郭黎，劉永濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第38 研究所，安徽 合肥 230031)

0 引言

在當(dāng)前衛(wèi)星應(yīng)急通信領(lǐng)域中，“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)在公安、武警、消防、氣象等部門得到了廣泛的應(yīng)用。所謂動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指載體(例如汽車、火車、飛機(jī)、輪船等)在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)通信的系統(tǒng)。本文介紹的是某車載動(dòng)中通樣機(jī)天線為了適應(yīng)市場(chǎng)化要求，快速達(dá)到可直接推向市場(chǎng)的商品化產(chǎn)品。充分發(fā)揮工業(yè)設(shè)計(jì)思想，在外觀造型［1］、結(jié)構(gòu)工藝以及成本控制方面的一些改進(jìn)。

1 改進(jìn)原則

a)在形態(tài)上，結(jié)合其主要的安裝載體是CRV 類越野車車型，應(yīng)在滿足功能的基礎(chǔ)上達(dá)到載車本身的造型協(xié)調(diào)、呼應(yīng)?？蓞⒖紘?guó)內(nèi)外動(dòng)中通天線造型風(fēng)格，以適應(yīng)同類設(shè)計(jì)潮流性。

b)在功能性上，保證樣機(jī)各設(shè)備的安裝接口。天線罩要滿足上面樣機(jī)圓形凸臺(tái)材料能透波，下方基座部分可以不透波。

2 方法概述

樣機(jī)動(dòng)中通天線主要由天線罩、天線、匯流環(huán)、回轉(zhuǎn)支撐、天線單元、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微波器件及GPS 等設(shè)備組成。為了簡(jiǎn)化內(nèi)部設(shè)備與天線罩之間的復(fù)雜約束關(guān)系，將內(nèi)部設(shè)備簡(jiǎn)化表示成包絡(luò)，這樣在外觀造型設(shè)計(jì)時(shí)僅需考慮包絡(luò)與外觀殼體間的接口關(guān)系。其簡(jiǎn)化示意圖如圖1 所示。在外觀造型設(shè)計(jì)上結(jié)合國(guó)際設(shè)計(jì)潮流風(fēng)格，從形、色、質(zhì)等方面著手，并考慮其工程化的可行性。同時(shí)為了保證研發(fā)的周期和直接開(kāi)模的風(fēng)險(xiǎn)，利用快速成型技術(shù)完成了天線罩底座的設(shè)計(jì)加工。

圖1 內(nèi)部設(shè)備包絡(luò)示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 天線罩外觀造型設(shè)計(jì)

正樣天線罩整體造型采用流線形造型，將一切“瑣碎”如天線、板卡、匯流環(huán)、插線孔等包容其中，顯得緊湊景致，表面上下部分的腰線進(jìn)行了錯(cuò)位設(shè)計(jì)，這樣可淡化上部圓臺(tái)透波罩的死板與單調(diào)，為了和車身上的金屬質(zhì)感相呼應(yīng)，腰線采用鍍鉻非金屬膠條，顯得高檔的金屬質(zhì)感，達(dá)到整體造型協(xié)調(diào)一致的效果。腰線采用充滿自由和張力的三維曲線，其自由強(qiáng)度更為自然、也更具有生活氣息，富有節(jié)奏韻律的美感。就像產(chǎn)品的表情融合在整體造型中。在基座部分往里挖，采用減法設(shè)計(jì)在統(tǒng)一中尋求變化。漏出下面的虛空間，可使整體顯的輕盈。在尺寸上保持了原來(lái)透波罩的高度，保證與原來(lái)內(nèi)部設(shè)備的安裝的兼容性。其初樣與正樣的外觀對(duì)比如圖2、圖3 所示。

3.2 防水密封設(shè)計(jì)

在上下殼體接縫處，在下殼體邊緣增加U 形密封槽，內(nèi)部放置直徑3 mm 的O 型密封圈來(lái)保證上下蓋的密封問(wèn)題。在天線罩與注塑底座的連接形式上，為了保證上下殼體的緊密性和一致性，通過(guò)頂蓋和底座對(duì)應(yīng)增加圓型凸臺(tái)(22 處)，通過(guò)底部反上M5 內(nèi)六角螺栓進(jìn)行固定。緊固點(diǎn)布局原則根據(jù)中軸線對(duì)稱布置，并分為內(nèi)外兩圈進(jìn)行布置。保證受力均勻，其局部連接形式圖如圖4 所示。

圖4 密封結(jié)構(gòu)示意圖

另外，因殼體表面跨度大，在邊緣出會(huì)產(chǎn)生收縮問(wèn)題，為了防止這一現(xiàn)象，在下底座邊緣處均布楔形筋。同時(shí)針對(duì)底部平面處增加放射性環(huán)型筋來(lái)保證整個(gè)殼體的平面一致性問(wèn)題。在局部如下底座與頂蓋連接的圓型筋，最高處達(dá)55 mm 左右，為了防止其開(kāi)裂，在圓柱四周增加十字楔形筋進(jìn)行加強(qiáng)來(lái)保證。

3.3 熱設(shè)計(jì)［2］

由于發(fā)射系統(tǒng)安裝在與外殼有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，且工作在一個(gè)空間較小的密封罩殼里，加上由于太陽(yáng)輻射而導(dǎo)入的熱量，擬采用兩組風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式來(lái)進(jìn)行散熱，以保證天線罩內(nèi)溫度不超過(guò)70 ℃，其方法簡(jiǎn)單可靠、成本低。

電子設(shè)備中的發(fā)熱元器件盡量貼壁安裝，使其產(chǎn)生的熱量可以傳導(dǎo)至外殼。利用金屬殼體和艙內(nèi)空氣的熱容量，輔以向外進(jìn)行熱輻射來(lái)保證天線系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正常工作。

a)熱設(shè)計(jì)輸入

單個(gè)功率放大器發(fā)熱量QW=8.3 W;

功率放大器表面發(fā)射率ε:0.9;

環(huán)境溫度:50 ℃;

功率放大器工作溫度限制≤75 ℃;

b)熱設(shè)計(jì)計(jì)算

1)天線罩內(nèi)總發(fā)熱量:

2)天線罩接收的太陽(yáng)輻射熱:

式中，F(xiàn)A—天線罩的頂面積，F(xiàn)A=0.635 8 m2

A—天線罩外表面對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收率(如果沒(méi)有加熱控涂層，A=0.9;如果選用熱控涂層，可以將其表面控制到輻射率ε=0.87;吸收率A=0.16)。

3)天線罩外表面對(duì)環(huán)境的自然對(duì)流換熱量:

式中，hout—對(duì)流換熱系數(shù)(若車處于停車狀態(tài)，hout為自然對(duì)流換熱系數(shù)，取3.5);

F—為天線罩外表面積，F(xiàn)=1.0 m2;

t2—天線罩外表面的溫度;

t 環(huán)—環(huán)境溫度，為50 ℃。

4)天線罩對(duì)環(huán)境的輻射換熱量

式中，ε—天線罩外表面輻射率(若加熱控涂層ε=0.87，不加選0.9)

5)天線罩內(nèi)表面的溫度

整個(gè)天線罩看作δ=0.02 m 均勻的壁，天線罩由復(fù)合材料制成，λ=0.7 W/m·K

6)以天線罩為研究對(duì)象，據(jù)能量守恒

7)天線罩內(nèi)部的空氣溫度tin

天線罩內(nèi)壁與箱內(nèi)空氣的對(duì)流熱量

式中，tin—天線罩內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)(若無(wú)風(fēng)機(jī)，tin=3.5;若增加風(fēng)機(jī)在內(nèi)部攪動(dòng)則取tin=10)。

天線罩內(nèi)壁對(duì)天線罩內(nèi)空氣的輻射得熱量Q4－1

8)散熱器的表面溫度tw_qj

器件帶0.05×0.045，翅片厚0.001 2，間隙為0.003，高0.01 的散熱器。

散熱器對(duì)箱內(nèi)空氣的輻射散熱量

式中，Δtw—為散熱器與功率管之間的溫差，取Δtw=4 ℃

聯(lián)解(1)～(13)，得

車在停止情況下(hout=3.5)，無(wú)熱控涂層，內(nèi)部有風(fēng)機(jī)時(shí):

天線罩外表面接收的太陽(yáng)輻射熱量Q2=640.9 W

傳入天線罩內(nèi)部的熱量Q2_傳=249.08 W

天線罩內(nèi)部的空氣溫度tin=83.12 ℃

看來(lái)太陽(yáng)輻射熱是影響天線罩內(nèi)溫度的重要因素，必須要采取有效的措施將太陽(yáng)輻射熱阻隔出去。

方案:在天線罩外表面涂白漆，該白漆的吸收率A=0.16，輻射率ε=0.87 可以將天線罩表面接收到太陽(yáng)輻射熱由640.9 W 降到113.9 W。

Q3=43.3 W，Q4=87.2 W

t2=62.32 ℃，t1=62.36 ℃，

tin=63.18 ℃，tw_qj=73.74 ℃

熱分析得出此方案的天線罩內(nèi)部溫度為59～64 ℃。滿足內(nèi)部電子設(shè)備溫度適應(yīng)性要求(圖5)。

圖5 內(nèi)部電子設(shè)備溫度

4 成本控制

考慮到后續(xù)商品化需求，外殼和天線罩改進(jìn)方案的重點(diǎn)在于必須進(jìn)一步優(yōu)化外觀造型、控制成本和兼顧批量化生產(chǎn)要求。綜合考慮結(jié)合本單位現(xiàn)有能力和利用社會(huì)資源，針對(duì)改進(jìn)后的外殼和天線罩研制，外殼為一體化天線罩與下座兩部分組成，天線罩采用A 夾層結(jié)構(gòu)，利用鑄鋁模胎凹模成型，外表面涂疏水性耐候漆。經(jīng)比較，初樣天線罩和底座平均2 萬(wàn)元/套，正樣天線罩與下殼體模具費(fèi)約35 萬(wàn)，推向市場(chǎng)后。按50 套計(jì)算每套為7 000 元，節(jié)約成本約65%。

5 結(jié)語(yǔ)

正樣動(dòng)中通天線罩為了達(dá)到快速可推向市場(chǎng)的成熟商品化產(chǎn)品的要求，通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)在外觀造型上有了較大提升。同時(shí)通過(guò)防水密封、通風(fēng)散熱等手段使得電子設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性得到了保證。該系統(tǒng)目前已經(jīng)通過(guò)產(chǎn)品各項(xiàng)例試，性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，正在豐富產(chǎn)品系列和模塊化的過(guò)程中。

［1］裴文開(kāi).工業(yè)造型設(shè)計(jì)［M］.成都:成都科學(xué)技術(shù)出版社.

［2］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京:東南大學(xué)出版社.