无人机载有源相控阵天线一体化结构设计

无人机载有源相控阵天线一体化结构设计李继【期刊名称】《《机械与电子》》【年(卷)，期】2019(037)008【总页数】4页(P47-49,54)【关键词】结构设计;热设计;抗振动冲击设计;电磁兼容设计【作者】李继【作者单位】西南电子技术研究所四川成都610036【正文语种】中文【中图分类】TH1220引言近年来，随着我国航空技术的提升，无人机的发展非常迅速，无人机广泛用于战场侦察、通信中继、电子对抗、空中打击等诸多军事行动［1］。由于无人机对航程、续航时间等性能指标的严格要求，对无人机机载有源相控阵天线的小型化、轻量化、抗振性、电磁兼容性提出了更严苛的指标，同时机载有源相控阵天线自身的热流密度越来越大，这些特点使得机载有源相控阵天线的结构设计难度越来越大。1天线总体设计根据机载有源相控阵天线的功能、装机要求，对天线整机结构作了划分，天线主要包含天线阵面、TR组件、波控模块、电源模块、终端模块，如图1所示。图1某机载有源相控阵天线组成机载有源相控阵天线通常按照功能模块直接设计相应的结构，每个功能模块均有自身的结构件，这种设计的优点是模块独立性高，总体分发任务以模块形式分发，只需规定模块外形尺寸、电气接口、机械接口，简单可靠；缺点是结构件未充分利用，重量较重。因此采取了一体化设计的思路，将有源相控阵天线的天线阵面与T/R组件进行集成设计，将波控模块与电源模块进行集成设计。终端模块在电气性能上是天线收发信号的一个中转处理站，通常将其安装在载机上，通过电缆与天线进行互联，在此，直接将终端模块集成安装到天线上，两者只需用电连接器进行盲插，减少了两者的互联电缆。天线采用强迫风冷散热，为节省空间，将终端模块的中间位置预留出来安装风机，再将终端模块安装在T/R组件上，利用T/R组件的散热齿和终端模块形成风道，天线的总体布局如图2所示。图2天线的总体布局天线的工作频段为S频段、B1频段，由于电气性能要求，S频段的天线辐射面的外形尺寸为380mmx380mmx5.6mm,B1频段的天线辐射面的外形尺寸为60mmx60mmx7mm,根据一体化设计原则及电气性能所要求的基本尺寸，天线的外形尺寸定为480mmx400mmx50mm,与同等性能指标的天线相比，本天线的厚度尺寸仅为50mm，在平台的装机尺寸这一要素上具有竞争优势。天线在设计过程中充分进行了减重设计，将结构零件划分为两类，一类为辅助类零件，如盖板等，此类零件主要起封闭模块的作用，不承受较大的力，可局部铣薄减重；另一类为重要类零件，如模块腔体等，此类零件主要起承载作用，进行减重时需要设置加强筋保证结构刚度。通过结构减重设计，本天线的辅实际重量为6.2kg,满足平台的重量指标。2天线热设计热设计的目的是控制电子设备内部元器件的温度，使元器件的工作温度不超过其结温，研究表明，55%以上电气设备的失效是由于元器件温度过高［2］。根据阿列纽斯定律［3］，元器件所处环境温度每升高10°C,失效率就会增加一个数量级。因此，本天线的热设计至关重要。进行天线热设计时，首先统计了天线各个模块的相关器件的热耗、器件的尺寸、器件的热流密度等信息，其结果如表1所示。从表1中可以看出T/R组件的放大器和终端模块的FPGA热流密度较高，本天线的高温工作温度是+70C,丁/日组件的放大器和终端模块的FPGA在+70C的环境下正常工作需要有良好的导热措施。本天线将T/R组件的功放芯片直接贴装在印制板上，印制板设置有导热过孔且导热过孔内填充铜柱，利用铜柱将热量传导至铝合金散热组件。终端模块中的FPGA贴装在印制板上，其散热措施主要通过结构件上的导热凸台进行传热，导热凸台与器件面之间放置导热衬垫以便降低接触面的接触热阻。T/R组件与终端模块通过相应机械接口安装在一起，可形成散热风道，器件产生热量传导至风道中，通过风机抽风的方式，将热耗散至空气中，完成散热。表1主要发热器件的信息统计器件所属模块热耗/W外形尺寸/mm数量/个热流密度/(W/cm2)放大器1T/R组件0.273x3x1483放大器2T/R组件0.34x4x1481.88放大器3T/R组件0.352x2x1328.75FPGA终端模块1519x19x1.614.16电源芯片1电源模块1044x32x710.71电源芯片2电源模块625x25x1010.96平台要求本天线的低温工作温度为-55C,选择风机存在一定难度，目前主流轴流风机的工作温度范围为-20~+70C,选择此类风机直接在-551下工作，会存在低温无法启动，风机失效的情况，而选择能适应-55CH作的定制风机成本较高、周期较长。本天线采用软件仿真的方法确定某个低温温度下天线可通过自然散热的方式进行正常工作，在此温度下即可停止风机工作。在电源模块中加入温控功能，当环境温度低于温控预置值时，电源模块停止给风机供电。通过软件仿真，得到此温控预置值在风机使用温度范围内，满足风机正常工作的使用要求。通过此方法，可以提高风机在低温工作的可靠性及寿命。3天线抗振动冲击设计振动是机载有源相控阵天线服役过程中必须承受的载荷，由于振动激励频率分布经常与机载有源相控阵天线的共振频率分布相重合或相接近，诱导天线共振而产生巨大的响应，造成天线工程失效［4］。因此，本天线的抗振动冲击至关重要。本天线通过航标螺钉直接装在飞机平台上，没有减振器，因此天线自身必须具有较强的抗冲振能力。本天线通过一体化设计思路，采用共腔设计原则，将5个功能模块划分成3个独立模块，其中天线阵面与T/R组件、波控单元与电源模块均采用共腔设计。共腔设计不仅减少了结构件的重量及体积，还提高组成模块的集成密度及刚强度。模块内的印制板合理布置与模块腔体连接的螺钉数量及位置，合理数量的螺装约束能搞提供印制板的结构刚度，有效降低振动冲击条件下印制板内的振动响应，为印制板内各个器件的正常工作提供一个良好的环境。固定螺钉均采取了防松措施，盘头螺钉需要与弹垫、平垫配套使用，沉头螺钉需要加螺纹胶进行防松脱处理。同时，根据工程经验，对振动比较敏感的晶振进行机械加固，如图3所示。对器件高度超过4mm的振动易损坏的元器件进行涂胶加固，对内部走线跨度较长的电缆进行点胶加固。图3晶振的机械加固4天线电磁屏蔽设计在设计时，除了电路合理布线，采取滤波和良好的接地措施，结构上采取了良好的屏蔽措施。首先，选择合适的材料。根据电磁屏蔽原理，屏蔽体必须是理想的导体，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，选择材料时通常选择高导电材料作为屏蔽材料，如铜板、铝板、钢板等。由于本天线的使用环境为机载平台，因此必须选择一种密度较小的高导电材料。经分析比较，本天线的主要材料选择使用防锈铝5A06，防锈铝5A06不仅密度小，而且具有较高导电特性，是一种屏蔽性能较高的材料。其次，合理的进行缝隙屏蔽。根据电磁屏蔽原理，一个无缝隙、无空洞的全封闭盒体具有最好的屏蔽性能。天线的设计中，不可避免的会存在较多缝隙，盖板与盒体的安装缝隙就是最常见的一种缝隙结构，在盒体与盖板之间增加导电橡胶条来屏蔽此缝隙，如图4所示。通过导电橡胶条屏蔽盒体与盖板之间的缝隙，盒体的密封槽的尺寸大小需要与导电橡胶条的尺寸匹配，否则会出现导电橡胶条的未产生合适的变形，导致出现不连续点而电磁泄漏。盖板与盒体连接的螺钉数量和位置也是积极关键，否则会出现盖板与盒体之间的压力不均匀而导致电磁泄漏。图4盒体与盖板的屏蔽再次，天线通常有电源连接器、控制信号连接器、射频信号连接器等电连接器，因此结构上需要设置对应的安装孔进行安装，防止此类孔、洞产生的电磁泄漏也是结构电磁屏蔽设计的重要环节。对外电连接器的壳体材料选择铝合金，并在与铝合金盒体的接触面增加导电密封垫，如图5所示。图5电连接器的屏蔽最后，高低频信号进行分腔隔离设计，分腔隔离设计是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段之一。本天线的接口印制板将高频信号区域通过屏蔽壳进行分腔设计，屏蔽壳与印制板之间通过锡焊进行连接，如图6所示。图6分腔隔离屏蔽5天线三防设计三防设计指的是防湿热设计、防盐雾设计、防霉菌设计，是提高机载电子设备可靠性的一个重要组成部分。本天线的结构三防设计首先采用合理的结构形式，使其不会出现残余水分和冷凝液积聚的部位。其次，结构设计时避免采用不同类型的金属材料直接接触，特别是电位差较大的金属材料（大于0.25V）应绝对避免直接接触。特殊情况无法避免时，必须采用隔离措施，或采用第三种金属过渡，以减小电位差。再次，选择耐腐蚀性优良的结构材料，金属材料主要优选防锈铝5A06，非金属材料主要优选FR-4环氧玻璃布板、聚四氟乙烯。最后，印制板根据其自身的频率选择相应的三防漆进行喷涂。6结束语随着有源相控阵天线的T/R组件的热流密度不断提高，散热设计已经是制约天线小型化的瓶颈之一，热设计已成为有源相控阵天线结构设计是关键，因此，重点介绍了本天线的热设计方案，并且叙述了在低温(-55°。工作时提高风机可靠性的一种方案。此外，机载有源相控阵天线的结构设计还涉及到抗振设计、电磁屏蔽设计、三防设计等。机载有源相控阵天线的结构设计必须充分进行上述各项环境适应性设计，才能在平台严苛的使用环境中保证天线的性能及可靠性。参考文献：【相关文献】刘有超.某无人机机载加固电子设备机箱结构设计[J].机械与电子，2017(3):55-57.邱成悌，赵惇殳.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社，2007.JANICKIM,NAPIUER.ALSKIA.Modelingelectroniccircuitradiationcoolingusinganalyticalthermalmodel[J].MicroelectronicsJournal,2000,31:781-785.COOPERMS