一種機載對數周期天線結構設計

朱海波，王景琰，張海福

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍32069部隊天津軍事代表室，天津 300211)

0 引言

近年來，越來越多設備選擇以飛機作為工作平臺，天線作為機載設備的一部分[1]，是機載系統與外界進行信號交換的重要設備[2]。

機載天線除了完成所需的電性能外，還要滿足飛機工作導致的環境適應性要求[3]。機載天線在實際工作過程中需承受來自載機發動機機械振動、噴氣噪聲、飛機的飛行姿態以及起飛、著陸等因素產生的振動和沖擊[4]。上述工作環境對電子設備造成的危害主要有以下2種[5]:其一，結構和工藝性破壞，如結構件的疲勞、斷裂、磨損，連接件的松動、分離等；其二，功能和性能性破壞，包括工作失靈、性能降低及超出容差范圍等[6]。

如果機載天線自身承受沖擊、振動性能較差，在使用過程中導致故障產生會影響整個飛機的作戰性能[7]。為了保證機載天線的可靠性，必須對其結構進行抗振動設計[8]。

1 機載天線結構設計

根據需求，通過電磁仿真軟件設計了結構為雙對數周期天線的模型，由于該天線為機載天線，要承受飛機工作過程中所產生的振動和沖擊[9]，該天線電磁性能由其結構形狀實現，所以天線良好的抗沖擊和振動性能是其可靠工作的基礎[10]。

通過電磁仿真，設計了該天線的初步模型，如圖1所示。針對電磁仿真模型，直接將模型根據可加工方案設計了天線的實際三維結構如圖2所示，根據工程經驗并經過分析認為圖2中天線陣子與中間支架連接存在多處應力集中部位，并且各個主要零件使用螺釘連接降低了螺釘連接處結構的可靠性。在天線工作過程中，應力集中處必然成為天線破壞點[11]，同時按照仿真模型天線生產加工實際產品需要拆分成許多零件，裝配過程中產生的裝配誤差同樣會影響天線的可靠性[12]。

圖1 初步天線仿真模型

圖2 天線初版模型

由于飛機起飛及工作過程中存在惡劣的沖擊和振動環境，天線結構的可靠性直接決定了天線的性能及使用壽命，因此，從增加天線結構可靠性出發，對機載天線的仿真模型進行了優化。

本天線由左右2個實現天線性能的對數周期天線及改善天線性能的底部反射腔組成。

為了降低零件配合及裝配誤差造成的應力集中及破壞，本次結構設計中采用一體化設計，將左右天線的主體分別設計為一體成型的結構方式，如圖3所示。

圖3 單個對數周期天線

同時，對易出現應力集中的部分采用圓角過渡的方式消除應力集中，由于機載設備重量要求苛刻，所以同時對非關鍵受力部位設計減重凹槽等方式進行結構減重，并對天線工作過程中容易產生應力集中的薄弱部位結構優化，優化后的三維模型如圖4所示。

圖4 天線優化模型

該天線加工材料選擇常用5A06系鋁合金[13]，其力學性能[14]如表1所示。該天線要求重量為8 kg，使用軟件預估重量為7.5 kg，滿足要求。

由于瀝青混凝土攤鋪施工一旦進行不允許中途中斷，因而需要選用適宜的運輸設備，保障拌和料等能夠及時送至運輸現場，同時最大程度地減少運輸次數與運輸成本，因此需要使用如下公式計算運輸車輛的具體裝卸能力以及運輸次數：

表1 5A06-F鋁合金力學性能

型號密度/(g.cm-3)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa彈性模量/GPa5A06-F2.6529516070

由于該機載天線工作時封閉于天線罩內，環境適宜性無其他特殊要求，所以該天線涂鍍工藝按照鋁合金常用要求，采用表面按Al/Ct·Ocd導電氧化后，裸露面噴涂色漆的工藝。

本天線的最終目的是實現天線電磁性能，因此首先采用電磁仿真軟件對優化后天線模型的駐波與增益進行了仿真，結果表明結構優化后其駐波比與增益均在指標要求范圍內。

2 隨機振動仿真分析

隨機振動分析是指采用功率譜密度作為輸入條件，以確定響應特定值出現概率的分析方法[15-16]。在設計過程中進行隨機振動仿真分析，可以得到其在力學環境條件下的動力學響應[17]。

由圖4可知該機載天線由2個對數周期天線和反射腔3個主要部分組成。

其中，天線陣反射腔與2個天線相比是一個相對獨立的部分，裝配時除了與天線連接，還將其直接固定在安裝支架上，同時反射腔側壁加裝了專門的固定支撐加固，所以反射腔具有較好的抗振性，而且仿真時反射腔對天線的振動性能影響不大，為降低仿真分析時占用的計算資源，仿真時略去反射腔。

為了使振動試驗效果與天線真實工作效果更貼近，設計了用于天線振動試驗的夾具[18-19]，并在仿真分析建模時帶入振動夾具模型，力求仿真更貼近天線實際工作情況，如圖5所示。根據表1在仿真軟件中設置材料的各項參數并根據GJB中機載設備振動試驗條件進行振動仿真分析。

圖6～圖8給出了天線各個軸向仿真分析應力分布、最大應力所在位置及最大應力值。

圖5 仿真模型

圖6 X軸向隨機振動應力

圖7 Y軸向隨機振動應力

圖8 Z軸向隨機振動應力

表2列出了各個軸向最大應力值，從力學仿真結果來看，該天線的最大應力出現在X軸向。

表2 各軸向最大應力

軸向XYZ最大應力(1σ/MPa)34.417.8516.66

根據表1給出的該天線所選用材料的物理性能，5A06系鋁合金的許用應力σ為：

σ=σs/n，

(1)

式中，σs為5A06系鋁合金的屈服強度，n取1.5～2.5，當n=2.5時，計算得出該材料的許用應力為64 MPa，此時該天線最大應力軸向的安全系數為許用應力與最大應力的比值，最終計算得出該天線的安全系數為1.86，滿足結構設計中對安全系數的要求，因此該天線結構可靠性通過仿真實驗驗證，滿足設計要求。

3 實物加工與試驗

針對上文所述雙對數周期天線數模，根據射頻線纜裝配方案及現有加工水平對天線及振動夾具進行了結構拆分，并繪制圖紙加工實物，天線實物如圖9所示。

實測樣件重量為7.1 kg，相比軟件估計重量7.5 kg略輕，出現偏差的原因在于軟件中材料相關參數與實際情況有所偏差。

根據GJB要求機載設備振動條件(如圖10所示)及沖擊試驗條件(如圖11所示)，本天線進行了振動和沖擊試驗，采用振動試驗與沖擊試驗結合的試驗方式，其中振動試驗在3個軸向進行，每個軸向持續1 h，振動試驗結束后進行該軸向的沖擊試驗，試驗結束后再統一進行機械性能和外觀質量檢查。

圖9 雙對數周期天線實物

圖10 振動試驗譜

圖11 后峰鋸齒沖擊脈沖波形

經過試驗驗證，該天線結構能滿足GJB規定的振動及沖擊要求。

4 結束語

設計了一種機載雙對數周期天線的結構，在保證電磁性能的前提下，通過對天線結構部分進行優化，消除應力集中隱患，對優化后的三維模型采用仿真軟件進行振動仿真分析。仿真分析結果符合要求后加工天線樣件，根據GJB振動及沖擊試驗條件進行試驗驗證，結果證明設計的天線結構能夠滿足抗振動和沖擊的要求，滿足機載使用。