汪 欣

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

車載6.2m天線系統(tǒng)設(shè)計

汪 欣

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

介紹了一種新型的車載6.2m折疊拋物面天線，其天線反射面由輕型的碳纖維復(fù)合材料制成，專用的座架與天線一體化設(shè)計，衛(wèi)星通訊設(shè)備和天線集成在一個多功能方艙內(nèi)，滿足了多種運輸形式的要求，尤其是滿足了苛刻的空運要求，使其應(yīng)用范圍更廣。并通過實際的電氣測試，對這種新穎的天線進行了驗證。

快速通；碳纖維復(fù)合材料；傘狀天線；方艙

0 引言

隨著“立體化、信息化”戰(zhàn)場模式的發(fā)展，衛(wèi)星通信在未來信息化戰(zhàn)爭中的作用日益突出，對地面設(shè)備的機動性提出了越來越高的要求。本文介紹的是一種能快速架設(shè)開通的新型衛(wèi)星通信地面機動站，6.2m拋物面天線和衛(wèi)星通訊設(shè)備安裝在一個多功能方艙內(nèi)，具有集成度高、快速開通、轉(zhuǎn)移靈活、無需基礎(chǔ)建設(shè)等多種特點，能滿足公路、鐵路、海運和空運條件，大大擴寬了衛(wèi)星通信地面站的應(yīng)用地域范圍。

1 天線指向計算

多功能方艙在轉(zhuǎn)移到新站址時，需要調(diào)整天線工作角度，使之對準(zhǔn)所收的衛(wèi)星，由于天線的波束極窄，6.2m天線半功率波束寬度只有0.7°左右，故需預(yù)先計算出站址所處位置的天線坐標(biāo)，就可以大大縮短調(diào)整或引入跟蹤狀態(tài)的時間。

設(shè)定新站址地理位置的經(jīng)度λ、緯度φ；衛(wèi)星經(jīng)度λ0、緯度0°；已知地球平均半徑r(約為6378km)；衛(wèi)星同步軌道距地心的距離R(約為42218km)；則天線的仰角E、方位角A為：

多功能方艙到達工作站位后，按計算好的預(yù)設(shè)位置停好，艙尾方向?qū)?zhǔn)衛(wèi)星方向，多功能方艙調(diào)平后作為天線工作時的基礎(chǔ)平臺，打開安裝天線后，利用伺服設(shè)備控制A-E座架轉(zhuǎn)動，將天線轉(zhuǎn)到計算的衛(wèi)星方向，搜索對準(zhǔn)衛(wèi)星，設(shè)備艙內(nèi)機柜上的衛(wèi)通設(shè)備發(fā)射(接收)衛(wèi)星信號。信號發(fā)射前向鏈路的信號流程見圖1所示。

圖1 信號發(fā)射前向鏈路的信號流程圖

2 技術(shù)特點

2.1 新型的天線結(jié)構(gòu)

為了降低天線的重量，提高天線的安裝速度，我們摒棄了傳統(tǒng)天線拆卸面板的結(jié)構(gòu)方式，采用了可折疊式收攏網(wǎng)格設(shè)計(傘狀結(jié)構(gòu))，天線的反射面分成固定和活動兩部分：固定部分為天線中心體上的反射面；其余活動部分反射面為可收攏的金屬網(wǎng)面結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)反射面的快速收攏或展開。天線收攏收縮成一個Ф2100mm×3400mm的傘狀圓錐筒，最大直徑處小于方艙的寬度2400mm，滿足裝艙運輸?shù)臈l件。

2.2 選用新型材料

天線的主肋、副肋、加強桿、中心體的筒體等多數(shù)部件采用新型的碳纖維復(fù)合材料制作，不僅實現(xiàn)了產(chǎn)品輕量化，同時也提高了天線的剛強度。與常用的金屬材料比較，碳纖維復(fù)合材料是一種輕型的新型材料，具有高的比強度和比模量、重量輕、耐疲勞、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等一系列優(yōu)良品質(zhì)。

2.3 快速定位固定

優(yōu)化天線的安裝拆收方式，合理布置節(jié)點，精簡拆卸單元，采用新式的快速定位鎖緊機構(gòu)，提高了天線安裝拆收的速度。定位鎖緊件是在傳統(tǒng)錐形定位銷的末端增加了螺紋鎖緊結(jié)構(gòu)，通過以錐形銷導(dǎo)引入定位，同時完成螺栓鎖緊動作實現(xiàn)。

2.4 自動跟蹤技術(shù)

自動跟蹤技術(shù)就是天線自動捕獲跟蹤衛(wèi)星的組合工作方式，首先根據(jù)設(shè)定的星位、車體經(jīng)度、車體緯度和采集到的車體航向、橫傾角、縱傾角計算出天線的目標(biāo)角度，然后驅(qū)動天線到這個目標(biāo)位置，經(jīng)過捕獲扇掃過程，天線抓住目標(biāo)后，即可轉(zhuǎn)入步進跟蹤狀態(tài)。天線按四點運動，分別得出各點場強值，而后進行計算比較，確定天線向場強值較大方向運動，直到場強值最大為止。

2.5 多功能方艙

多功能方艙是專門設(shè)計的二合一的組合艙，將原來的設(shè)備艙天線艙組合在一起，可節(jié)省一輛運輸車輛，而且還具有多項新功能：首先作為天線和衛(wèi)通設(shè)備的運載平臺；多功能方艙調(diào)平后作為天線工作時的基礎(chǔ)平臺；側(cè)廂板和后廂板打開支撐后作為天線的安裝平臺；可以用人推動多功能方艙利用行走機構(gòu)進行短距離的移動；可在專用載車上工作；也可在地面上單獨工作；滿足公路、鐵路、海運和空運條件。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 天線及座架

天線的中心體上Ф2000mm的范圍采用固定式反射面，中心體以外部分反射面均采用可折疊式收攏網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，設(shè)置副肋128根，主肋16根。在副肋的肋筋上鋪設(shè)不銹鋼網(wǎng)，以減少天線反射面的風(fēng)阻。在天線副肋的背部設(shè)置加強筋，通過主肋與中心體相連，彌補了天線無背架支撐的結(jié)構(gòu)缺陷，提高了天線抗載荷變形的能力。

為配合天線的收藏運輸，設(shè)計了新型的專用座架，選用方位小轉(zhuǎn)臺-俯仰短支臂的A-E型結(jié)構(gòu) 與天線進行一體化設(shè)計，來解決天線超高的問題。新型座架的優(yōu)點是運動相對獨立，結(jié)構(gòu)緊湊，收藏體積小，有足夠的強度和剛度。方位大軸承為四點接觸軸承，承載能力和抗傾覆能力較強，并可縮短方位軸向尺寸，方位驅(qū)動采用雙電機消隙，轉(zhuǎn)動精度高，誤差小。俯仰驅(qū)動系統(tǒng)的蝸輪減速機采用單頭阿基米德蝸輪-蝸桿作為傳動機構(gòu)，具備自鎖功能。

3.2 艙內(nèi)布局

方艙是一種由夾心板組裝成型的可移動廂體，可裝載設(shè)備和人員，并提供所需的工作條件和環(huán)境防護，便于運輸和儲存，現(xiàn)已被廣泛使用。多功能方艙的設(shè)備艙為標(biāo)準(zhǔn)方艙形式，艙內(nèi)為密封空間，內(nèi)部安裝衛(wèi)通設(shè)備機柜，艙前安裝空調(diào)，用于調(diào)節(jié)艙內(nèi)的溫度，提供舒適的工作環(huán)境；天線艙為頂部開放的異型艙，艙內(nèi)安裝傘狀天線，側(cè)廂板和后廂板打開支撐后作為安裝天線的平臺。多功能方艙可在專用載車上工作，也可在地面上單獨工作。多功能方艙在專用載車上的運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)見圖2所示。

圖2 運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)示意圖

3.3 運載車輛

如果沒有配備專用的運載車輛，多功能方艙可以利用其它的車輛運輸，但機動性能會大大地降低。要求運輸車輛的車廂長度大于8000mm，載重量大于9000kg，運輸時多功能方艙需要與運輸車輛牢固地聯(lián)接在一起，以確保運輸過程的安全。

3.4 力學(xué)分析

天線在工作時受到風(fēng)載荷、重力載荷、慣性載荷、摩擦載荷等幾種主要載荷的作用，由于天線的強度、剛度已定，當(dāng)載荷過大時，會導(dǎo)致天線變形過大，影響天線的工作精度。利用力學(xué)分析軟件，計算出在8級風(fēng)時(風(fēng)速V=20 m/s)天線的變形較小，在許可范圍之內(nèi)，對天線的精度影響較小，天線能正常工作。

經(jīng)過計算，多功能方艙在專用載車上工作時，8級風(fēng)時整車不會出現(xiàn)傾翻、滑移的現(xiàn)象，天線能安全地正常工作。而當(dāng)風(fēng)力超過9級時，風(fēng)載荷有可能使天線車產(chǎn)生滑移或傾覆，處于危險狀態(tài)。綜合考慮天線能在8級風(fēng)以下安全工作。

4 測試結(jié)果分析

天線系統(tǒng)組裝調(diào)試完成后，在所內(nèi)進行了系統(tǒng)聯(lián)試，隨后在用戶現(xiàn)場執(zhí)行任務(wù)，天線系統(tǒng)一直工作良好，性能穩(wěn)定可靠。經(jīng)過實際電氣方向圖測試，表明本天線在電氣增益和旁瓣各方面滿足指標(biāo)要求，驗證了天線系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。圖3給出了電氣性能指標(biāo)的實測數(shù)據(jù)圖。

圖3 實測天線中心頻率方位、俯仰方向圖

5 結(jié)束語

本文從實際工程出發(fā)，闡述了一種新型6.2m車載天線的設(shè)計方案，按此方法設(shè)計的輕型天線比傳統(tǒng)車載天線的重量減輕了約50%。通過實際的電測結(jié)果表明，滿足天線的電氣性能要求，可作為同種結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計參考。

[1] 周雷,任翠峰.高機動雷達天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械與電子,2011,(4):78-80.

[2] 朱迅,許越寧.某雷達輕質(zhì)碳纖維天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].纖維復(fù)合材料,2010,(3):20-22.

[3] 馮晉祥,專用汽車[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

Designof6.2meterdiameterantennawithfastresponseonvehicle

WANGXin

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The new design of 6.2 meter diameter parabolic antenna which can work in a fast response mode is introduced in this paper.The structure design of the reflector which made by carbon fiber reinforce polymer(CFRP) with high accuracy and low mass is mainly discussed.Besides, the pedestal which is designed integrated with the bus of the reflector, all the communication equipments are integrated with the antenna in a cubic module, which can meets the requirements of various modes of transport, especially on the air-plane.By comparing with the experimental data of the antenna radiation pattern,it is verified that this kind of new structure design is correct.

High mobility;Carbon fiber reinforce polymer(CFRP) material; Umbrella antenna; Cubic module

2017-07-16

汪 欣(1963-)，男，高級工程師，研究方向為車載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計.

1001-9383(2017)03-0025-04

TN82

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