某机载天线的模块化设计研究_付佐红.pdf

双月刊/总第 302 期19某机载天线的模块化设计研究南京熊猫汉达科技有限公司 付佐红 岳芬芳摘要：针对天线外厂维修困难，同时为了进一步提高产品的机械性能和电磁兼容性能，对某型机载天线进行结构优化设计。卫星通信天线体积小，包络有限，重量要求严格，各功能模块尺寸不一，结构设计难度非常大。本文通过对天线结构和功能单元进一步分析研究，进行了结构一体化、各功能模块化设计，此结构优化设计提高了天线的整体性能，对提高天线的电磁兼容性、可靠性、可生产性、可维修性具有较为广泛的参考意义。关键词：天线 模块化设计 电磁兼容 可生产性 可维修性引言航天领域里，卫星通信天线结构紧凑、集成度高，但功能强大。为了使其满足更高速度、高机动、高精度作战指标，同时满足飞机的各种野外恶劣环境要求，对飞机上的设备、天线的各种性能指标要求越来越高，它的振动性能、电磁兼容性能以及可维修性能要求日益增长1-2。卫星通信天线能够实现对目标卫星的高精度定向和跟踪，从而实现高质量的网络传输功能。为保证卫星天线在外厂具有可维修性能，保障天线在使用过程具有稳定的机械性能和通信性能，避免受到干扰或者干扰别的通信设备，同时为了保证天线具有更可靠的机体振动强度，本文通过对承重件进行一体化的模块优化、对控制盒及部分单元进行功能模块化设计、对线缆连接器进行带滤波功能的连接器选型等方式来增强天线的电磁兼容性、提高天线的强度和抗震性，进而满足天线功能、性能的稳定性。1 天线的技术现状及发展趋势研究机载天线装配在直升机机翼上方，如图 1 所示，此处增加振动量级，通信过程提高了与飞机本身信号的干扰，加之该天线具有话音、数据、视频业务的通信，因此需要对结构件的强度、天线整机的电磁兼容性、可靠性提出较高要求，常规机型设计无法满足此设计要求，因此对天线结构进行重新设计优化。天线安装位置示意图 1 天线装机位置示意图天线主要由结构部件、功能部件和线缆组成。主体结构部件包括方位轴、方位轮、横梁支架等，主要起到支撑、保护各功能模块，确保天线受振动、冲击、加速度作用天线本体及所有部件不受影响，天线结构部件组成如图 2 所示。功能部件包括伺服跟踪控制、主副反射面、低噪放、上变器、功放、下变频器等，根据天线空间位置和功能部件本身尺寸和状态装配在结构本体上，功能部件控制天线旋转对星功能实现面及馈电网络部分进行任意方向旋转，实现天线网络通信，进行传输话音、数据、视频业务等，天线功付佐红 岳芬芳 某机载天线的模块化设计研究 工作与研究 船舶标准化与质量2022 年第 5 期20能部件组成如图 3 所示。功能部件所有单元模块均需要靠线缆连接完成所有通信功能。的模块取代原有旧的模块，提高产品的性能，组合出功能更完善、性能更先进的组合产品，加快产品的更新换代；其次系统中大部分部件由模块组成，设备如发生故障，只需更换有关模块，提高产品的可生产性、可维修性；同时，模块化设计有利于采用成组加工等先进工艺，有利于组织专业系列化生产，既提高质量，又降低成本。模块化设计还可将其应用于同系列产品上，节约新研产品设计时间，提高研究生产效率。2 目前天线存在问题目前，某机载天线电源单元、控制单元、驱动单元均装配在控制盒内，在控制盒内通过线缆互连的方式进行通电和传输信号，传动部件、功放、上下变频器等靠线缆连接。针对目前天线现象分析：首先，在其他天线振动试验过程中，出现过电机松动、方位轴出现细小裂纹等现象。针对电机部件和承重结构件出现的问题隐患，在新研产品上需要对其结构进行优化。第二，从产品的可生产性、可维修性考虑，控制盒结构内部各单元的线缆连接复杂，排查问题困难。第三，从电磁兼容性考虑，从控制盒到各功能单元均需通过线缆连接，电缆是一根高效的辐射天线，能够将电路中的干扰辐射到空间，造成辐射发射超标。为了提高天线振动的可靠性，首先提出了对部分结构优化，对电机设计安装保护套，保护套装配好后长度大于电机伺服与减速器对接处，同时内部尼龙套设计，在减小了对电机振动量级的同时，也使电机上下两个部位与尼龙套、保护套三者合为一体，确保了电机振动的可靠性、稳定性。其次，为了提高产品的电磁兼容性和维修性，提出了各功能的模块化设计，此设计同时也减少线缆焊接的不稳定性，同时减轻重量，提高了天线整体的美观及稳定性，也便于产品的更新换代。3 结构一体化的模块化设计3.1 对装配的薄弱环节进行保护装置设计现有天线实际使用过程中，方位、俯仰电机通过电机根部安装孔直接装于横梁支架上，电机本体图 2 天线结构部件图 3 天线功能单元示意图为了提高天线战术指标要求和性能指标要求，对天线整体布局进行了重新规划，基于天线现有基础上，在满足产品功能、性能的同时，产品的轻量化、模块化、系列化已经是今后天线结构设计的整体发展趋势。模块化设计，首先便于用新技术设计性能更好驱动单元电源单元控制单元低噪放功放上变频器下变频器双月刊/总第 302 期21分为伺服与减速器上下两部分，两部分用顶丝装配，如图 4 所示振动实验中，电机伺服与减速器对接处存在易开裂的情况。设置四面体网格最大尺寸 4 mm，网格数量 2 642 427个，节点数量 2 642 427 个。如图 6 所示。图 4 电机直接安装于横梁支架上示意图图 6 网格划分图 7 天线施加振动谱形图图 5 电机保护套示意图电机减速器部分电机驱动部分电机驱动和减速器对接处为了提高产品的可靠性，对曾经出现问题的电机装配结构进行了优化，设计了电机安装套，同时在安装套内部设计尼龙套装配，尼龙套在此处不但起到缓震作用，同时也使电机、尼龙套、保护套三者紧密配合，合为一体，如 5 所示。电机保护套螺钉固定螺钉固定3.2 方案验证为验证电机安装套对电机的保护作用，分别对电机部分进行有限元仿真。首先对天线进行简化处理，去除对仿真结果影响不大的轮齿、螺纹等特征。将模型导入 ANSYS 有限元软件并划分网格，根据 GJB 15A 环境试验方法，设置振动条件、施加振动谱如图 7 所示，并对天线所受应力进行计算。W0、W1是功率谱密度。加速度谱密度（g2/Hz）正弦加速度幅值（g）对数频率（Hz）A1W1W0f1f2f3f4f110030010A2A3A4其中：W0=0.002 g2/Hz，W1=0.02 g2/Hz。如表 1 所示，将有无电机安装套仿真得到的天线前六阶模态频率进行对比。固有频率阶数无电机安装套有电机安装套150.455.9251.660.5359.371.2459.790.3572.6144.9684.0221.0表 1 天线有无安装套固有频率对比付佐红 岳芬芳 某机载天线的模块化设计研究 工作与研究 船舶标准化与质量2022 年第 5 期22具有电机安装套的一阶频率略高于将电机直接安装在横梁支架上的情况，则说明增加了电机安装套，天线刚性变好，一定程度上增强了天线抗振动能力。绘制电机所受应力云图如图 8、图 9 所示。显然，增加了电机安装套显著降低了电机根部应力集中情况，电机所受最大应力由 369 MPa 降低至297 MPa，改善了电机在振动过程中易折断的情况，提高了产品可靠性。个模块，低噪放与上变频器合成一个模块，如图 10所示，两个独立单元设计成一个模块，中间减少线缆的连接。首先，两个需要互通的单元设计成一个模块，缩小结构空间，减轻重量，提高装配的可靠性；其次，减小线缆的长度，提高电磁兼容性；第三提高产品性能的稳定性，减少线缆焊接、连接的错误率；最后，提高了可生产性和可维修性，拆装更方便。图 8 方位电机无安装套受力云图图 10 射频模块化示意图图 9 方位电机增加安装套受力云图4 功能模块化设计4.1 射频模块化设计天线的主要功能是为了传输信号，信道发出信号通过汇流环传输到功放再到下变频器，最后通过主面发射出去；卫星的信号从天线的主面传输给低噪放再到下变频器，通过汇流环最后接收信号。由信号传输路径可以提出，将功放与下变频器合成一1）射频模块化电磁兼容设计主要有两点：减小电缆长度和控制端口的滤波处理。2）线缆是引起共模辐射的主要路径，共模辐射是电路中不需要的共模电压产生的，这种电压降使模块的某些部件与“真正”的地之间形成一个共模电位差。共模辐射场强等效公式如下所示：ECM=1.2610-6fLI/r（1）其中：ECM共模干扰引起的场强，V/m；f共模电流的频率，MHz；L引起共模电流流经的导线长度，m；I共模电流大小，mA；r测试点到电流环路的距离，m。由上式可看出，电缆长度 L 是引起共模干扰的主要原因。在射频模块化设计中，减小线缆长度可以有效抑制共模干扰3。双月刊/总第 302 期23电缆容易产生各种电磁干扰问题，主要有以下原因：1）电缆本身是一根高效的接收天线，能够接收到空间的电磁干扰，将干扰能量传进设备电路，造成干扰；2）电缆是一根高效的辐射天线，能够将电路中的干扰辐射到空间，造成辐射发射超标。射频模块输出控制端口选择滤波电连接器，对每个信号施加 Y 电容，容值的选择需注意信号线的最大通信频率、信号电流，Y 电容类型一般选择穿心电容，可起到良好的滤波效果。4.2 控制单元、驱动单元的模块化设计伺服传动由驱动单元、控制单元、电机组成。控制单元将信号传输给驱动单元后，驱动单元产生特定电压，传输给各个电机，进行方位、角度调控，最后完成对星通信功能。为了提高天线伺服传动的精度和准确性，将信号驱动与控制合成一个模块，如图 11 所示，减少了线缆焊接、连接的不可靠性，提高了产品的稳定性。对外场出现的问题可直接模块化替换，减少机上焊接的不确定因素。4.3 电源单元和电源驱动的模块化设计为了满足产品的电磁兼容效果，改变传统控制电源与驱动电源、功放单元单独供电的设计，现将三者合成一个模块，如图 12 所示。模块化设计，减少了各模块间线缆焊接与连接；使电源与信号很好的隔离；提高了产品的电磁兼容性，同时提高了产品的可生产性、可维修性。图 11 控制模块对比图图 12 电源单元与电源驱动的模块化示意图电源与驱动模块控制单元模块LNB电源驱动模块的优化设计思路如下：1）电源滤波设计，卫通天线 DC28V 供电直接进入模块，在输入端口施加 EMI 滤波器，电源驱动模块内部 DC-DC 模块有 3 种，选择开关频率在250 kHz320 kHz之间的器件；滤波器选用2级滤波，差模和共模参数与电源模块噪声相匹配设计；滤波器的布局需满足输入线尽量短、壳体大面积接地、避免其他线缆耦合的原则。2）I/O 端口设计，电源驱动模块除电源输入口外，还有电源输出、电机驱动、功放供电 3 个端口。电源输出端口有 5V、12V 两种电压，各有 2 路，每一路负载电流小于 1A。在端口处逐线选用 LC 滤波电路的馈通滤波器，体积小，低频滤波效果良好；电极驱动端口 I/O 信号工频是 325 kHz，差分信号，通信电流小于 100 mA，在端口处逐线选用 C 型滤波，容值一般在 1 000 pF2 200 pF 之间；功放供电端口输出稳压 DC28V，负载电流较大，约有 6A，在端口处选用一级共模滤波电路，共模电感和 Y 电付佐红 岳芬芳 某机载天线的模块化设计研究 工作与研究 船舶标准化与质量2022 年第 5 期24容参数需与内部电源工频匹配。3）结构屏蔽设计，电源驱动模块通过盖板与腔体密封，设计目的是减小缝隙泄露，可通过降低缝隙阻抗来达到。结构件屏蔽可等效成电阻 R 和电容 C的并联电路，降低阻抗可通过减小接触电阻和增加电容实现。影响接触电阻的因素主要有：面板之间的接触面积（与阻值成反比）、接触面的金属材料、螺钉间距（间距越短，电阻越小）、接触面的压力；影响电容的因素主要是面板之间的距离（与容值成反比）。原设计方案与三合一模块化设计后卫通天线的电场辐射发射测试对比如图 13、图 14 所示，从图中可以看出模块化设计后，工频 128 MHz 降低 7 dB，在其他频段也改善很大，极大地改善了卫通天线的电磁兼容性能。图 13 原设计方案 30MHz200MHzRE102 垂直极化测试曲线图图 14 模块化设计后 30MHz200MHzRE102垂直极化测试曲线图5 结束语