黃福清，陽 丁

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川成都610036）

引 言

本文提出的偶極子天線，通過改變立柱及輻射片的形狀和尺寸，可以獲得高增益、低駐波以及良好的輻射特性，同時具有結構簡單、尺寸緊湊等優(yōu)點，所以具有良好的應用前景。偶極子天線是典型的機電產品，每個零件形狀及尺寸的改變都會直接影響天線的電氣性能，所以需要進行電氣和結構的聯(lián)合設計。在結構設計過程中，著重考慮優(yōu)選材料、結構形式和工藝實現方式，并借助仿真來優(yōu)化結構形式，確保天線的各項指標滿足要求。

偶極子天線的諸多優(yōu)點使其在很多領域得到了廣泛應用[1-4]。為了實現天線的小型化，文獻[1]設計了一種緊湊型雙極化電磁偶極子天線，著重介紹了實現天線小型化的方法；文獻[2]設計了一種雙頻寬帶雙極化定向電磁偶極子天線，并對實現過程進行了分析；文獻[5]對一種相控陣雷達天線結構進行了仿真設計與優(yōu)化，重點介紹了結構設計及結構對靜剛度和抗振動沖擊能力的影響；文獻[6]對有源相控陣天線進行了結構仿真分析，確保了天線的環(huán)境適應性要求。

目前，針對偶極子天線的相關報道主要集中在電氣實現方式以及電氣仿真方面，關于結構力學仿真及優(yōu)化設計的研究鮮見報道。前述有關天線的結構力學仿真也主要是針對陣列天線整體進行的，但天線發(fā)生破壞往往產生于單元天線內部，而單元天線的破壞又常發(fā)生在薄弱的饋電環(huán)節(jié)。本文在合理選擇材料的基礎上，對天線的結構形式進行了優(yōu)化設計，并通過仿真和試驗對其進行了驗證。

1 偶極子天線結構

依據電氣數模并結合項目要求，對某偶極子天線進行詳細的結構三維設計。該天線主要由底座（含4根立柱）、振子片、饋電座（底座下方）、固定塊、焊片、內導體、介質支撐（用于固定內導體）和連接環(huán)等組成。天線的對外安裝孔位于底座底部，并呈圓周分布。4個振子片分別用螺釘固定在底座的立柱上，焊片的一端與底座的立柱通過螺釘連接，另一端與內導體焊接。

為了提高天線的剛強度，將4根立柱和底座設計成為一個零件，省掉螺釘連接環(huán)節(jié)。在零件結構的轉角處倒圓，不僅可以避免應力集中，還能提高底座的剛強度。為了進一步提高產品的剛強度，采用連接環(huán)將4個振子片及底座的4個立柱連接成一體，在底部用固定塊固定4個振子片。

為了減少整個天線的重量，對重量占比大的底座和振子片進行減重處理，在底座的圓盤和立柱部分挖凹腔，在振子片上打孔（系列孔）。同時通過合理選擇各零件的材料，滿足重量、重心和電氣指標要求。偶極子天線的外形如圖1所示。

圖1 偶極子天線外形圖

2 結構力學仿真分析

2.1 有限元模型

為了控制有限元模型的網格規(guī)模而又不失精度，對幾何模型中的一些細節(jié)（如不重要的沉孔等）進行簡化。由于對天線重量有嚴格限制，所以對各零件都做了最大程度的減重處理。為了提高結構的抗振性能，在結構上盡量預設加強筋和倒圓角，此部分為力學重點關注部位，所以未做簡化處理。該天線的有限元分析采用四面體網格劃分，并根據零件尺寸大小采用不同的網格。底座的對外安裝孔設置為固定約束。完整的天線有限元模型如圖2所示。有限元模型中各部分材料的屬性見表1。

圖2 天線有限元模型

表1 結構材料力學性能參數

2.2 模態(tài)分析

對天線進行模態(tài)有限元仿真分析。提取前16階模態(tài)（滿足圖4的頻帶寬度截取要求），其中天線的1階模態(tài)如圖3所示，振型為沿Z軸往復扭轉，振動頻率為276.22 Hz，避開了天線安裝平臺的共振頻率，滿足要求。

圖3 天線的1階模態(tài)振型

2.3 隨機振動分析

天線隨機振動試驗圖譜如圖4所示（每個方向振動時間小于10 min），分別對天線進行X,Y,Z三個方向的隨機振動分析。提取前16階模態(tài)，滿足在主要運動方向上的總有效質量超過模型中可運動質量90%的要求[7]。

圖4 天線隨機振動試驗條件

根據仿真分析，在X和Z向激勵時，應力值最大，應力分布如圖5和圖6所示。X向激勵最大應力出現在下面焊片與內導體焊接處，應力值為297.63 MPa，Z向激勵最大應力出現在上面焊片的轉角處，應力值為314.99 MPa，均超過了黃銅H62（半硬）的屈服強度245 MPa，不滿足要求。其余各零件上的應力都大大低于其極限應力。所以需要進一步迭代，對相關零件結構進行優(yōu)化設計，重點對焊片本身及其與內導體焊接處的結構進行優(yōu)化設計。

圖5 X 向激勵時焊片應力分布云圖

圖6 Z 向激勵時焊片應力分布云圖

2.4 方案迭代

在上述隨機響應振動分析中，發(fā)現上面焊片中間轉角處及下面焊片與內導體焊接處應力比較大，所以在不能改變材料的情況下需要對相關結構進行改進，將這兩處的等效應力降低到屈服強度以下。在上述模型中，一方面，焊片中間位置在結構上存在90°轉角，很容易產生應力集中；另一方面，在焊片與內導體焊接處，焊片直接放在絕緣支撐上，此處在XY平面內焊片的自由度沒有被約束，所以振動時也容易產生大的應力。針對上述問題，一方面對焊片的結構進行改進，將中間4個90°轉角更改成圓角，避免產生應力集中；另一方面在焊片與內導體焊接處增加圓柱凸臺，并在絕緣支撐上相應增加配合的圓柱凹腔，約束焊片在XY平面內的平動自由度，降低此處的應力。為了進一步提高天線的抗振性能，可以對天線頂部的連接環(huán)進行改進，增加一圈加強筋，或者增加連接環(huán)的厚度。如前所述，偶極子天線是典型的機電產品，結構的任何改變都有可能引起電氣性能的改變，需要進行結構與電氣的聯(lián)合仿真。根據改進后的結構模型，經電氣設計師再次仿真確認，這種結構改進對電氣性能指標影響較小，滿足電氣指標要求。對改進后的模型重新進行模態(tài)分析，天線的1階固有頻率為259.99 Hz，變化很小，振型與圖3一致。

按前述相同的方法分別對天線進行X,Y,Z三個方向的隨機振動分析，發(fā)現在X向和Y向激勵時應力最大。其中在X向激勵時，最大應力值出現在上面焊片與內導體焊接處，數值為183.19 MPa；在Y向激勵時，最大應力值出現在同一個地方，數值為190.05 MPa。在X向和Y向激勵時焊片應力分布云圖如圖7和圖8所示。其余各零件上的應力都大大低于其極限應力。

圖7 X 向激勵時焊片應力分布云圖

圖8 Y 向激勵時焊片應力分布云圖

考慮到加工制造和裝配的差異性，計算安全系數K：

式中：a為極限應力；b為工作應力。計算出安全系數為1.29，大于1，滿足項目要求。

3 試驗驗證

為了進一步驗證天線方案是否滿足環(huán)境試驗條件要求，按照圖4的振動條件分別對天線實物進行X,Y,Z三個方向的振動試驗，如圖9所示（圖中左側為天線）。試驗完畢后檢查天線外觀，無肉眼可見的損傷。同時檢測天線的駐波等指標，沒有發(fā)生變化，滿足電氣性能要求。以上試驗及檢測表明天線產品完好，滿足環(huán)境試驗要求。

圖9 天線的振動試驗

4 結束語

為了解決某偶極子天線結構的振動安全性問題，本文采用仿真和試驗方法對其進行了研究。首先，依據電氣仿真結果進行結構三維建模，滿足項目對質量、質心和外形等的要求；然后，對其力學性能進行仿真分析，發(fā)現焊片及焊接處存在強度風險；緊接著，在滿足電氣指標的情況下，對結構進行優(yōu)化設計，再次對改進后的數模進行力學仿真分析，確保了各零件上的工作應力低于其材料的極限應力；最后，通過振動試驗驗證了這種優(yōu)化設計的可行性。