無人機(jī)載有源相控陣天線一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

無人機(jī)載有源相控陣天線一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計李繼【期刊名稱】《《機(jī)械與電子》》【年(卷)，期】2019(037)008【總頁數(shù)】4頁(P47-49,54)【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計;熱設(shè)計;抗振動沖擊設(shè)計;電磁兼容設(shè)計【作者】李繼【作者單位】西南電子技術(shù)研究所四川成都610036【正文語種】中文【中圖分類】TH1220引言近年來，隨著我國航空技術(shù)的提升，無人機(jī)的發(fā)展非常迅速，無人機(jī)廣泛用于戰(zhàn)場偵察、通信中繼、電子對抗、空中打擊等諸多軍事行動［1］。由于無人機(jī)對航程、續(xù)航時間等性能指標(biāo)的嚴(yán)格要求，對無人機(jī)機(jī)載有源相控陣天線的小型化、輕量化、抗振性、電磁兼容性提出了更嚴(yán)苛的指標(biāo)，同時機(jī)載有源相控陣天線自身的熱流密度越來越大，這些特點使得機(jī)載有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度越來越大。1天線總體設(shè)計根據(jù)機(jī)載有源相控陣天線的功能、裝機(jī)要求，對天線整機(jī)結(jié)構(gòu)作了劃分，天線主要包含天線陣面、TR組件、波控模塊、電源模塊、終端模塊，如圖1所示。圖1某機(jī)載有源相控陣天線組成機(jī)載有源相控陣天線通常按照功能模塊直接設(shè)計相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，每個功能模塊均有自身的結(jié)構(gòu)件，這種設(shè)計的優(yōu)點是模塊獨立性高，總體分發(fā)任務(wù)以模塊形式分發(fā)，只需規(guī)定模塊外形尺寸、電氣接口、機(jī)械接口，簡單可靠；缺點是結(jié)構(gòu)件未充分利用，重量較重。因此采取了一體化設(shè)計的思路，將有源相控陣天線的天線陣面與T/R組件進(jìn)行集成設(shè)計，將波控模塊與電源模塊進(jìn)行集成設(shè)計。終端模塊在電氣性能上是天線收發(fā)信號的一個中轉(zhuǎn)處理站，通常將其安裝在載機(jī)上，通過電纜與天線進(jìn)行互聯(lián)，在此，直接將終端模塊集成安裝到天線上，兩者只需用電連接器進(jìn)行盲插，減少了兩者的互聯(lián)電纜。天線采用強迫風(fēng)冷散熱，為節(jié)省空間，將終端模塊的中間位置預(yù)留出來安裝風(fēng)機(jī)，再將終端模塊安裝在T/R組件上，利用T/R組件的散熱齒和終端模塊形成風(fēng)道，天線的總體布局如圖2所示。圖2天線的總體布局天線的工作頻段為S頻段、B1頻段，由于電氣性能要求，S頻段的天線輻射面的外形尺寸為380mmx380mmx5.6mm,B1頻段的天線輻射面的外形尺寸為60mmx60mmx7mm,根據(jù)一體化設(shè)計原則及電氣性能所要求的基本尺寸，天線的外形尺寸定為480mmx400mmx50mm,與同等性能指標(biāo)的天線相比，本天線的厚度尺寸僅為50mm，在平臺的裝機(jī)尺寸這一要素上具有競爭優(yōu)勢。天線在設(shè)計過程中充分進(jìn)行了減重設(shè)計，將結(jié)構(gòu)零件劃分為兩類，一類為輔助類零件，如蓋板等，此類零件主要起封閉模塊的作用，不承受較大的力，可局部銑薄減重；另一類為重要類零件，如模塊腔體等，此類零件主要起承載作用，進(jìn)行減重時需要設(shè)置加強筋保證結(jié)構(gòu)剛度。通過結(jié)構(gòu)減重設(shè)計，本天線的輔實際重量為6.2kg,滿足平臺的重量指標(biāo)。2天線熱設(shè)計熱設(shè)計的目的是控制電子設(shè)備內(nèi)部元器件的溫度，使元器件的工作溫度不超過其結(jié)溫，研究表明，55%以上電氣設(shè)備的失效是由于元器件溫度過高［2］。根據(jù)阿列紐斯定律［3］，元器件所處環(huán)境溫度每升高10°C,失效率就會增加一個數(shù)量級。因此，本天線的熱設(shè)計至關(guān)重要。進(jìn)行天線熱設(shè)計時，首先統(tǒng)計了天線各個模塊的相關(guān)器件的熱耗、器件的尺寸、器件的熱流密度等信息，其結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出T/R組件的放大器和終端模塊的FPGA熱流密度較高，本天線的高溫工作溫度是+70C,丁/日組件的放大器和終端模塊的FPGA在+70C的環(huán)境下正常工作需要有良好的導(dǎo)熱措施。本天線將T/R組件的功放芯片直接貼裝在印制板上，印制板設(shè)置有導(dǎo)熱過孔且導(dǎo)熱過孔內(nèi)填充銅柱，利用銅柱將熱量傳導(dǎo)至鋁合金散熱組件。終端模塊中的FPGA貼裝在印制板上，其散熱措施主要通過結(jié)構(gòu)件上的導(dǎo)熱凸臺進(jìn)行傳熱，導(dǎo)熱凸臺與器件面之間放置導(dǎo)熱襯墊以便降低接觸面的接觸熱阻。T/R組件與終端模塊通過相應(yīng)機(jī)械接口安裝在一起，可形成散熱風(fēng)道，器件產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)至風(fēng)道中，通過風(fēng)機(jī)抽風(fēng)的方式，將熱耗散至空氣中，完成散熱。表1主要發(fā)熱器件的信息統(tǒng)計器件所屬模塊熱耗/W外形尺寸/mm數(shù)量/個熱流密度/(W/cm2)放大器1T/R組件0.273x3x1483放大器2T/R組件0.34x4x1481.88放大器3T/R組件0.352x2x1328.75FPGA終端模塊1519x19x1.614.16電源芯片1電源模塊1044x32x710.71電源芯片2電源模塊625x25x1010.96平臺要求本天線的低溫工作溫度為-55C,選擇風(fēng)機(jī)存在一定難度，目前主流軸流風(fēng)機(jī)的工作溫度范圍為-20~+70C,選擇此類風(fēng)機(jī)直接在-551下工作，會存在低溫?zé)o法啟動，風(fēng)機(jī)失效的情況，而選擇能適應(yīng)-55CH作的定制風(fēng)機(jī)成本較高、周期較長。本天線采用軟件仿真的方法確定某個低溫溫度下天線可通過自然散熱的方式進(jìn)行正常工作，在此溫度下即可停止風(fēng)機(jī)工作。在電源模塊中加入溫控功能，當(dāng)環(huán)境溫度低于溫控預(yù)置值時，電源模塊停止給風(fēng)機(jī)供電。通過軟件仿真，得到此溫控預(yù)置值在風(fēng)機(jī)使用溫度范圍內(nèi)，滿足風(fēng)機(jī)正常工作的使用要求。通過此方法，可以提高風(fēng)機(jī)在低溫工作的可靠性及壽命。3天線抗振動沖擊設(shè)計振動是機(jī)載有源相控陣天線服役過程中必須承受的載荷，由于振動激勵頻率分布經(jīng)常與機(jī)載有源相控陣天線的共振頻率分布相重合或相接近，誘導(dǎo)天線共振而產(chǎn)生巨大的響應(yīng)，造成天線工程失效［4］。因此，本天線的抗振動沖擊至關(guān)重要。本天線通過航標(biāo)螺釘直接裝在飛機(jī)平臺上，沒有減振器，因此天線自身必須具有較強的抗沖振能力。本天線通過一體化設(shè)計思路，采用共腔設(shè)計原則，將5個功能模塊劃分成3個獨立模塊，其中天線陣面與T/R組件、波控單元與電源模塊均采用共腔設(shè)計。共腔設(shè)計不僅減少了結(jié)構(gòu)件的重量及體積，還提高組成模塊的集成密度及剛強度。模塊內(nèi)的印制板合理布置與模塊腔體連接的螺釘數(shù)量及位置，合理數(shù)量的螺裝約束能搞提供印制板的結(jié)構(gòu)剛度，有效降低振動沖擊條件下印制板內(nèi)的振動響應(yīng)，為印制板內(nèi)各個器件的正常工作提供一個良好的環(huán)境。固定螺釘均采取了防松措施，盤頭螺釘需要與彈墊、平墊配套使用，沉頭螺釘需要加螺紋膠進(jìn)行防松脫處理。同時，根據(jù)工程經(jīng)驗，對振動比較敏感的晶振進(jìn)行機(jī)械加固，如圖3所示。對器件高度超過4mm的振動易損壞的元器件進(jìn)行涂膠加固，對內(nèi)部走線跨度較長的電纜進(jìn)行點膠加固。圖3晶振的機(jī)械加固4天線電磁屏蔽設(shè)計在設(shè)計時，除了電路合理布線，采取濾波和良好的接地措施，結(jié)構(gòu)上采取了良好的屏蔽措施。首先，選擇合適的材料。根據(jù)電磁屏蔽原理，屏蔽體必須是理想的導(dǎo)體，工程中使用的材料都是有一定阻抗的，阻抗越大，其屏蔽效果越差。因此，選擇材料時通常選擇高導(dǎo)電材料作為屏蔽材料，如銅板、鋁板、鋼板等。由于本天線的使用環(huán)境為機(jī)載平臺，因此必須選擇一種密度較小的高導(dǎo)電材料。經(jīng)分析比較，本天線的主要材料選擇使用防銹鋁5A06，防銹鋁5A06不僅密度小，而且具有較高導(dǎo)電特性，是一種屏蔽性能較高的材料。其次，合理的進(jìn)行縫隙屏蔽。根據(jù)電磁屏蔽原理，一個無縫隙、無空洞的全封閉盒體具有最好的屏蔽性能。天線的設(shè)計中，不可避免的會存在較多縫隙，蓋板與盒體的安裝縫隙就是最常見的一種縫隙結(jié)構(gòu)，在盒體與蓋板之間增加導(dǎo)電橡膠條來屏蔽此縫隙，如圖4所示。通過導(dǎo)電橡膠條屏蔽盒體與蓋板之間的縫隙，盒體的密封槽的尺寸大小需要與導(dǎo)電橡膠條的尺寸匹配，否則會出現(xiàn)導(dǎo)電橡膠條的未產(chǎn)生合適的變形，導(dǎo)致出現(xiàn)不連續(xù)點而電磁泄漏。蓋板與盒體連接的螺釘數(shù)量和位置也是積極關(guān)鍵，否則會出現(xiàn)蓋板與盒體之間的壓力不均勻而導(dǎo)致電磁泄漏。圖4盒體與蓋板的屏蔽再次，天線通常有電源連接器、控制信號連接器、射頻信號連接器等電連接器，因此結(jié)構(gòu)上需要設(shè)置對應(yīng)的安裝孔進(jìn)行安裝，防止此類孔、洞產(chǎn)生的電磁泄漏也是結(jié)構(gòu)電磁屏蔽設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。對外電連接器的殼體材料選擇鋁合金，并在與鋁合金盒體的接觸面增加導(dǎo)電密封墊，如圖5所示。圖5電連接器的屏蔽最后，高低頻信號進(jìn)行分腔隔離設(shè)計，分腔隔離設(shè)計是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段之一。本天線的接口印制板將高頻信號區(qū)域通過屏蔽殼進(jìn)行分腔設(shè)計，屏蔽殼與印制板之間通過錫焊進(jìn)行連接，如圖6所示。圖6分腔隔離屏蔽5天線三防設(shè)計三防設(shè)計指的是防濕熱設(shè)計、防鹽霧設(shè)計、防霉菌設(shè)計，是提高機(jī)載電子設(shè)備可靠性的一個重要組成部分。本天線的結(jié)構(gòu)三防設(shè)計首先采用合理的結(jié)構(gòu)形式，使其不會出現(xiàn)殘余水分和冷凝液積聚的部位。其次，結(jié)構(gòu)設(shè)計時避免采用不同類型的金屬材料直接接觸，特別是電位差較大的金屬材料（大于0.25V）應(yīng)絕對避免直接接觸。特殊情況無法避免時，必須采用隔離措施，或采用第三種金屬過渡，以減小電位差。再次，選擇耐腐蝕性優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，金屬材料主要優(yōu)選防銹鋁5A06，非金屬材料主要優(yōu)選FR-4環(huán)氧玻璃布板、聚四氟乙烯。最后，印制板根據(jù)其自身的頻率選擇相應(yīng)的三防漆進(jìn)行噴涂。6結(jié)束語隨著有源相控陣天線的T/R組件的熱流密度不斷提高，散熱設(shè)計已經(jīng)是制約天線小型化的瓶頸之一，熱設(shè)計已成為有源相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，因此，重點介紹了本天線的熱設(shè)計方案，并且敘述了在低溫(-55°。工作時提高風(fēng)機(jī)可靠性的一種方案。此外，機(jī)載有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計還涉及到抗振設(shè)計、電磁屏蔽設(shè)計、三防設(shè)計等。機(jī)載有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須充分進(jìn)行上述各項環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，才能在平臺嚴(yán)苛的使用環(huán)境中保證天線的性能及可靠性。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】劉有超.某無人機(jī)機(jī)載加固電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)械與電子，2017(3):55-57.邱成悌，趙惇殳.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京:東南大學(xué)出版社，2007.JANICKIM,NAPIUER.ALSKIA.Modelingelectroniccircuitradiationcoolingusinganalyticalthermalmodel[J].MicroelectronicsJournal,2000,31:781-785.COOPERMS