某天线印制板线阵组件的结构设计

薄玉奎，曹 俊

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某天线印制板线阵组件的结构设计

薄玉奎，曹 俊

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中介绍了某机载雷达天线印制板线阵组件的结构设计。由于线阵排布密集，空间极为狭小，因而无法按照传统方式为每条印制板单独设计安装架。文中采用了新型的二合一框架式安装架结构，即在一个安装架上同时安装2条对称的印制板。该结构解决了狭小空间内线阵的安装问题，不仅减少了安装支架的数量，还显著降低了线阵的结构重量，也便于线阵组件的安装和测试。仿真计算和环境试验结果表明，该结构能够满足产品使用环境要求。

天线；印制板；安装架

引 言

有源相控阵天线的性能在很大程度上取决于辐射单元的形式。采用带状线印刷偶极子天线作为辐射单元，易于与馈电网络进行一体化设计，具有体积小、重量轻、成本低廉的特点，适于大批量生产，是大型天线的一种理想的辐射单元形式[1]，在机载雷达领域获得越来越广泛的应用。这种带状线印制板的结构安装件也应与此相适应，在满足机载环境条件和使用要求的情况下，尽量降低体积和重量，提高安装和维护的便捷性。某机载雷达天线印制板线阵采用二合一框架式安装结构，解决了狭小空间内线阵的安装问题，能够显著降低线阵的结构重量，便于安装和维护，能够满足机载环境要求。本文介绍了该机载雷达天线印制板线阵的结构设计及仿真结果。

1 印制板线阵组件的结构

该机载有源相控阵天线采用2种面对称的带状线馈电印刷偶极子辐射线阵，由2层带状线层压板组成，其线阵方位向间距很小。该线阵对外通过12个SMP射频连接器与冷板上的T/R组件和功分网络实现盲配互联，另外还需要实现线阵在冷板上的安装固定及为反射板提供安装接口。由于该产品的天线单元排布过于密集，结构空间极度狭小，接口众多，装拆操作不便，而且减重要求高，所以结构设计难度较大。

传统的印制板线阵组成及安装要求与本产品类似，但由于其方位向空间一般较大，所以设计的裕度足够。通常每条印制板线阵作为一个独立单元，每个印制板都安装在单独的安装架上。安装架通常采用壳体盖板形式，印制板固定在壳体内部，壳体底部通过支耳

与冷板连接，如图1所示。其缺点是结构过于厚重，局部刚度过强，对阵面减重不利，而且由于通过侧面与冷板连接，线阵单元无法单独取下，必须与冷板、T/R组件等整个天线单元一起拆装，安装和维护不便。在此次设计中，由于空间太小，无法采用这种壳体结构，必须重新设计与此相适应的安装架结构形式。

图1 线阵壳体安装

图2为本产品线阵组件新设计的二合一框架式结构，在一个安装架上同时安装了2条对称的线阵印制板。该安装架利用印制板间距小的特点，以轻巧的内支架为支撑梁，以两侧印制板为腹板，上下分别通过螺钉和楔形压紧结构压紧，形成了封闭的整体框架式结构，不仅保证了整体结构的刚度和强度，而且使安装架的数量减少了一半。同时在该安装架的结构设计中，在安装架和印制板上通过采用减轻孔等方法，降低了结构重量，如图3、图4所示。经计算比较，传统的壳体安装中每个印制板和对应的结构安装件的质量比约为1∶3.4，而此次设计的每个印制板和对应的结构安装件的质量比达到1∶0.9，相对降低了73%，大大降低了线阵组件的重量指标，达到了阵面指标要求。

图2 二合一框架线阵安装

图3 内安装架外形

图4 内安装架与印制板连接结构

该安装架结构如图3所示，由底座和伸出的5个独立支臂组成，结构简单，一个零件实现了组件的所有安装要求。其底座的侧面和底面用来固定印制板和安装SMP电连接器，底面上连接器的空隙作为与冷板连接的垂直安装点；支臂作为框架的支撑梁，其两侧用来固定印制板，顶面为反射板提供安装支点。这里安装架与冷板的连接遇到了一个难题：由于印制板方位向距离过小，印制板侧面间隙最窄处仅约4 mm，螺钉不能从外部插入，无法实现垂直安装。此设计中利用印制板内侧的阶梯状狭小空间，预先将M3松不脱螺钉装到底座上，其空间恰好足够，从而解决了线阵的垂直安装问题，使线阵组件易于拆装，便于安装和测试。

2 印制板线阵的力学仿真

印制板是暴露在恶劣环境中的电子设备中最重要又最易损坏的部分[2]，这里的印制板支架为局部支撑，而印制板面积大，支撑点较少，因而印制板的刚度相对较差，特别是其悬空的前端边缘部分更易损坏，所以必须对印制板的环境适应性进行分析校核。本文通过ANSYS软件仿真方法对该线阵印制板的力学性能进行了计算。

在ANSYS中建立了印制板的有限元简化模型，采用壳单元shell181进行模拟分析。这里的印制板采用CLTE-XT材料，其泊松比为0.23，密度为2.02 g/cm3，弹性模量为1 790 MPa，基板拉伸强度为23.4 MPa[3]。将印制板在安装支架上的连接螺栓简化为多点约束联接，施加全位移约束。按上述条件进行了模型在机载环境下的随机振动、冲击和加速度的仿真分析。下面仅介绍印制板结构的固有频率仿真结果和随机振动条件下印制板最恶劣的Z向应变应力情况。其随机振动试验谱如图5所示。

图5 随机振动试验谱

仿真得出的印制板前5阶固有频率见表1，其1σ应变和应力分布云图分别见图6和图7。

表1 模型固有频率

图6 印制板Z向应变云图

图7 印制板Z向应力云图

从模态分析结果可以看出，该印制板的1阶固有频率为234Hz，其1阶振型与印制板的Z向摆动相应，表明其刚度足够强。从其应力、应变云图可见，印制板变形最大位置在印制板前端悬臂最远处，其最大变形量约为0.02 mm ，几乎可以忽略不计。距离其最近的前端支撑点应力最大，其VON应力最大值约为4.5 MPa，远小于印制板基板的拉伸强度。考虑到分析中忽略了电连接器处的约束效应，实际分析结果应更优，所以该印制板的结构刚强度完全能够满足产品的使用要求，该产品的整体环境试验也验证了这一分析结果。

3 结束语

在天线印制板线阵组件的结构设计中，应按照单元间距选择合适的安装架结构样式，如果距离较大，应为每条印制板线阵单独设计支架，如果距离较小，可以在一个安装架上同时安装2条线阵印制板。本文提出的二合一框架式组合结构，突破了传统的壳体安装模式，结构简单，设计精巧，适用于空间特别狭小的场合，完全满足了线阵的使用要求，同时大大降低了线阵组件的重量，使线阵的安装调试更加快捷，提高了产品的结构效率和经济效益，具有很高的应用推广价值。

[1] 万涛, 王风. 一种带状线馈电的新型宽带印刷偶极子天线[J].电子测量技术，2007, 30 (12) :73-76.

[2] 任建峰. PCB组件动态特性的仿真与实验研究[J].电子机械工程, 2010, 26(5): 13-17.

[3] 东莞文锦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，高级工程师，主要从事天线结构设计工作。

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