某天線印制板線陣組件的結構設計

薄玉奎，曹 俊

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

某天線印制板線陣組件的結構設計

薄玉奎，曹 俊

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

文中介紹了某機載雷達天線印制板線陣組件的結構設計。由于線陣排布密集，空間極為狹小，因而無法按照傳統方式為每條印制板單獨設計安裝架。文中采用了新型的二合一框架式安裝架結構，即在一個安裝架上同時安裝2條對稱的印制板。該結構解決了狹小空間內線陣的安裝問題，不僅減少了安裝支架的數量，還顯著降低了線陣的結構重量，也便于線陣組件的安裝和測試。仿真計算和環境試驗結果表明，該結構能夠滿足產品使用環境要求。

天線；印制板；安裝架

引 言

有源相控陣天線的性能在很大程度上取決于輻射單元的形式。采用帶狀線印刷偶極子天線作為輻射單元，易于與饋電網絡進行一體化設計，具有體積小、重量輕、成本低廉的特點，適于大批量生產，是大型天線的一種理想的輻射單元形式[1]，在機載雷達領域獲得越來越廣泛的應用。這種帶狀線印制板的結構安裝件也應與此相適應，在滿足機載環境條件和使用要求的情況下，盡量降低體積和重量，提高安裝和維護的便捷性。某機載雷達天線印制板線陣采用二合一框架式安裝結構，解決了狹小空間內線陣的安裝問題，能夠顯著降低線陣的結構重量，便于安裝和維護，能夠滿足機載環境要求。本文介紹了該機載雷達天線印制板線陣的結構設計及仿真結果。

1 印制板線陣組件的結構

該機載有源相控陣天線采用2種面對稱的帶狀線饋電印刷偶極子輻射線陣，由2層帶狀線層壓板組成，其線陣方位向間距很小。該線陣對外通過12個SMP射頻連接器與冷板上的T/R組件和功分網絡實現盲配互聯，另外還需要實現線陣在冷板上的安裝固定及為反射板提供安裝接口。由于該產品的天線單元排布過于密集，結構空間極度狹小，接口眾多，裝拆操作不便，而且減重要求高，所以結構設計難度較大。

傳統的印制板線陣組成及安裝要求與本產品類似，但由于其方位向空間一般較大，所以設計的裕度足夠。通常每條印制板線陣作為一個獨立單元，每個印制板都安裝在單獨的安裝架上。安裝架通常采用殼體蓋板形式，印制板固定在殼體內部，殼體底部通過支耳

與冷板連接，如圖1所示。其缺點是結構過于厚重，局部剛度過強，對陣面減重不利，而且由于通過側面與冷板連接，線陣單元無法單獨取下，必須與冷板、T/R組件等整個天線單元一起拆裝，安裝和維護不便。在此次設計中，由于空間太小，無法采用這種殼體結構，必須重新設計與此相適應的安裝架結構形式。

圖1 線陣殼體安裝

圖2為本產品線陣組件新設計的二合一框架式結構，在一個安裝架上同時安裝了2條對稱的線陣印制板。該安裝架利用印制板間距小的特點，以輕巧的內支架為支撐梁，以兩側印制板為腹板，上下分別通過螺釘和楔形壓緊結構壓緊，形成了封閉的整體框架式結構，不僅保證了整體結構的剛度和強度，而且使安裝架的數量減少了一半。同時在該安裝架的結構設計中，在安裝架和印制板上通過采用減輕孔等方法，降低了結構重量，如圖3、圖4所示。經計算比較，傳統的殼體安裝中每個印制板和對應的結構安裝件的質量比約為1∶3.4，而此次設計的每個印制板和對應的結構安裝件的質量比達到1∶0.9，相對降低了73%，大大降低了線陣組件的重量指標，達到了陣面指標要求。

圖2 二合一框架線陣安裝

圖3 內安裝架外形

圖4 內安裝架與印制板連接結構

該安裝架結構如圖3所示，由底座和伸出的5個獨立支臂組成，結構簡單，一個零件實現了組件的所有安裝要求。其底座的側面和底面用來固定印制板和安裝SMP電連接器，底面上連接器的空隙作為與冷板連接的垂直安裝點；支臂作為框架的支撐梁，其兩側用來固定印制板，頂面為反射板提供安裝支點。這里安裝架與冷板的連接遇到了一個難題：由于印制板方位向距離過小，印制板側面間隙最窄處僅約4 mm，螺釘不能從外部插入，無法實現垂直安裝。此設計中利用印制板內側的階梯狀狹小空間，預先將M3松不脫螺釘裝到底座上，其空間恰好足夠，從而解決了線陣的垂直安裝問題，使線陣組件易于拆裝，便于安裝和測試。

2 印制板線陣的力學仿真

印制板是暴露在惡劣環境中的電子設備中最重要又最易損壞的部分[2]，這里的印制板支架為局部支撐，而印制板面積大，支撐點較少，因而印制板的剛度相對較差，特別是其懸空的前端邊緣部分更易損壞，所以必須對印制板的環境適應性進行分析校核。本文通過ANSYS軟件仿真方法對該線陣印制板的力學性能進行了計算。

在ANSYS中建立了印制板的有限元簡化模型，采用殼單元shell181進行模擬分析。這里的印制板采用CLTE-XT材料，其泊松比為0.23，密度為2.02 g/cm3，彈性模量為1 790 MPa，基板拉伸強度為23.4 MPa[3]。將印制板在安裝支架上的連接螺栓簡化為多點約束聯接，施加全位移約束。按上述條件進行了模型在機載環境下的隨機振動、沖擊和加速度的仿真分析。下面僅介紹印制板結構的固有頻率仿真結果和隨機振動條件下印制板最惡劣的Z向應變應力情況。其隨機振動試驗譜如圖5所示。

圖5 隨機振動試驗譜

仿真得出的印制板前5階固有頻率見表1，其1σ應變和應力分布云圖分別見圖6和圖7。

表1 模型固有頻率

圖6 印制板Z向應變云圖

圖7 印制板Z向應力云圖

從模態分析結果可以看出，該印制板的1階固有頻率為234Hz，其1階振型與印制板的Z向擺動相應，表明其剛度足夠強。從其應力、應變云圖可見，印制板變形最大位置在印制板前端懸臂最遠處，其最大變形量約為0.02 mm ，幾乎可以忽略不計。距離其最近的前端支撐點應力最大，其VON應力最大值約為4.5 MPa，遠小于印制板基板的拉伸強度?？紤]到分析中忽略了電連接器處的約束效應，實際分析結果應更優，所以該印制板的結構剛強度完全能夠滿足產品的使用要求，該產品的整體環境試驗也驗證了這一分析結果。

3 結束語

在天線印制板線陣組件的結構設計中，應按照單元間距選擇合適的安裝架結構樣式，如果距離較大，應為每條印制板線陣單獨設計支架，如果距離較小，可以在一個安裝架上同時安裝2條線陣印制板。本文提出的二合一框架式組合結構，突破了傳統的殼體安裝模式，結構簡單，設計精巧，適用于空間特別狹小的場合，完全滿足了線陣的使用要求，同時大大降低了線陣組件的重量，使線陣的安裝調試更加快捷，提高了產品的結構效率和經濟效益，具有很高的應用推廣價值。

[1] 萬濤, 王風. 一種帶狀線饋電的新型寬帶印刷偶極子天線[J].電子測量技術，2007, 30 (12) :73-76.

[2] 任建峰. PCB組件動態特性的仿真與實驗研究[J].電子機械工程, 2010, 26(5): 13-17.

[3] 東莞文錦新材料科技有限公司. CLTE-XT高精度陶瓷聚四氟乙烯[EB/OL]. [2013-10-22]. http://www.143c.com /material /1056.html.

薄玉奎(1968-)，男，高級工程師，主要從事天線結構設計工作。

Structure Design of an Antenna PCB Array

BO Yu-kui，CAO Jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The structure design of an airborne radar antenna PCB array is introduced in this paper. Because of the narrow space resulted from the densely assembled PCB arrays，it is impossible to design a frame for each PCB. Therefore a new 2-in-1 frame structure is adopted, namely 2 symmetrical PCB arrays are assembled in each frame. Adoption of this new structure has solved the assembly problem in narrow space，reduced the number of frames and the weight of the arrays remarkably and accelerated the fixing & test rate. Its mechanical simulation and environment test results show that it meets the environment applicability requirements.

antenna；printed circuit board (PCB)；frame

2014-03-18

TN82

A

1008-5300(2014)04-0027-03