0 引 言
相控阵天线具有指向精度高、扫描速度快、波束形成灵活等优点,在气象分析、国土勘探、电子对抗、卫星通信等多个领域的应用日益广泛［1］。按照相控阵天线整体架构分类,可以分为砖式天线和片式天线。组成砖式天线的部组件功能设计独立,结构上通过纵向装配,放置方向垂直天线阵面；组成片式天线的部组件功能采取纵向集成分层设计,结构上通过横向装配,放置方向平行天线阵面。相比同等规模的砖式天线,片式天线的剖面高度更低,集成度更高,尺寸和质量更小。而随着国内外商业通信卫星星座的大规模部署以及卫星通信事业的高速发展,对灵活接入、高速率、高带宽、高安全、高可靠、灵活扩展和低成本的车载通信终端的市场需求越来越大［2］,轻量化、成本低、尺寸小的片式天线技术也成为当今相控阵天线研究的热点和焦点［3-4］。
1 结构设计方案
1.1 研究现状
受益于CMOS芯片封装技术、多层混压PCB工艺技术的成熟应用,高集成片式天线技术飞速发展［4-5］。早在2010 年左右,加拿大学者Fakharzadeh等［6］报道了一种65 GHz 片式天线设计方案。2020年韩国Samsung公司报道了一种频段为39 GHz、256天线单元的片式相控阵天线系统［7］。目前,国内关于片式天线研究较多,如东南大学和天锐星通科技公司［8］共同开发了1 024 发射/1 024 接收超大规模Ka 频段“集成相控阵”天线技术,最大可扩展至4 096 发射/4 096 接收相控阵天线,如图1（a）和（b）所示。刘雪颖［9］采用三维集成的方式将CMOS 多功能芯片、GaAs芯片、天线阵列以及功分网络等集成在一块微波多层板上,极大压缩了天线系统尺寸,其研发的128单元的Ka频段瓦片天线的包络尺寸仅为93 mm×93 mm×52 mm,如图1（c）所示。丁武伟等［2］基于多功能芯片T/R 组件技术,结合3D立体封装技术,实现了可集成天线单元的低截面片式天线结构,如图1（d）所示,大大促进了共形有源相控阵和智能蒙皮技术的发展。闫超等［10］基于多层微波数字复合基板技术设计了一款192 单元的片式相控阵天线,如图1（e）所示。
图1 高集成片式天线结构图
综合分析上述多种片式天线产品不难发现,现有的片式通信相控阵天线往往根据卫星系统或用户随机需求的不同进行定制,很难进行升级改造,在兼容性、维护性和运营方面的成本高昂,且并未针对车载工况下进行系统性的抗力学环境适应性分析。因此,开发一种可扩展、低成本、高集成、小型化、轻量化的片式天线,并对其车载工况下的力学环境适应性进行系统分析,对解决上述问题具有重要意义。
该可扩展片式天线主要用于地面卡车和组合轮式车卫星通信终端,因此在设计过程中要尤其关注天线系统的空间尺寸、质量、维护性、扩展性以及其环境适应能力。
1.2 设计原则
根据天线使用场景对设计的要求,确定该天线研制的主要原则是:1）提高组成天线部组件的集成度,简化天线系统结构组成,提升天线针对不同需求下的扩展性和后期服役过程中的维修性；2）采取结构功能一体化集成设计,优化天线系统架构,减轻质量、缩小体积、提升散热效率；3）有效地抗力学环境设计,提升系统的结构刚度和强度,满足天线在卡车或组合轮式车上服役中的振动环境要求。
1.3 结构方案
在组成结构方面,研制的可扩展片式天线主要由有源多功能刚绕组件和安装散热结构件组成,天线的三维结构简图如图2所示。整个天线对外的机械安装接口、低频和射频信号互联接口均设置在下端。
图2 可扩展瓦片有源相控阵天线三维结构简图
器件组成上,有源多功能刚绕组件是在一块刚绕PCB 板上系统地集成了64 个4 单元微带天线、64 个多波束幅相AOP 封装器件,以及时延放大、电源、信号处理、Flash等多种型号元器件,是整个天线系统的核心部件。天线采取16×16 矩形布阵,每4单元未带天线与一个多波束辐相AOP封装器件焊接,可实现4 个波束信号的接收/发射。结构和功能上,有源多功能刚绕组件可以分为微波数字混合母板和供电控制子板,以及互联的柔性线路板。微波数字混合母板系统地集成了微带天线、多路接收/发射多波束幅相AOP 封装器件、时延放大器件,实现对射频信号的传输、合成和功率分配；供电控制子板系统地集成了电源器件、信号处理器件、Flash 器件、晶振等多种型号元器件,实现供电和信号控制等。二者供电和控制信号通过互联的柔性线路板进行传输。展开和折叠状态下的刚绕组件如图3所示。
图3 展开和折叠状态的有源多功能刚绕组件三维结构简图
通过对承载结构件进行结构功能一体化集成设计,利用承载构件散热,既满足天线系统内部结构互联和对外安装接口,同时也可为系统内部发热元器件提供传热和散热的载体。安装散热结构件具体由散热器、盖板、挡板1 和挡板2 四个零件组成,装配爆炸图如图4所示。为了满足承载和传热需求,散热器和盖板采用6063铝合金加工,挡板1和挡板2采用5A06铝合金加工。
图4 安装散热结构件三维爆炸结构简图
为了实现各部组件的可靠互连,在微波数字混合母板模块的PCB 板中预置5 个加工有M2.5 的外螺纹的金属埋件。散热器在相应位置上开设5个ϕ2.8 通孔,利用相应六角薄螺母与金属埋件的螺纹配合,将微波数字混合母板模块与散热器紧固连接；供电控制子板模块直接通过螺钉与盖板互联；互联完成后子板连同盖板基于柔性FPC 折弯到散热器上方。散热器与后盖板利用两侧的挡板1 和挡板2 通过螺钉紧固互联,实现天线整体架构的固定。为保证系统内部可靠的传热路径,母板模块与散热器之间、子板模块与盖板之间均填有高导热柔性衬垫。
根据上述设计,该4 波束接收/发射共口径天线本体尺寸为90.4 mm×90.4 mm×33.6 mm（不含对外连接器）,包络尺寸为90.4 mm×90.4 mm×35.8 mm,质量为531.3 g,具体配套表如表1所示。
表1 天线配套表
序号12 3 4 5 合计名称有源多功能刚绕组件散热器盖板挡板1挡板2数量11 1 1 1质量/g 379.3 105 31 65 531.3
2 力学环境适应性分析
2.1 力学环境条件
天线在生产、运输及服役过程中,承受着各种复杂的力学环境作用,这些力学环境的作用可能会引起天线结构的失效或破坏。依据《军用装备实验室环境试验方法第16 部分:振动试验》（GJB 150.16A—2009）对天线进行模态分析及在卡车或组合轮式车上运输过程振动分析,两种运载状态下的力学条件如图5所示。
图5 两种运输工况下的振动环境条件
2.2 力学环境适应性要求
根据研制任务需要,该天线抗力学环境设计需要满足以下需求:
1） 刚度要求
固有频率大于100 Hz。
2） 强度及安全裕度要求
安全裕度:金属材料,按屈服强度大于0,按极限强度大于0.12；非金属材料,按屈服强度大于0.25,按极限强度大于0.25。（安全因子:对于屈服极限取1.2,对于破坏极限取1.35。）
2.3 有限元模型
根据天线具体结构形式,对有源多功能刚绕组件上焊接的电子元器件通过非结构质量加到相应的微波数字混合母板和供电控制子板的PCB 板上。其中PCB 板采用板壳建模,材料选用FR4 绝缘材料；散热器、盖板、挡板1 和挡板2 采用板壳建模,具体网格模型如图6所示。
图6 可扩展瓦片有源相控阵天线有限元模型
2.4 力学环境适应性仿真分析
1） 模态分析
对天线进行模态分析,前3阶模态分析结果如表2所示,对应的振型如图7所示,其中图7（a）、（b）和（c）分别对应前三阶振型。
表2 天线前3阶固有频率及模态振型列表
模态阶数12 3频率/Hz 182.38 337.27 376.79模态振型挡板1和挡板2 Y向弯曲整体X向摆动整体Z向摆动
图7 天线主要模态振型图
根据上述分析结果:在约束模态下,天线1 阶模态振型为挡板1 和挡板2 在Y 向上的弯曲变形,最大变形量位于两挡板与散热器互联部位；2 阶和3 阶模态振型为天线系统在X 向和Y 向上的摆动,最大变形量位于盖板上。从表2可知,在约束模态下,结构的基频为182.38 Hz,在卡车或组合轮式车上装载服役过程中不会产生共振现象。
2） 运输过程振动分析
在模态分析的基础上,运用模态叠加法,确定临界阻尼比0.03,并以图5 中的实验条件作为载荷输入,计算天线在卡车或组合轮式车上装载服役过程中振动激励下的响应。
天线在卡车和组合轮式车上运输过程中振动产生的位移云图分别如图8和图9所示,图8和图9中（a）、（b）和（c）分别表示X、Y 和Z 方向的振动位移特性。
图8 天线在卡车上运输过程中振动产生的位移云图
图9 天线在组合轮式车上运输过程中振动产生的位移云图
根据上述分析,在两种车辆运输工况下天线在最大形变统计结果如表3所示。观察发现:在两种工况下,天线最大变形发生在挡板与盖板连接处,其中在高速公路卡车运输时最大变形量为0.018 mm,在组合轮式车辆运输时最大变形量为0.05 mm。两种运输工况下最大位移均在可控范围之内。
表3 运输过程最大变形分析结果汇总
方向XYZ最大变形/mm高速公路卡车运输振动环境0.000 4 0.018 0.014组合轮式车运输振动环境0.003 1 0.050 0.023
计算得到天线各结构部件在两种运输工况下应力云图,如图10和图11所示,图10和图11中（a）、（b）和（c）分别表示X、Y 和Z 方向的振动应力特性。
图10 天线在卡车上运输过程中振动产生的应力云图
图11 天线在组合轮式车上运输过程中振动产生的应力云图
在两种运输工况下天线各零部件最大应力值和安全裕度符合性统计结果如表4所示。观察发现:在两种运输工况下,X 向和Z 向的最大应力均位于盖板两侧,而Y向的最大应力主要位于两侧挡板于散热器和盖板互联部位。在高速公路卡车运输工况下,天线挡板2沿Y向的应力最大,为12 MPa；在组合轮式车运输时,挡板2 在Y 向应力最大,数值为31.6 MPa。
表4 各部件应力分析结果
振动环境高速公路卡车运输组合轮式车运输部件挡板1挡板2盖板母板PCB板子板PCB板散热器挡板1挡板2盖板母板PCB板子板PCB板散热器材料5A06 5A06 6063 FR4 FR4 6063 5A06 5A06 6063 FR4 FR4 6063最大应力/MPa X 0.38 0.38 0.58 0.06 0.13 0.38 2.7 2.7 3.6 0.44 0.89 1.8 Y 11.9 12.0 8.0 1.3 0.06 2.7 28.1 31.6 14.0 3.5 3.5 3.5 Z 5.5 3.7 8.3 1.9 1.9 5.5 6.9 6.9 15.5 3.4 1.7 6.9安全裕度MS满足满足满足满足满足满足满足满足满足满足满足满足
根据安全裕度MS定义:
式中,σS为最大许用应力,σmax为计算最大应力,f为安全系数。
通过安全裕度计算公式计算可知,各零部件的安全裕度均满足设计需求,表明天线在两种运输工况下强度满足技术指标,具体如表4所示。
3 结束语
文章基于片式集成架构和模块设计思想,采用结构功能一体化设计、非对称刚绕组件集成技术,设计出一款小型化、可扩展片式通信相控阵天线。天线由有源多功能刚绕组件和安装散热结构件组成。天线包含256个天线单元,包络尺寸仅为90.4 mm×90.4 mm×35.8 mm,质量为531.3 g。基于高速公路卡车和组合轮式车两种运输条件下,对天线进行抗力学环境设计和仿真分析,结果表明:该天线基频为182.38 Hz,最大位移为0.05 mm,各部件的应力最大为31.6 MPa,满足两种工况下力学环境的设计要求。该片式天线具有二维扩展性,可根据用户或者使用工况的需要,仅需通过对子阵进行有目标性的扩展安装,快速完成对相控阵天线的研制工作,极大地降低了研制成本和研制周期。尤其是未来基于某些成熟商业通信卫星星座,针对某些固定频段的车载地面通信终端的市场需求广阔,这种低成本、可扩展片式天线设计技术的应用前景十分广阔。
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