某動中通天線罩改進設計

郭黎，劉永濤

(中國電子科技集團公司 第38 研究所，安徽 合肥 230031)

0 引言

在當前衛星應急通信領域中，“動中通”衛星通信系統在公安、武警、消防、氣象等部門得到了廣泛的應用。所謂動中通衛星通信系統是指載體(例如汽車、火車、飛機、輪船等)在高速運動過程中實現與衛星的實時通信的系統。本文介紹的是某車載動中通樣機天線為了適應市場化要求，快速達到可直接推向市場的商品化產品。充分發揮工業設計思想，在外觀造型［1］、結構工藝以及成本控制方面的一些改進。

1 改進原則

a)在形態上，結合其主要的安裝載體是CRV 類越野車車型，應在滿足功能的基礎上達到載車本身的造型協調、呼應。可參考國內外動中通天線造型風格，以適應同類設計潮流性。

b)在功能性上，保證樣機各設備的安裝接口。天線罩要滿足上面樣機圓形凸臺材料能透波，下方基座部分可以不透波。

2 方法概述

樣機動中通天線主要由天線罩、天線、匯流環、回轉支撐、天線單元、傳動機構、微波器件及GPS 等設備組成。為了簡化內部設備與天線罩之間的復雜約束關系，將內部設備簡化表示成包絡，這樣在外觀造型設計時僅需考慮包絡與外觀殼體間的接口關系。其簡化示意圖如圖1 所示。在外觀造型設計上結合國際設計潮流風格，從形、色、質等方面著手，并考慮其工程化的可行性。同時為了保證研發的周期和直接開模的風險，利用快速成型技術完成了天線罩底座的設計加工。

圖1 內部設備包絡示意圖

3 關鍵技術

3.1 天線罩外觀造型設計

正樣天線罩整體造型采用流線形造型，將一切“瑣碎”如天線、板卡、匯流環、插線孔等包容其中，顯得緊湊景致，表面上下部分的腰線進行了錯位設計，這樣可淡化上部圓臺透波罩的死板與單調，為了和車身上的金屬質感相呼應，腰線采用鍍鉻非金屬膠條，顯得高檔的金屬質感，達到整體造型協調一致的效果。腰線采用充滿自由和張力的三維曲線，其自由強度更為自然、也更具有生活氣息，富有節奏韻律的美感。就像產品的表情融合在整體造型中。在基座部分往里挖，采用減法設計在統一中尋求變化。漏出下面的虛空間，可使整體顯的輕盈。在尺寸上保持了原來透波罩的高度，保證與原來內部設備的安裝的兼容性。其初樣與正樣的外觀對比如圖2、圖3 所示。

3.2 防水密封設計

在上下殼體接縫處，在下殼體邊緣增加U 形密封槽，內部放置直徑3 mm 的O 型密封圈來保證上下蓋的密封問題。在天線罩與注塑底座的連接形式上，為了保證上下殼體的緊密性和一致性，通過頂蓋和底座對應增加圓型凸臺(22 處)，通過底部反上M5 內六角螺栓進行固定。緊固點布局原則根據中軸線對稱布置，并分為內外兩圈進行布置。保證受力均勻，其局部連接形式圖如圖4 所示。

圖4 密封結構示意圖

另外，因殼體表面跨度大，在邊緣出會產生收縮問題，為了防止這一現象，在下底座邊緣處均布楔形筋。同時針對底部平面處增加放射性環型筋來保證整個殼體的平面一致性問題。在局部如下底座與頂蓋連接的圓型筋，最高處達55 mm 左右，為了防止其開裂，在圓柱四周增加十字楔形筋進行加強來保證。

3.3 熱設計［2］

由于發射系統安裝在與外殼有相對運動的轉盤上，且工作在一個空間較小的密封罩殼里，加上由于太陽輻射而導入的熱量，擬采用兩組風機強迫風冷的方式來進行散熱，以保證天線罩內溫度不超過70 ℃，其方法簡單可靠、成本低。

電子設備中的發熱元器件盡量貼壁安裝，使其產生的熱量可以傳導至外殼。利用金屬殼體和艙內空氣的熱容量，輔以向外進行熱輻射來保證天線系統在規定的時間內正常工作。

a)熱設計輸入

單個功率放大器發熱量QW=8.3 W;

功率放大器表面發射率ε:0.9;

環境溫度:50 ℃;

功率放大器工作溫度限制≤75 ℃;

b)熱設計計算

1)天線罩內總發熱量:

2)天線罩接收的太陽輻射熱:

式中，FA—天線罩的頂面積，FA=0.635 8 m2

A—天線罩外表面對太陽輻射熱的吸收率(如果沒有加熱控涂層，A=0.9;如果選用熱控涂層，可以將其表面控制到輻射率ε=0.87;吸收率A=0.16)。

3)天線罩外表面對環境的自然對流換熱量:

式中，hout—對流換熱系數(若車處于停車狀態，hout為自然對流換熱系數，取3.5);

F—為天線罩外表面積，F=1.0 m2;

t2—天線罩外表面的溫度;

t 環—環境溫度，為50 ℃。

4)天線罩對環境的輻射換熱量

式中，ε—天線罩外表面輻射率(若加熱控涂層ε=0.87，不加選0.9)

5)天線罩內表面的溫度

整個天線罩看作δ=0.02 m 均勻的壁，天線罩由復合材料制成，λ=0.7 W/m·K

6)以天線罩為研究對象，據能量守恒

7)天線罩內部的空氣溫度tin

天線罩內壁與箱內空氣的對流熱量

式中，tin—天線罩內對流換熱系數(若無風機，tin=3.5;若增加風機在內部攪動則取tin=10)。

天線罩內壁對天線罩內空氣的輻射得熱量Q4－1

8)散熱器的表面溫度tw_qj

器件帶0.05×0.045，翅片厚0.001 2，間隙為0.003，高0.01 的散熱器。

散熱器對箱內空氣的輻射散熱量

式中，Δtw—為散熱器與功率管之間的溫差，取Δtw=4 ℃

聯解(1)～(13)，得

車在停止情況下(hout=3.5)，無熱控涂層，內部有風機時:

天線罩外表面接收的太陽輻射熱量Q2=640.9 W

傳入天線罩內部的熱量Q2_傳=249.08 W

天線罩內部的空氣溫度tin=83.12 ℃

看來太陽輻射熱是影響天線罩內溫度的重要因素，必須要采取有效的措施將太陽輻射熱阻隔出去。

方案:在天線罩外表面涂白漆，該白漆的吸收率A=0.16，輻射率ε=0.87 可以將天線罩表面接收到太陽輻射熱由640.9 W 降到113.9 W。

Q3=43.3 W，Q4=87.2 W

t2=62.32 ℃，t1=62.36 ℃，

tin=63.18 ℃，tw_qj=73.74 ℃

熱分析得出此方案的天線罩內部溫度為59～64 ℃。滿足內部電子設備溫度適應性要求(圖5)。

圖5 內部電子設備溫度

4 成本控制

考慮到后續商品化需求，外殼和天線罩改進方案的重點在于必須進一步優化外觀造型、控制成本和兼顧批量化生產要求。綜合考慮結合本單位現有能力和利用社會資源，針對改進后的外殼和天線罩研制，外殼為一體化天線罩與下座兩部分組成，天線罩采用A 夾層結構，利用鑄鋁模胎凹模成型，外表面涂疏水性耐候漆。經比較，初樣天線罩和底座平均2 萬元/套，正樣天線罩與下殼體模具費約35 萬，推向市場后。按50 套計算每套為7 000 元，節約成本約65%。

5 結語

正樣動中通天線罩為了達到快速可推向市場的成熟商品化產品的要求，通過工業設計在外觀造型上有了較大提升。同時通過防水密封、通風散熱等手段使得電子設備的穩定性和可靠性得到了保證。該系統目前已經通過產品各項例試，性能穩定，各項指標滿足要求，正在豐富產品系列和模塊化的過程中。

［1］裴文開.工業造型設計［M］.成都:成都科學技術出版社.

［2］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結構設計原理［M］.南京:東南大學出版社.