張 磊(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種機(jī)載衛(wèi)通天線的一體化設(shè)計(jì)方法

張 磊
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

主要介紹了一種機(jī)載衛(wèi)通天線的一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，并采用有限元方法對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明一體化設(shè)計(jì)方法，提升了結(jié)構(gòu)整體的固有頻率與動(dòng)態(tài)特性。研究?jī)?nèi)容對(duì)機(jī)載天線的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

機(jī)載衛(wèi)通天線；一體化設(shè)計(jì)；固有頻率；動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)載衛(wèi)通天線需要更好的動(dòng)態(tài)跟蹤特性，同時(shí)機(jī)載天線面臨非常惡劣的寬帶隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境[1]。為了解決機(jī)載衛(wèi)通天線結(jié)構(gòu)的尺寸重量和動(dòng)態(tài)特性之間存在的相互矛盾，相互制約的問(wèn)題。有必要對(duì)機(jī)載衛(wèi)通天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，減輕結(jié)構(gòu)重量并提高天線的動(dòng)態(tài)性能。

本文采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，將機(jī)載衛(wèi)通天線的各功能模塊進(jìn)行模塊化分拆，與天線座架支臂進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，并采用有限元分析方法對(duì)機(jī)載天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析與隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。

1 機(jī)載衛(wèi)通天線的一體化設(shè)計(jì)

目前，傳統(tǒng)機(jī)載衛(wèi)通天線座架的設(shè)計(jì)形式為在U型架上安裝伺服控制、接收機(jī)、功放等功能器件。每個(gè)器件都會(huì)由于電磁兼容等要求設(shè)計(jì)各自單獨(dú)的盒體，尤其是功放單元需要大面積的散熱片和散熱風(fēng)扇。

為了能夠完全滿足機(jī)載衛(wèi)通天線的使用要求，對(duì)傳統(tǒng)的天線座架進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)載天線座架的一體化設(shè)計(jì)

在天線座架的設(shè)計(jì)中，將天線座架結(jié)構(gòu)與伺服控制、接收機(jī)、上下變頻、衛(wèi)通功放等功能模塊進(jìn)行了一體化集成設(shè)計(jì)，并將衛(wèi)通功放散熱模塊布置為支臂的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，新的設(shè)計(jì)方案充分利用了設(shè)備盒體的結(jié)構(gòu)，縮短了天線座架的跨距，增加了天線座架的剛度。

傳統(tǒng)的機(jī)載天線座架結(jié)構(gòu)與一體化設(shè)計(jì)的天線座架結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)機(jī)載天線座架結(jié)構(gòu) 圖3 一體化設(shè)計(jì)的天線座架結(jié)構(gòu)

1.2 天線固有頻率的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過(guò)固有頻率的影響機(jī)理分析，依據(jù)兩條原則開(kāi)展設(shè)計(jì)，即提高結(jié)構(gòu)剛度，減小系統(tǒng)的慣量[2]。并將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)與天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)影響系統(tǒng)諧振頻率的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足各功能模塊合理布局的前提下，實(shí)現(xiàn)了材料剛度分布的再優(yōu)化，提升了結(jié)構(gòu)整體的諧振頻率與動(dòng)態(tài)特性[3]。

2 天線結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真

此機(jī)載衛(wèi)通天線系統(tǒng)由天線反射面和座架兩大部分組成：天線反射面部分主要由反射體、饋源、托架和極化旋轉(zhuǎn)裝置等組成；天線座架部分主要由U型架、方位和俯仰驅(qū)動(dòng)組合等組成[4]。由天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，采用實(shí)體建模的方法，建立了其力學(xué)分析模型。

2.1 天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)天線結(jié)構(gòu)的模態(tài)仿真分析，一體化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)載衛(wèi)通天線結(jié)構(gòu)的前三階固有頻率值見(jiàn)表 1。圖 4～圖 6為對(duì)應(yīng)的前三階模態(tài)振型圖。

表1 天線固有頻率

圖4 天線第一階模態(tài) 圖5 天線第二階模態(tài)

圖6 天線第三階模態(tài)

2.2 天線結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析

在天線結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析中，按照實(shí)際使用要求中最嚴(yán)苛的耐久振動(dòng)施加了振動(dòng)載荷。耐久振動(dòng)譜值如表 2所示。圖 7～圖 9為天線結(jié)構(gòu)在振動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力云圖。

表2 耐久振動(dòng)試驗(yàn)譜值

圖7 天線整體應(yīng)力圖(水平X方向振動(dòng)) 圖8 天線整體應(yīng)力圖(水平Y(jié)方向振動(dòng))

圖9 天線整體應(yīng)力圖(垂直Z方向振動(dòng))

由動(dòng)力學(xué)仿真分析的結(jié)果可以看出，采用一體化設(shè)計(jì)方法的天線結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)整體的第一階固有頻率提高了約60%，最大應(yīng)力也有所下降，另外天線結(jié)構(gòu)整體在三個(gè)方向的動(dòng)載荷作用下，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的局部薄弱環(huán)節(jié)，天線整體的抗振性能有所提高。

3 結(jié)論

本文在進(jìn)行機(jī)載衛(wèi)通天線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)與天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)影響系統(tǒng)諧振頻率的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足各功能模塊合理布局的前提下，實(shí)現(xiàn)了材料剛度分布的再優(yōu)化。通過(guò)一體化技術(shù)設(shè)計(jì)的天線完全滿足機(jī)載衛(wèi)通天線的使用要求，并且結(jié)構(gòu)重量、動(dòng)態(tài)跟蹤特性、抗振性能、結(jié)構(gòu)外觀等都得到了優(yōu)化提升。

[1] 喬山林．機(jī)載雷達(dá)天線座模態(tài)分析與試驗(yàn)研究[D]．南京理工大學(xué)，2011．

[2] 諸德超，邢譽(yù)峰．工程振動(dòng)基礎(chǔ)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004．

[3] 吳風(fēng)高．天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986．

[4] 葉尚輝，李在貴．天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986．

The integrated design method of airborne satellite communication antenna

ZHANG Lei
(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The integrated design technology of airborne satellite communication antenna was discussed. Simultaneously dynamic performance of antenna structure was obtained using FEA simulation method. The results show that natural frequency and dynamic characteristic of antenna have been improved using integrated design.The research has guiding significance for the design of the airborne antenna.

Airborne satellite communication antenna；Integrated design；Natural frequency；Dynamic analysis

2017-05-12

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB821800)；國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作與交流項(xiàng)目(11261140641)

張 磊(1982-)，男，博士，工程師，主要從事天伺饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)與有限元分析.郵箱：18033867866@189.cn

1001-9383(2017)02-0034-04

TP29

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