張 磊(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種機載衛(wèi)通天線的一體化設計方法

張 磊
(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

主要介紹了一種機載衛(wèi)通天線的一體化設計技術，并采用有限元方法對天線結構進行了動力學分析。仿真結果表明一體化設計方法，提升了結構整體的固有頻率與動態(tài)特性。研究內(nèi)容對機載天線的設計具有一定的指導意義。

機載衛(wèi)通天線；一體化設計；固有頻率；動力學分析

機載衛(wèi)通天線需要更好的動態(tài)跟蹤特性，同時機載天線面臨非常惡劣的寬帶隨機振動環(huán)境[1]。為了解決機載衛(wèi)通天線結構的尺寸重量和動態(tài)特性之間存在的相互矛盾，相互制約的問題。有必要對機載衛(wèi)通天線結構進行機電一體化設計，減輕結構重量并提高天線的動態(tài)性能。

本文采用一體化設計技術，將機載衛(wèi)通天線的各功能模塊進行模塊化分拆，與天線座架支臂進行了集成設計，并采用有限元分析方法對機載天線結構進行了模態(tài)分析與隨機振動響應分析。

1 機載衛(wèi)通天線的一體化設計

目前，傳統(tǒng)機載衛(wèi)通天線座架的設計形式為在U型架上安裝伺服控制、接收機、功放等功能器件。每個器件都會由于電磁兼容等要求設計各自單獨的盒體，尤其是功放單元需要大面積的散熱片和散熱風扇。

為了能夠完全滿足機載衛(wèi)通天線的使用要求，對傳統(tǒng)的天線座架進行了一體化設計，并進行了大量的優(yōu)化設計工作，優(yōu)化后的天線結構如圖1所示。

圖1 一體化設計天線結構

1.1 機載天線座架的一體化設計

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

傳統(tǒng)的機載天線座架結構與一體化設計的天線座架結構分別如圖2和圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)機載天線座架結構 圖3 一體化設計的天線座架結構

1.2 天線固有頻率的優(yōu)化設計

在進行天線系統(tǒng)設計時，首先通過固有頻率的影響機理分析，依據(jù)兩條原則開展設計，即提高結構剛度，減小系統(tǒng)的慣量[2]。并將結構動力學仿真技術與天線結構設計技術相結合，對影響系統(tǒng)諧振頻率的薄弱環(huán)節(jié)進行針對性優(yōu)化設計，在滿足各功能模塊合理布局的前提下，實現(xiàn)了材料剛度分布的再優(yōu)化，提升了結構整體的諧振頻率與動態(tài)特性[3]。

2 天線結構的動力學仿真

此機載衛(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)動組合等組成[4]。由天線系統(tǒng)的結構形式，采用實體建模的方法，建立了其力學分析模型。

2.1 天線結構模態(tài)分析

經(jīng)過對天線結構的模態(tài)仿真分析，一體化設計與傳統(tǒng)設計的機載衛(wèi)通天線結構的前三階固有頻率值見表 1。圖 4～圖 6為對應的前三階模態(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 天線結構的隨機振動響應分析

在天線結構的隨機振動響應分析中，按照實際使用要求中最嚴苛的耐久振動施加了振動載荷。耐久振動譜值如表 2所示。圖 7～圖 9為天線結構在振動載荷作用下的應力云圖。

表2 耐久振動試驗譜值

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

圖9 天線整體應力圖(垂直Z方向振動)

由動力學仿真分析的結果可以看出，采用一體化設計方法的天線結構，相比傳統(tǒng)設計，結構整體的第一階固有頻率提高了約60%，最大應力也有所下降，另外天線結構整體在三個方向的動載荷作用下，沒有出現(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 結論

本文在進行機載衛(wèi)通天線的系統(tǒng)設計時，將一體化設計技術、結構動力學仿真技術與天線結構設計技術相結合，對影響系統(tǒng)諧振頻率的薄弱環(huán)節(jié)進行針對性優(yōu)化設計，在滿足各功能模塊合理布局的前提下，實現(xiàn)了材料剛度分布的再優(yōu)化。通過一體化技術設計的天線完全滿足機載衛(wèi)通天線的使用要求，并且結構重量、動態(tài)跟蹤特性、抗振性能、結構外觀等都得到了優(yōu)化提升。

[1] 喬山林．機載雷達天線座模態(tài)分析與試驗研究[D]．南京理工大學，2011．

[2] 諸德超，邢譽峰．工程振動基礎[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2004．

[3] 吳風高．天線座結構設計[M]．西安：西北電訊工程學院出版社，1986．

[4] 葉尚輝，李在貴．天線結構設計[M]．西安：西北電訊工程學院出版社，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

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目計劃(973計劃)(2012CB821800)；國家自然科學基金國際合作與交流項目(11261140641)

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

1001-9383(2017)02-0034-04

TP29

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