摘? 要：在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)彈有著相當(dāng)重要的作用，因此，對(duì)于導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，對(duì)于導(dǎo)彈中的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)更是如此。要設(shè)計(jì)出一款性能優(yōu)異的導(dǎo)彈，需要綜合考慮多種因素，如空間尺寸與重量、抗振動(dòng)、電磁兼容等等。文章針對(duì)某型號(hào)電子設(shè)備的體積、重量、環(huán)境適應(yīng)性、耐振動(dòng)沖擊以及電磁兼容性等方面的嚴(yán)格要求，對(duì)結(jié)構(gòu)總體進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并給定新的布局方式，最終產(chǎn)品通過(guò)全部試驗(yàn)，證明設(shè)計(jì)是成功可行的，為其他類似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可靠的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：天線;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);衛(wèi)星天線

中圖分類號(hào)：TN957.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）02-0050-03

Abstract：In the modern war，the missile has a very important role，the missile design requirements are increasingly high. This is especially true for the design of electronic systems in missiles. To design a missile with excellent performance，many factors need to be considered，such as space size and weight，anti-vibration，electromagnetic compatibility and so on. In this paper a type of electronic equipment is based on the size，weight，environmental adaptability，resistance to impact and vibration electromagnetic compatibility of harsh requirements，the structure of general modular design and a new way of layout，the final product by all test，proved the feasibility of design is successful，provides the reliable design for other similar product experience.

Keywords：antenna;structure design;satellite antenna

0? 引? 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，導(dǎo)彈在軍事上得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代高新技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)彈戰(zhàn)的地位越來(lái)越突出，對(duì)電子系統(tǒng)的功能要求也在不斷提高，使得其裝載的設(shè)備數(shù)量不斷增加。導(dǎo)彈搭載設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有著特殊的要求，主要表現(xiàn)在：

（1）在空間尺寸和重量方面要求苛刻;

（2）飛行階段，特別是最后的發(fā)射階段，設(shè)備遭受的沖擊、振動(dòng)等非常巨大，所以抗振動(dòng)設(shè)計(jì)尤為重要;

（3）設(shè)備的密集安裝，使得導(dǎo)彈設(shè)備艙內(nèi)的電磁環(huán)境變得復(fù)雜，在一個(gè)有限的面積和空間內(nèi)，電子設(shè)備要能夠互不干擾、協(xié)調(diào)地正常工作，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理有效的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

1? 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航天線包括天線及接收機(jī)，基本上位于長(zhǎng)軸XX乘以短軸XX的橢球體的1/4體積內(nèi)，如圖1所示，空間十分狹小。設(shè)計(jì)要求天線陣面傾斜角為一固定值，接收機(jī)在最靠近橢球體中心面，安裝在底座上，底座通過(guò)四個(gè)螺釘與支撐板連接。信號(hào)及電源插頭位置也是相對(duì)固定的。如此，模塊布置的自由度有所降低，對(duì)空間利用提出了更大的挑戰(zhàn)。為充分利用空間，不同模塊間分層布置，線路板面積越大的越靠近橢球體的中心面，在天線陣面下方形成的小腔體內(nèi)，完成設(shè)備內(nèi)部的連線。

天線結(jié)構(gòu)主要由天線陣、數(shù)字模塊、射頻模塊、電源模塊及接收機(jī)組成。

2? 抗沖振設(shè)計(jì)

2.1? 設(shè)計(jì)

在振動(dòng)環(huán)境下，因?yàn)檎駝?dòng)的疲勞效應(yīng)及共振現(xiàn)象，電子設(shè)備會(huì)出現(xiàn)指標(biāo)性能下降、零部件疲勞破壞甚至失效的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在引起機(jī)載（彈載）電子設(shè)備失效的環(huán)境因素中，振動(dòng)因素約占27%。所以，必須對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗振動(dòng)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力來(lái)保證其性能和可靠性。

在不同的振源和振動(dòng)環(huán)境下，振動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響是不同的。由于該天線屬于彈載設(shè)備，受到的強(qiáng)迫振動(dòng)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)及其噪音、外部的氣動(dòng)擾流，其次是著陸、滑行、氣動(dòng)抖振等引起的振動(dòng)，總體來(lái)看，設(shè)備所處的振動(dòng)環(huán)境是寬帶隨機(jī)振動(dòng)，垂直方向與水平方向的激勵(lì)量值相當(dāng)。所以，抗沖振設(shè)計(jì)主要是兩方面內(nèi)容：

（1）“優(yōu)化”使用環(huán)境，使傳遞到設(shè)備上的振動(dòng)越少越好，進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì);

（2）改善設(shè)備自身?xiàng)l件，采用提高系統(tǒng)剛度、增加阻尼，調(diào)整自振頻率等辦法提高其抗振性。

天線的盒體采用鋁合金2A12，密度低，又有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度大，便于加工;是綜合性能優(yōu)良并在航空航天中廣泛應(yīng)用的鋁材。

對(duì)于高可靠、短壽命的小型彈載天線，阻尼橡膠減振器因其良好的成熟使用經(jīng)驗(yàn)成為首先要考慮選用的，但是由于該天線空間實(shí)在有限，根本沒(méi)有地方安裝，只能采取緊固件的直接聯(lián)結(jié)方式。

綜合考慮這些情況，采取了如下抗沖振措施：改變質(zhì)量分布來(lái)提高結(jié)構(gòu)件的剛度;所有元器件緊貼印制板面安裝，對(duì)大質(zhì)量的元器件采取硅膠和結(jié)構(gòu)防護(hù)的雙重辦法，陣子下面的射頻線纜局部采用硅膠和導(dǎo)線槽壓板來(lái)固定……;所有聯(lián)結(jié)螺釘均規(guī)定力矩值來(lái)安裝，并且涂抹適量螺紋膠。

2.2? 模態(tài)分析

為了避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，應(yīng)使設(shè)備的固有頻率盡量避開(kāi)激勵(lì)頻率。但在寬帶振動(dòng)環(huán)境中，這是很難做到的，只能降低共振峰值、傳遞率和相關(guān)耦合率。因此，利用對(duì)系統(tǒng)及內(nèi)部構(gòu)件的固有頻率和模態(tài)分析的結(jié)果，通過(guò)改變質(zhì)量分布等手段來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

首先在三維軟件CREO中建立分析模型。由于實(shí)際裝配體的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，如果完全按實(shí)物建立有限元模型，往往是不必要的，有時(shí)甚至是不可能的。所以，建立區(qū)別于實(shí)際模型的分析模型是第一步，常常不同的分析需要不同的模型。比如，有時(shí)候會(huì)將零部件上的一些細(xì)節(jié)特征做壓縮處理。這些特征的壓縮不能影響到所要進(jìn)行分析的模型的特性，也就是說(shuō)，強(qiáng)度分析的時(shí)候能壓縮的就是包括圓角、棱角、小的槽和定位孔等一類的修飾特征;在模態(tài)分析或熱分析的時(shí)候，可以壓縮的特征并不適用于強(qiáng)度分析，比如在模態(tài)分析中，那些能夠產(chǎn)生應(yīng)力集中的特征是完全可以忽略的，因?yàn)槠洳⒉挥绊憚偠龋趶?qiáng)度分析中卻是不可以的。這就是說(shuō)，要具體情況具體分析。另外，在每一次分析之前，壓縮模型的特征也是不可取的。

此次分析均采用3D實(shí)體單元solid164單元，為8節(jié)點(diǎn)六面體單元;螺釘與被連接件之間采用GLUE處理，經(jīng)驗(yàn)表明這樣的簡(jiǎn)化是可以接受的。底座螺釘處采用全約束處理。網(wǎng)格采用自由劃分方法，局部細(xì)化處理，細(xì)化部位的不同對(duì)結(jié)果稍有小小的影響，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，共有768822個(gè)單元、176427個(gè)節(jié)點(diǎn)。固有頻率分析結(jié)果如圖3所示。

在ANSYS默認(rèn)的設(shè)定中，在分析還沒(méi)開(kāi)始的時(shí)候，3D分析模型的不同零部件間接觸關(guān)系已經(jīng)被軟件自行定義好了：接觸區(qū)域被指定為面面關(guān)系。這個(gè)默認(rèn)的設(shè)定可以更改，但是這種面面關(guān)系屬性適用于大多數(shù)的接觸情況。

3? 電磁兼容性設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的電磁兼容性需要將整個(gè)產(chǎn)品作為系統(tǒng)來(lái)考慮。

由于該天線主要由PCB與結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。因此，電磁干擾源與敏感源是PCB，電磁兼容性既跟元器件的選擇相關(guān)，也跟PCB的布線有很大的關(guān)系。如果PCB設(shè)計(jì)得好，可對(duì)結(jié)構(gòu)件的屏蔽設(shè)計(jì)要求降低，結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的難度和成本就低一些;否則的話，僅僅依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)是不可能的。

而要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品不干擾其他產(chǎn)品，就要切斷電磁干擾的耦合通道，采用合適的屏蔽手段，使用連續(xù)導(dǎo)電材料將發(fā)射源及敏感源包裝起來(lái)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中電磁兼容設(shè)計(jì)最有效的手段之一，既保證了產(chǎn)品不向外發(fā)射干擾信號(hào)，也可對(duì)其他干擾源產(chǎn)生抑制作用。

在該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，形成了很多小的腔體，將不同“源頭”隔離開(kāi)來(lái)。另外，采用高標(biāo)準(zhǔn)的加工精度，使盒蓋與盒體的間隙盡可能小;另外，螺釘越密，屏蔽效果越好，但螺釘太多會(huì)提高加工及裝配成本。所以，在該天線盒體內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)螺釘進(jìn)行等距排布，使用的最大螺釘為M2，間距一般小于15 d（d為螺釘公稱直徑），即最大間距不會(huì)超過(guò)30 mm，螺釘?shù)拈g距均滿足安裝強(qiáng)度要求，材料為弱磁的304不銹鋼。此外，還較多地使用深縫隙結(jié)構(gòu)，即在結(jié)構(gòu)面接觸部位設(shè)計(jì)了“凸起”部分，保證了各個(gè)模塊間的相互“獨(dú)立”。

在內(nèi)部導(dǎo)線集中的天線反射板下面，通過(guò)各個(gè)盒體的邊緣突起形成了屏蔽的腔體，再在反射板后面挖槽固定鋁銀導(dǎo)電橡膠條，其具有的彈性特性既保證了導(dǎo)線的物理隔離，有利于通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)，還增強(qiáng)了產(chǎn)品的電磁兼容性能。

4? 熱設(shè)計(jì)

整機(jī)功耗、器件的布置及其使用環(huán)境是決定該設(shè)備能否長(zhǎng)期可靠工作的一個(gè)重要因素，散熱問(wèn)題主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)解決，在緊湊的空間內(nèi)，優(yōu)選自然冷卻方式進(jìn)行散熱。

對(duì)于該天線，發(fā)熱器件主要集中在數(shù)字電路板上，且器件均直接焊接在電路板上，其中電源芯片功率為3 W，ARM、DXP芯片的功率為0.5 W，射頻板的信號(hào)放大器的功率較小，約為0.1 W。

經(jīng)計(jì)算，天線整體的體積發(fā)熱功率系數(shù)為0.011 W/cm3;小于經(jīng)典的導(dǎo)熱體積功率發(fā)熱系數(shù)（0.122 W/cm3）。因此，采取金屬導(dǎo)熱的冷卻方式。處理好關(guān)鍵功率器件的發(fā)熱問(wèn)題，就能解決整機(jī)的散熱問(wèn)題。

將導(dǎo)熱絕緣膠墊加在芯片與盒體蓋板之間，通過(guò)尺寸過(guò)盈來(lái)增加壓力可以有效地減小接觸熱阻，使熱量傳導(dǎo)到鋁盒體上來(lái)達(dá)到散熱目的。

發(fā)熱器件生熱率為實(shí)際功率與體積的比值，分別設(shè)為1.35e6，0.4e6，1e6 w/m3。設(shè)置如表1所示。

環(huán)境溫度設(shè)置為333 K，空氣對(duì)流系數(shù)為6 W/（m2·℃）。

在虛擬樣機(jī)階段，對(duì)電子設(shè)備模塊及時(shí)地進(jìn)行熱仿真，有助于獲取優(yōu)良的散熱效果，使之能夠滿足軍用環(huán)境的需求。散熱主要通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行，由于狹小的密閉空間，熱對(duì)流等導(dǎo)熱方式予以忽略。

仿真結(jié)果如圖4所示，顯示溫度最高處在發(fā)熱器件上：375.2 K，滿足彈載使用環(huán)境要求。

5? 三防設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)，要避免電位差大的金屬件的直接接觸，如銅件和鋁件的直接接觸，防止引起金屬間的電化學(xué)腐蝕，因?yàn)殂~鋁之間在潮氣和其他雜質(zhì)的作用下極易形成電解液，同時(shí)接觸電阻也增大，最后可能產(chǎn)生發(fā)熱、燒毀等事故。所以，銅件采用鍍金處理，鋁合金表面均采用化學(xué)導(dǎo)電氧化處理來(lái)避免此類問(wèn)題。緊固件材料均為不銹鋼。對(duì)低頻電路板，噴涂進(jìn)口聚氨酯清漆進(jìn)行保護(hù)。

在天線安裝面裝有密封膠條，使產(chǎn)品內(nèi)部與外界完全隔離。這些措施可以保證天線的三防能力。

6? 結(jié)? 論

彈載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，文中對(duì)某彈載天線的結(jié)構(gòu)的各方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，各種實(shí)測(cè)試驗(yàn)的通過(guò)證明了此設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性。隨著彈載電子設(shè)備的需求和技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)更多各種功能強(qiáng)大的電子設(shè)備，設(shè)計(jì)師將面臨更多的挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方面還有很多技術(shù)需要進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介：李國(guó)勇（1979-），男，漢族，山西平原人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：電子設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。