裝空間有限，無法將天線單元和低噪聲放大器單元分離設(shè)計，因此，需要同時解決天線單元和低噪聲放大器單元在高溫下可正常工作的難點。天線單元設(shè)計時，設(shè)計人員需考慮高溫下結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)的穩(wěn)定性，本次設(shè)計天線單元采用TF微波復(fù)合介質(zhì)基板制造，使用溫度范圍為-80 ℃～+200 ℃；低噪聲放大器單元設(shè)計時，對于有源低噪聲放大器電路的器件，需選用耐高溫器件，常用的低噪聲放大器芯片最大結(jié)溫不超過85 ℃，本次設(shè)計中選用的低噪聲放大器器件最高結(jié)溫均在125 ℃以上。

1.2隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計為保證天線單元與低噪聲放大器工作在許可的溫度范圍之內(nèi)，設(shè)計人員必須采用熱防護技術(shù)，設(shè)計透波隔熱結(jié)構(gòu)，控制熱量傳遞速度，保證有源衛(wèi)星導(dǎo)航天線在工作時間內(nèi)可靠工作?？紤]到有源衛(wèi)星導(dǎo)航天線使用過程中外表面直接承受高溫加熱，且安裝時有源衛(wèi)星導(dǎo)航天線結(jié)構(gòu)四周與飛行器之間亦存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，因此，在設(shè)計熱防護結(jié)構(gòu)時，天線單元和低噪聲放大器四周均采用透波隔熱材料填充。同時，由于距離天線單元越近，材料對天線單元性能影響越大，在與天線單元接觸部分應(yīng)選擇介電常數(shù)盡可能低的材料。

目前，常用的耐高溫透波隔熱天線的防護結(jié)構(gòu)多采用夾層結(jié)構(gòu)，分為A、B和C 3類［6］，主要起隔熱作用的是具有低導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱層材料及其各層之間的熱阻。根據(jù)非穩(wěn)態(tài)傳熱理論，畢渥數(shù)Bi表征物體內(nèi)部的傳導(dǎo)熱阻與穿過流體邊界層的對流熱阻之比，畢渥數(shù)Bi數(shù)值的大小反映了在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下物體內(nèi)溫度場的分布規(guī)律，數(shù)值越大，物體內(nèi)溫度梯度越大。對于處于氣動加熱的天線而言，由于高溫持續(xù)時間相對較短，只要畢渥數(shù)Bi足夠大，天線內(nèi)部溫度梯度將非常大，傳遞至天線單元和低噪聲放大器單元上的熱量會變小。因此，除了選擇低導(dǎo)熱系數(shù)材料增加隔熱結(jié)構(gòu)本身熱阻以外，也可通過增加隔熱層數(shù)量，增加各隔熱層之間的接觸熱阻。基于上述隔熱設(shè)計理論，參考耐高溫透波隔熱天線防護結(jié)構(gòu)的夾層設(shè)計方案，本天線隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計為多隔熱層結(jié)構(gòu)，依次分別為天線罩、隔熱層1、隔熱層2、隔熱層3、天線單元、低噪聲放大器、隔熱層4和底板，如圖1所示。

2材料的選擇

2.1隔熱材料概述研究人員將耐高溫隔熱材料定義為能承受或者使用溫度超過650 ℃，且在高溫下具有一定的力學(xué)性能和相對低的導(dǎo)熱系數(shù)的材料，為改善此類材料的隔熱能力和加工工藝性，科研人員投入了大量的精力進行研究，取得了諸多成果［9-10］。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，隔熱材料可分為多孔型、纖維狀以及納米氣凝膠3類［11］。多孔隔熱材料是一種多孔隙、高熱阻、低密度材料，由固體和不均勻分布在其上的大量細密的氣孔組成，利用氣孔阻止熱量傳遞達到隔熱的目的，如多孔陶瓷材料、泡沫復(fù)合材料等；纖維狀隔熱材料由單一或多種纖維復(fù)合材料加工而成的隔熱材料，常見的如隔熱瓦、陶瓷纖維隔熱氈以及納米纖維膜等，部分材料可作為結(jié)構(gòu)件單獨使用；納米氣凝膠隔熱材料是由納米顆粒聚集形成的納米多孔三維結(jié)構(gòu)，并在納米孔隙中充滿氣態(tài)介質(zhì)的固態(tài)材料［12］，其特點是低密度、高孔隙率、低導(dǎo)熱率等，但其力學(xué)性能差，單獨作為結(jié)構(gòu)件直接使用相對困難，一般僅作為隔熱材料與其他結(jié)構(gòu)一起使用，這也限制了其在隔熱方面的應(yīng)用，常見的材料如二氧化硅氣凝膠［13］。

2.2天線罩材料的選擇天線罩作為直接承受由于氣動加熱而產(chǎn)生的高溫?zé)彷d荷的結(jié)構(gòu)件以及天線輻射的窗口，其材料的選擇直接影響產(chǎn)品性能指標。根據(jù)使用環(huán)境，耐高溫天線罩材料的選擇必須具備以下性能［14］：具有低介電常數(shù)和低介電損耗；良好的力學(xué)性能和抗熱沖擊性能；線脹系數(shù)低、彈性模量高，優(yōu)異的抗熱震；耐沙蝕、耐雨蝕、耐鹽霧等；良好的可制造和加工性能，易于成型；密度相對較小，質(zhì)輕。根據(jù)不同的成分，耐高溫常用的材料主要有以下幾類［15］：氧化鋁體系、微晶玻璃體系、二氧化硅體系、氮化硅體系、氮化硼體系和磷酸鹽體系等。

考慮到飛行器表面氣動加熱溫度高且溫度急劇變化，本天線罩設(shè)計采用氧化鋁基復(fù)合材料，該材料具有可加工、強度高、硬度大、抗雨蝕、高溫沖擊下結(jié)構(gòu)和電氣性能穩(wěn)定的特點。

2.3隔熱材料的選擇根據(jù)隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，外界環(huán)境及安裝固定時產(chǎn)生的載荷由天線罩承受，隔熱層在天線罩內(nèi)部，其主要作用在于阻止熱量快速進入天線單元和低噪聲放大器單元，所受到的力學(xué)載荷較小，因此，隔熱層對材料的剛度和強度等力學(xué)性能要求不高，要求在具有低導(dǎo)熱系數(shù)的同時，為了保證天線單元的電氣性能，必須具備良好的透波性能。

為實現(xiàn)天線在短時高溫下可靠工作的目標，綜合比對各種隔熱材料性能，對如圖1所示的各級隔熱層材料選擇如下：隔熱層1采用透波性能較好、纖維增強的二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料［16］，最高使用溫度可達650 ℃，常溫時的熱導(dǎo)率為0.018 W/（m·K），在最高使用溫度650 ℃時的熱導(dǎo)率僅為0.022 W/（m·K），介電常數(shù)低于2.5；由于二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料力學(xué)性能差，與之相鄰的隔熱層2采用玻璃纖維增強環(huán)氧板機加工成形，最高使用溫度500 ℃，熱導(dǎo)率0.38 W/（m·K），介電常數(shù)不大于4，隔熱的同時，起到支撐二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的作用；隔熱層3由于和天線單元直接接觸，對介電常數(shù)等電性能參數(shù)更加敏感，因此選用PMI泡沫［17］，介電常數(shù)為1.03～1.1，接近于空氣，對天線單元電氣性能的影響幾乎可以忽略不計，最高使用溫度220 ℃，熱導(dǎo)率0.02 W/（m·K）；隔熱層4同樣采用玻璃纖維增強環(huán)氧板機加工成形，作為底部支撐結(jié)構(gòu)的同時，隔離從底部傳導(dǎo)至低噪聲放大器單元的熱量。上述材料均具有低的熱導(dǎo)率和低的介電常數(shù)，綜合性能良好。

2.4金屬結(jié)構(gòu)材料的選擇在電子設(shè)備尤其是雷達裝備及天線結(jié)構(gòu)單元中，鋁合金由于綜合性能優(yōu)異，通常作為首選的金屬結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛的應(yīng)用［18］；而螺釘最常用的材質(zhì)為不銹鋼，在電子設(shè)備設(shè)計時，也通常選用不銹鋼材質(zhì)，在滿足強度的前提下，成本低、通用性良好。然而，鋁合金和不銹鋼的熱膨脹系數(shù)與天線單元、低噪聲放大器單元、天線隔熱層以及陶瓷天線罩等非金屬材料相差較大［19］，在高溫沖擊下易產(chǎn)生熱應(yīng)力，使陶瓷天線罩存在因為熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。為減小溫度沖擊造成的由于金屬材料和非金屬材料熱膨脹系數(shù)相差太大而引起的熱應(yīng)力，同時考慮導(dǎo)熱性能，低噪聲放大器腔體、底板和安裝螺釘?shù)冉饘俳Y(jié)構(gòu)均采用與非金屬材料熱膨脹系數(shù)接近的鈦合金制造。鈦合金由于具有與非金屬材料很接近的熱膨脹系數(shù)，且導(dǎo)熱系數(shù)比鋁合金低一個數(shù)量級，在劇烈的溫度沖擊的工作環(huán)境下，可保證天線單元、低噪聲放大器單元和陶瓷天線罩等非金屬材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

3隔熱仿真分析為驗證隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，本設(shè)計利用有限元分析軟件對其進行仿真分析。有限元模型計算精度、所需要的資源及計算時間與網(wǎng)格數(shù)量相關(guān)，數(shù)量越多，所需要的資源和計算時間越長，精度越高，當數(shù)量達到一定程度之后，所需要的資源和計算成本會成倍增加，然而計算精度并未有顯著提升。同時，對于特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分會異常困難，網(wǎng)格質(zhì)量差，甚至?xí)霈F(xiàn)異常導(dǎo)致計算不收斂。為了節(jié)約計算資源和計算成本，有必要對結(jié)構(gòu)實體模型進行簡化。本文主要對結(jié)構(gòu)設(shè)計模型進行以下幾個方面的假設(shè)和簡化。

（1）假設(shè)螺釘連接可靠，忽略連接安裝螺釘特征。

（2）由于結(jié)構(gòu)上倒角、圓角和螺紋孔等特征對熱傳導(dǎo)影響較小，忽略結(jié)構(gòu)倒角和小孔等特征。

（3）忽略內(nèi)部之間各部件間的熱輻射。

（4）有源天線主要發(fā)熱器件為低噪聲放大器，但其產(chǎn)生的熱量遠遠小于氣動加熱產(chǎn)生的熱量，本次設(shè)計忽略低噪聲放大器工作中產(chǎn)生的熱量。

（5）由于低噪聲放大器PCBA上元器件及接插件對熱傳導(dǎo)影響小，忽略低噪聲放大器PCBA上所有元器件以及接插件的影響。

（6）PCB板為多層電路板，每一層敷銅比例不盡相同，長度和寬度導(dǎo)熱性能較厚度方向高，在設(shè)計中將其等效為厚度方向與長度和寬度方向?qū)嵯禂?shù)不同的導(dǎo)熱材料。

基于上述假設(shè)和簡化，在三維設(shè)計軟件中簡化結(jié)構(gòu)實體模型，將簡化后的三維實體模型導(dǎo)入有限元軟件，并添加材料屬性，主要材料的性能參數(shù)如表1所示。同時，對導(dǎo)入的有限元模型進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)溫度-時間曲線，選擇在天線罩外表面施加溫度載荷，設(shè)置環(huán)境溫度為60 ℃后進行計算。

經(jīng)過仿真計算，研究組得到各部分溫度隨時間變化的關(guān)系。本次設(shè)計主要關(guān)注傳遞至天線單元和低噪聲放大器的溫度，同時，鑒于隔熱層3最高使用溫度相對較低，因此，筆者提取隔熱層3、天線單元和低噪聲放大器的最高溫度隨時間變化曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，隔熱層3、天線單元和低噪聲放大器單元的溫度均隨施加在天線罩外層溫度的變化而變化，呈現(xiàn)先明顯增大后減小的趨勢，與氣動加熱溫度曲線相符，最高溫度分別是152.04 ℃，108.41 ℃和111.24 ℃，均未達到其最高使用溫度，有一定的溫度冗余，能滿足預(yù)期的設(shè)計要求。

4結(jié)語飛行器速度的提升，導(dǎo)致表面環(huán)境的惡化，同時對功能的需求日益增加，對性能急劇提升，加之安裝空間狹小，集成化程度越來越高，散熱條件有限，在此背景下，飛行器載共形耐高溫天線成為研究重點之一。目前，受限于低噪聲放大器芯片工作溫度，耐高溫導(dǎo)航天線多為無源天線，低噪聲放大器與天線分離設(shè)計，通過空間距離提升溫差，降低低噪聲放大器單元處的溫度，這種設(shè)計方案在解決耐高溫的同時降低了空間利用率。因此，本文提出了一種飛行器載耐高溫有源天線的一體化設(shè)計方案，通過對隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，基于隔熱和天線單元電氣需求，選擇適合的隔熱材料，并經(jīng)過熱仿真分析，天線可以滿足預(yù)期的設(shè)計要求，為以后的這類有源耐高溫天線結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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（編輯 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