薄玉奎，曹 俊

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某天線印制板線陣組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

薄玉奎，曹 俊

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中介紹了某機(jī)載雷達(dá)天線印制板線陣組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于線陣排布密集，空間極為狹小，因而無(wú)法按照傳統(tǒng)方式為每條印制板單獨(dú)設(shè)計(jì)安裝架。文中采用了新型的二合一框架式安裝架結(jié)構(gòu)，即在一個(gè)安裝架上同時(shí)安裝2條對(duì)稱的印制板。該結(jié)構(gòu)解決了狹小空間內(nèi)線陣的安裝問(wèn)題，不僅減少了安裝支架的數(shù)量，還顯著降低了線陣的結(jié)構(gòu)重量，也便于線陣組件的安裝和測(cè)試。仿真計(jì)算和環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠滿足產(chǎn)品使用環(huán)境要求。

天線；印制板；安裝架

引 言

有源相控陣天線的性能在很大程度上取決于輻射單元的形式。采用帶狀線印刷偶極子天線作為輻射單元，易于與饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、成本低廉的特點(diǎn)，適于大批量生產(chǎn)，是大型天線的一種理想的輻射單元形式[1]，在機(jī)載雷達(dá)領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這種帶狀線印制板的結(jié)構(gòu)安裝件也應(yīng)與此相適應(yīng)，在滿足機(jī)載環(huán)境條件和使用要求的情況下，盡量降低體積和重量，提高安裝和維護(hù)的便捷性。某機(jī)載雷達(dá)天線印制板線陣采用二合一框架式安裝結(jié)構(gòu)，解決了狹小空間內(nèi)線陣的安裝問(wèn)題，能夠顯著降低線陣的結(jié)構(gòu)重量，便于安裝和維護(hù)，能夠滿足機(jī)載環(huán)境要求。本文介紹了該機(jī)載雷達(dá)天線印制板線陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果。

1 印制板線陣組件的結(jié)構(gòu)

該機(jī)載有源相控陣天線采用2種面對(duì)稱的帶狀線饋電印刷偶極子輻射線陣，由2層帶狀線層壓板組成，其線陣方位向間距很小。該線陣對(duì)外通過(guò)12個(gè)SMP射頻連接器與冷板上的T/R組件和功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)盲配互聯(lián)，另外還需要實(shí)現(xiàn)線陣在冷板上的安裝固定及為反射板提供安裝接口。由于該產(chǎn)品的天線單元排布過(guò)于密集，結(jié)構(gòu)空間極度狹小，接口眾多，裝拆操作不便，而且減重要求高，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。

傳統(tǒng)的印制板線陣組成及安裝要求與本產(chǎn)品類似，但由于其方位向空間一般較大，所以設(shè)計(jì)的裕度足夠。通常每條印制板線陣作為一個(gè)獨(dú)立單元，每個(gè)印制板都安裝在單獨(dú)的安裝架上。安裝架通常采用殼體蓋板形式，印制板固定在殼體內(nèi)部，殼體底部通過(guò)支耳

與冷板連接，如圖1所示。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)過(guò)于厚重，局部剛度過(guò)強(qiáng)，對(duì)陣面減重不利，而且由于通過(guò)側(cè)面與冷板連接，線陣單元無(wú)法單獨(dú)取下，必須與冷板、T/R組件等整個(gè)天線單元一起拆裝，安裝和維護(hù)不便。在此次設(shè)計(jì)中，由于空間太小，無(wú)法采用這種殼體結(jié)構(gòu)，必須重新設(shè)計(jì)與此相適應(yīng)的安裝架結(jié)構(gòu)形式。

圖1 線陣殼體安裝

圖2為本產(chǎn)品線陣組件新設(shè)計(jì)的二合一框架式結(jié)構(gòu)，在一個(gè)安裝架上同時(shí)安裝了2條對(duì)稱的線陣印制板。該安裝架利用印制板間距小的特點(diǎn)，以輕巧的內(nèi)支架為支撐梁，以兩側(cè)印制板為腹板，上下分別通過(guò)螺釘和楔形壓緊結(jié)構(gòu)壓緊，形成了封閉的整體框架式結(jié)構(gòu)，不僅保證了整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，而且使安裝架的數(shù)量減少了一半。同時(shí)在該安裝架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在安裝架和印制板上通過(guò)采用減輕孔等方法，降低了結(jié)構(gòu)重量，如圖3、圖4所示。經(jīng)計(jì)算比較，傳統(tǒng)的殼體安裝中每個(gè)印制板和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)安裝件的質(zhì)量比約為1∶3.4，而此次設(shè)計(jì)的每個(gè)印制板和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)安裝件的質(zhì)量比達(dá)到1∶0.9，相對(duì)降低了73%，大大降低了線陣組件的重量指標(biāo)，達(dá)到了陣面指標(biāo)要求。

圖2 二合一框架線陣安裝

圖3 內(nèi)安裝架外形

圖4 內(nèi)安裝架與印制板連接結(jié)構(gòu)

該安裝架結(jié)構(gòu)如圖3所示，由底座和伸出的5個(gè)獨(dú)立支臂組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一個(gè)零件實(shí)現(xiàn)了組件的所有安裝要求。其底座的側(cè)面和底面用來(lái)固定印制板和安裝SMP電連接器，底面上連接器的空隙作為與冷板連接的垂直安裝點(diǎn)；支臂作為框架的支撐梁，其兩側(cè)用來(lái)固定印制板，頂面為反射板提供安裝支點(diǎn)。這里安裝架與冷板的連接遇到了一個(gè)難題：由于印制板方位向距離過(guò)小，印制板側(cè)面間隙最窄處僅約4 mm，螺釘不能從外部插入，無(wú)法實(shí)現(xiàn)垂直安裝。此設(shè)計(jì)中利用印制板內(nèi)側(cè)的階梯狀狹小空間，預(yù)先將M3松不脫螺釘裝到底座上，其空間恰好足夠，從而解決了線陣的垂直安裝問(wèn)題，使線陣組件易于拆裝，便于安裝和測(cè)試。

2 印制板線陣的力學(xué)仿真

印制板是暴露在惡劣環(huán)境中的電子設(shè)備中最重要又最易損壞的部分[2]，這里的印制板支架為局部支撐，而印制板面積大，支撐點(diǎn)較少，因而印制板的剛度相對(duì)較差，特別是其懸空的前端邊緣部分更易損壞，所以必須對(duì)印制板的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析校核。本文通過(guò)ANSYS軟件仿真方法對(duì)該線陣印制板的力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算。

在ANSYS中建立了印制板的有限元簡(jiǎn)化模型，采用殼單元shell181進(jìn)行模擬分析。這里的印制板采用CLTE-XT材料，其泊松比為0.23，密度為2.02 g/cm3，彈性模量為1 790 MPa，基板拉伸強(qiáng)度為23.4 MPa[3]。將印制板在安裝支架上的連接螺栓簡(jiǎn)化為多點(diǎn)約束聯(lián)接，施加全位移約束。按上述條件進(jìn)行了模型在機(jī)載環(huán)境下的隨機(jī)振動(dòng)、沖擊和加速度的仿真分析。下面僅介紹印制板結(jié)構(gòu)的固有頻率仿真結(jié)果和隨機(jī)振動(dòng)條件下印制板最惡劣的Z向應(yīng)變應(yīng)力情況。其隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)譜如圖5所示。

圖5 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)譜

仿真得出的印制板前5階固有頻率見表1，其1σ應(yīng)變和應(yīng)力分布云圖分別見圖6和圖7。

表1 模型固有頻率

圖6 印制板Z向應(yīng)變?cè)茍D

圖7 印制板Z向應(yīng)力云圖

從模態(tài)分析結(jié)果可以看出，該印制板的1階固有頻率為234Hz，其1階振型與印制板的Z向擺動(dòng)相應(yīng)，表明其剛度足夠強(qiáng)。從其應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D可見，印制板變形最大位置在印制板前端懸臂最遠(yuǎn)處，其最大變形量約為0.02 mm ，幾乎可以忽略不計(jì)。距離其最近的前端支撐點(diǎn)應(yīng)力最大，其VON應(yīng)力最大值約為4.5 MPa，遠(yuǎn)小于印制板基板的拉伸強(qiáng)度?？紤]到分析中忽略了電連接器處的約束效應(yīng)，實(shí)際分析結(jié)果應(yīng)更優(yōu)，所以該印制板的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度完全能夠滿足產(chǎn)品的使用要求，該產(chǎn)品的整體環(huán)境試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一分析結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

在天線印制板線陣組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)按照單元間距選擇合適的安裝架結(jié)構(gòu)樣式，如果距離較大，應(yīng)為每條印制板線陣單獨(dú)設(shè)計(jì)支架，如果距離較小，可以在一個(gè)安裝架上同時(shí)安裝2條線陣印制板。本文提出的二合一框架式組合結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)的殼體安裝模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)精巧，適用于空間特別狹小的場(chǎng)合，完全滿足了線陣的使用要求，同時(shí)大大降低了線陣組件的重量，使線陣的安裝調(diào)試更加快捷，提高了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1] 萬(wàn)濤, 王風(fēng). 一種帶狀線饋電的新型寬帶印刷偶極子天線[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007, 30 (12) :73-76.

[2] 任建峰. PCB組件動(dòng)態(tài)特性的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].電子機(jī)械工程, 2010, 26(5): 13-17.

[3] 東莞文錦新材料科技有限公司. CLTE-XT高精度陶瓷聚四氟乙烯[EB/OL]. [2013-10-22]. http://www.143c.com /material /1056.html.

薄玉奎(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of an Antenna PCB Array

BO Yu-kui，CAO Jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The structure design of an airborne radar antenna PCB array is introduced in this paper. Because of the narrow space resulted from the densely assembled PCB arrays，it is impossible to design a frame for each PCB. Therefore a new 2-in-1 frame structure is adopted, namely 2 symmetrical PCB arrays are assembled in each frame. Adoption of this new structure has solved the assembly problem in narrow space，reduced the number of frames and the weight of the arrays remarkably and accelerated the fixing & test rate. Its mechanical simulation and environment test results show that it meets the environment applicability requirements.

antenna；printed circuit board (PCB)；frame

2014-03-18

TN82

A

1008-5300(2014)04-0027-03