某动中通天线罩改进设计

郭黎，刘永涛

(中国电子科技集团公司 第38 研究所，安徽 合肥 230031)

0 引言

在当前卫星应急通信领域中，“动中通”卫星通信系统在公安、武警、消防、气象等部门得到了广泛的应用。所谓动中通卫星通信系统是指载体(例如汽车、火车、飞机、轮船等)在高速运动过程中实现与卫星的实时通信的系统。本文介绍的是某车载动中通样机天线为了适应市场化要求，快速达到可直接推向市场的商品化产品。充分发挥工业设计思想，在外观造型［1］、结构工艺以及成本控制方面的一些改进。

1 改进原则

a)在形态上，结合其主要的安装载体是CRV 类越野车车型，应在满足功能的基础上达到载车本身的造型协调、呼应。可参考国内外动中通天线造型风格，以适应同类设计潮流性。

b)在功能性上，保证样机各设备的安装接口。天线罩要满足上面样机圆形凸台材料能透波，下方基座部分可以不透波。

2 方法概述

样机动中通天线主要由天线罩、天线、汇流环、回转支撑、天线单元、传动机构、微波器件及GPS 等设备组成。为了简化内部设备与天线罩之间的复杂约束关系，将内部设备简化表示成包络，这样在外观造型设计时仅需考虑包络与外观壳体间的接口关系。其简化示意图如图1 所示。在外观造型设计上结合国际设计潮流风格，从形、色、质等方面着手，并考虑其工程化的可行性。同时为了保证研发的周期和直接开模的风险，利用快速成型技术完成了天线罩底座的设计加工。

图1 内部设备包络示意图

3 关键技术

3.1 天线罩外观造型设计

正样天线罩整体造型采用流线形造型，将一切“琐碎”如天线、板卡、汇流环、插线孔等包容其中，显得紧凑景致，表面上下部分的腰线进行了错位设计，这样可淡化上部圆台透波罩的死板与单调，为了和车身上的金属质感相呼应，腰线采用镀鉻非金属胶条，显得高档的金属质感，达到整体造型协调一致的效果。腰线采用充满自由和张力的三维曲线，其自由强度更为自然、也更具有生活气息，富有节奏韵律的美感。就像产品的表情融合在整体造型中。在基座部分往里挖，采用减法设计在统一中寻求变化。漏出下面的虚空间，可使整体显的轻盈。在尺寸上保持了原来透波罩的高度，保证与原来内部设备的安装的兼容性。其初样与正样的外观对比如图2、图3 所示。

3.2 防水密封设计

在上下壳体接缝处，在下壳体边缘增加U 形密封槽，内部放置直径3 mm 的O 型密封圈来保证上下盖的密封问题。在天线罩与注塑底座的连接形式上，为了保证上下壳体的紧密性和一致性，通过顶盖和底座对应增加圆型凸台(22 处)，通过底部反上M5 内六角螺栓进行固定。紧固点布局原则根据中轴线对称布置，并分为内外两圈进行布置。保证受力均匀，其局部连接形式图如图4 所示。

图4 密封结构示意图

另外，因壳体表面跨度大，在边缘出会产生收缩问题，为了防止这一现象，在下底座边缘处均布楔形筋。同时针对底部平面处增加放射性环型筋来保证整个壳体的平面一致性问题。在局部如下底座与顶盖连接的圆型筋，最高处达55 mm 左右，为了防止其开裂，在圆柱四周增加十字楔形筋进行加强来保证。

3.3 热设计［2］

由于发射系统安装在与外壳有相对运动的转盘上，且工作在一个空间较小的密封罩壳里，加上由于太阳辐射而导入的热量，拟采用两组风机强迫风冷的方式来进行散热，以保证天线罩内温度不超过70 ℃，其方法简单可靠、成本低。

电子设备中的发热元器件尽量贴壁安装，使其产生的热量可以传导至外壳。利用金属壳体和舱内空气的热容量，辅以向外进行热辐射来保证天线系统在规定的时间内正常工作。

a)热设计输入

单个功率放大器发热量QW=8.3 W;

功率放大器表面发射率ε:0.9;

环境温度:50 ℃;

功率放大器工作温度限制≤75 ℃;

b)热设计计算

1)天线罩内总发热量:

2)天线罩接收的太阳辐射热:

式中，FA—天线罩的顶面积，FA=0.635 8 m2

A—天线罩外表面对太阳辐射热的吸收率(如果没有加热控涂层，A=0.9;如果选用热控涂层，可以将其表面控制到辐射率ε=0.87;吸收率A=0.16)。

3)天线罩外表面对环境的自然对流换热量:

式中，hout—对流换热系数(若车处于停车状态，hout为自然对流换热系数，取3.5);

F—为天线罩外表面积，F=1.0 m2;

t2—天线罩外表面的温度;

t 环—环境温度，为50 ℃。

4)天线罩对环境的辐射换热量

式中，ε—天线罩外表面辐射率(若加热控涂层ε=0.87，不加选0.9)

5)天线罩内表面的温度

整个天线罩看作δ=0.02 m 均匀的壁，天线罩由复合材料制成，λ=0.7 W/m·K

6)以天线罩为研究对象，据能量守恒

7)天线罩内部的空气温度tin

天线罩内壁与箱内空气的对流热量

式中，tin—天线罩内对流换热系数(若无风机，tin=3.5;若增加风机在内部搅动则取tin=10)。

天线罩内壁对天线罩内空气的辐射得热量Q4－1

8)散热器的表面温度tw_qj

器件带0.05×0.045，翅片厚0.001 2，间隙为0.003，高0.01 的散热器。

散热器对箱内空气的辐射散热量

式中，Δtw—为散热器与功率管之间的温差，取Δtw=4 ℃

联解(1)～(13)，得

车在停止情况下(hout=3.5)，无热控涂层，内部有风机时:

天线罩外表面接收的太阳辐射热量Q2=640.9 W

传入天线罩内部的热量Q2_传=249.08 W

天线罩内部的空气温度tin=83.12 ℃

看来太阳辐射热是影响天线罩内温度的重要因素，必须要采取有效的措施将太阳辐射热阻隔出去。

方案:在天线罩外表面涂白漆，该白漆的吸收率A=0.16，辐射率ε=0.87 可以将天线罩表面接收到太阳辐射热由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 ℃

热分析得出此方案的天线罩内部温度为59～64 ℃。满足内部电子设备温度适应性要求(图5)。

图5 内部电子设备温度

4 成本控制

考虑到后续商品化需求，外壳和天线罩改进方案的重点在于必须进一步优化外观造型、控制成本和兼顾批量化生产要求。综合考虑结合本单位现有能力和利用社会资源，针对改进后的外壳和天线罩研制，外壳为一体化天线罩与下座两部分组成，天线罩采用A 夹层结构，利用铸铝模胎凹模成型，外表面涂疏水性耐候漆。经比较，初样天线罩和底座平均2 万元/套，正样天线罩与下壳体模具费约35 万，推向市场后。按50 套计算每套为7 000 元，节约成本约65%。

5 结语

正样动中通天线罩为了达到快速可推向市场的成熟商品化产品的要求，通过工业设计在外观造型上有了较大提升。同时通过防水密封、通风散热等手段使得电子设备的稳定性和可靠性得到了保证。该系统目前已经通过产品各项例试，性能稳定，各项指标满足要求，正在丰富产品系列和模块化的过程中。

［1］裴文开.工业造型设计［M］.成都:成都科学技术出版社.

［2］邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理［M］.南京:东南大学出版社.