陳應春，宋曉斐

(1. 南京恩瑞特實業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100; 2. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

隨著人類社會的進步和時代的發(fā)展，無論是在軍事行動中還是在民間突發(fā)險情時，都需要具有快速反應的能力和應急通信設備來保證軍事行動的成功和人民生命財產的安全。這就需要高機動、高增益的天線提供及時可靠的通信。

車載偏饋天線具有很高的機動能力，能夠滿足快速架設、撤收和運輸?shù)囊螅瑫r偏饋結構解決了饋源對反射面遮擋的問題，減少了能量損失，提高了天線的性能，因而在軍用和民用中顯示出巨大優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代雷達技術的快速發(fā)展，人們對天線結構的要求越來越高。天線結構設計除了要滿足電性能和自身的剛強度要求以外，還需要兼顧工藝、裝配、運輸和成本等方面的要求[1]。目前民品市場競爭激烈，能否設計出高性能、低成本、輕量化和小型化的天線關系到企業(yè)的生存發(fā)展。

本文分析了車載偏饋天線結構設計需求，根據(jù)其結構特點，結合工藝、裝配、運輸和成本等方面的要求，對其結構設計方法進行研究，設計了一種低風阻、低成本、高性能的輕薄型天線結構。

1 天線系統(tǒng)組成

某車載偏饋天線為C波段對流層散射通訊天線，利用大氣層中傳播媒介的不均勻性，對無線電波的散射作用進行超視距通信。該天線系統(tǒng)主要包括3大部分[2]：1)天線(由反射面、背架、調整裝置等組成)；2)饋線(由喇叭、波導、環(huán)形器、濾波器、波導同軸轉換等組成)；3)天線座(由方位機構和俯仰機構等組成)。天線和饋線通過轉動支耳安裝在天線座上，工作時需要迅速展開，展開狀態(tài)如圖1(a)所示，收藏時需要快速倒伏，收藏狀態(tài)如圖1(b)所示，并通過電控裝置自動完成鎖定和解鎖；天線座實現(xiàn)天線垂直俯仰和方位旋轉，通過螺釘直接固定在車廂頂部；車廂鎖定在車載平臺上，根據(jù)需要可以更換載車平臺。本文主要針對天線部分的結構設計進行研究。

圖1 天線系統(tǒng)組成

2 天線結構需求

與傳統(tǒng)天線相比，該車載偏饋天線的結構設計需要重點考慮以下幾個方面：

1)天線需要很高的機動能力，工作時迅速展開，收藏時快速倒伏。為了應對突發(fā)情況，不一定要等到載車平臺完全停穩(wěn)后才開始展開工作，有可能在行進過程中就需要展開，以保證及時通信。這需要天線具有很低的風阻和很輕的質量來減小天線座所受的載荷，同時也減小載車平臺所受的載荷，這樣一般的輕載車平臺就可以滿足使用要求。

2)天線安裝在車廂頂部，由于運輸高度的限制，天線在收藏狀態(tài)下總高度(包括天線座高度)不能超過50 cm。為了能夠滿足裝車要求，天線必須做成輕薄型結構。

3)樣機合格后，可能需要批量生產，因此在結構設計時，需要優(yōu)先選用成熟且簡單的生產工藝，壓縮零部件和原材料的品種和規(guī)格，節(jié)省生產成本，縮短生產周期。

3 天線結構設計

天線由反射面、天線骨架、調整裝置和轉動支耳等組成(如圖2所示)。天線在方位上作360°旋轉，要求其在安裝、制造、21 m/s的風速、1 r/min的轉速及自重等因素綜合作用下的精度(RMS)須≤0.6 mm(工作狀態(tài))，在35 m/s的風速及自身重力作用下應滿足強度要求，不被破壞。

圖2 天線結構組成

3.1 反射面

天線反射面不僅要滿足電性能的要求，還要滿足結構性能要求，比如剛強度好，重量輕，風阻力小等。反射面的設計好壞關系到天線骨架的結構型式，影響到整個天線系統(tǒng)的設計。

3.1.1 反射面的形式

反射面實現(xiàn)反射電磁波的功能，是天線的關鍵部件。反射面可以分為4種形式：實體反射面、打孔金屬板、網狀反射面和柵條反射面。實體反射面的反射效率最高，幾乎可以把所截獲的電磁波全部反射出去，但風阻大，質量大，對天線骨架的剛強度和精度要求都非常高；打孔金屬板能夠減小風阻力，減輕天線質量，但加工復雜，成本高，而且需要高精度的安裝支撐板；網狀反射面能夠明顯減小風阻力，減輕天線質量，但表面精度低，剛性差，運輸及架設時易變形；柵條反射面能夠極大地減小風阻力，減輕天線質量，同時結構簡單，制造工藝性好，但柵條必須與電場矢量方向平行。

反射面的形式對天線的結構型式有很大的影響，因此根據(jù)車載偏饋天線的使用環(huán)境和結構特點選擇一種合適的反射面形式非常重要。該天線的使用環(huán)境惡劣，直接裸露在戶外，沒有天線罩保護，在工作狀態(tài)下迎風面積大，不適合選用實體反射面；該天線的高機動性結構特點決定了工作時需要迅速展開，收藏時需要快速倒伏，運輸和架設頻率高，不適合選擇網狀反射面；該天線為小型反射體天線，為了適應批量生產，結構設計時盡量考慮節(jié)省成本，采用工藝簡單的方法，不適合選用打孔金屬板做反射面；該天線系統(tǒng)中饋源喇叭輻射出水平極化電波，只要保證柵條平行于電場矢量方向就可以采用柵條反射面形式，同時單根柵條只有一種圓弧曲率，成型容易，工藝簡單，因此選用柵條反射面形式相對比較合適。

3.1.2 反射面的設計

根據(jù)車載偏饋天線的使用環(huán)境和結構特點，綜合考慮工藝、運輸和成本等諸多因素，該天線采用柵條反射面形式，如圖3所示。柵條反射面看似簡單，其實有它的特殊性：每根柵條的圓弧曲率都不相同，需要精確計算；柵條需要平行于地面(電場矢量方向)，柵條中心的間距必須小于半個波長。柵條的截面尺寸與柵條間距的確定需要權衡電性能要求和結構性能要求，電性能需要滿足漏過功率的要求，結構性能需要考慮風阻大小和反射面的質量。

圖3 反射面示意圖

該天線反射面的柵條選用空心圓管截面形式，采用φ6 mm × 1 mm細鋁圓管彎曲成型，中間用若干支撐板來支撐。支撐板與柵條垂直，支撐板固定在天線骨架的圍框上，安裝時能夠前后調整，使之位于正確位置。柵條平行于地面，柵條之間取適當間距，既可以滿足漏過功率的要求，又最大限度地減小了風阻力和質量。采用這種反射面形式，每根柵條只有單一圓弧曲率，容易彎曲成形，制造工藝性好，適合批量生產，并且易于裝配，制造精度要求不高，成本低廉。

3.2 天線骨架

天線骨架作為整個天線的主要承力部件，既要保證天線在車載環(huán)境下結構不被破壞，又要確保天線能夠保持高精度的電訊性能[3]。

3.2.1 天線骨架的結構型式

天線骨架是天線的主要承力部件，它支撐反射面，保證天線的剛強度。圓拋物面天線的背架大致有以下3種結構型式：輻射狀結構、六角星形結構和方格狀結構，如圖4所示。輻射狀結構具有很好的對稱性，各輻射梁的尺寸與形狀完全相同，易于加工和裝配；六角星形結構的優(yōu)點是每塊反射面的大小都相等；方格狀結構的特點是各梁比較均勻地分布在面上，使反射面上各點的變形趨于一致[4]。

圖4 拋物面天線骨架結構形式

天線骨架的結構型式關系到天線自身的剛強度，影響到反射面精度，對天線的包裝運輸也有很大影響，因此根據(jù)車載偏饋天線的自身特點和結構設計需求，選擇一種合適的結構型式非常重要。該車載偏饋拋物面天線饋源偏離拋物面中心，導致反射體左右對稱但上下不對稱，因此輻射狀結構和六角星形結構都不適合作為偏饋拋物面天線的背架結構型式，而方格狀結構型式使天線骨架的各梁比較均勻地分布在面上，適合布置調整裝置，使反射面上各點的變形趨于一致，同時生產工藝簡單，因此選用方格狀結構型式更加合適。

3.2.2 天線骨架的設計

根據(jù)車載偏饋拋物面天線的自身特點和結構設計需求，該天線骨架采用方格狀結構型式。該天線的反射體口徑為1.8 m，屬于小型拋物面天線，綜合考慮工藝、輸運和成本等諸多因素，背架不做切塊處理，整體焊接成型。該天線采用若干鋁圓管作為垂直梁和水平梁整體焊接成方格狀結構，鋁圓管兩端與圍框焊接，預留安裝調整裝置位置，和反射面上支撐板相對應，如圖5所示。焊接前，鋁圓管需要在模具上預成型，考慮到有調整裝置調節(jié)反射面精度，所以背架制造不必很準確，進一步降低了制造成本。

圖5 天線骨架示意圖

天線安裝在車廂頂部，由于運輸高度的限制，背架只能做成輕薄型結構，厚度需要小于14 cm。通過采用高強度、耐腐蝕性好的鋁材，選擇合適的管徑和壁厚，控制好背架方格的大小，實現(xiàn)天線背架結構的輕薄化，滿足天線運輸?shù)囊螅瑫r又能保證背架的剛強度。該結構型式造型美觀，輕巧，便于運輸，工藝性好，制造難度不高。

3.3 調整裝置

目前反射面與背架的連接有2種情況：1)反射面與背架之間的距離不能調整，直接采用鉚接或焊接的方法把兩者固定。采用這種連接方式，裝配工藝比較簡單，但對背架制造要求很高。2)反射面與背架之間的距離可以調整。采用這種連接方式，背架制造不必很準確，只需在裝配時進行調整，就可以達到所需的精度。

該天線采用上述第2種連接方式。根據(jù)上述天線結構型式，可以采用以下2種調整裝置：1)利用調整螺栓在長腰孔中滑動，把反射面與背架之間的距離調節(jié)到合適位置，然后鎖緊螺栓并焊牢，如圖6(a)所示。采用這種調節(jié)方式，裝配和調節(jié)時間長，對操作空間要求也高，但是零件生產工藝簡單，成本低。2)旋轉調整螺母，把反射面與背架之間的距離調節(jié)到合適位置，然后焊牢，如圖6(b)所示。采用這種調節(jié)方式，裝配和調節(jié)時間短，對操作空間要求低，但是零件生產工藝相對復雜，成本也相應增加。

圖6 調整裝置結構示意圖

由于該天線背架的厚度小于14 cm，操作空間有限，因此采用絲桿調整裝置比較合適。在背架上選擇合適的位置，均勻地布置絲桿調整裝置，保證反射面能夠調整到所需精度。在該天線上采用這種調節(jié)方式，降低了天線裝配和調節(jié)的難度，減輕了工人的勞動強度，縮短了工時。

4 天線結構力學分析

通過有限元仿真軟件對在自身重力、21 m/s風速和1 r/min轉速3種載荷作用下的天線進行了力學分析。其三向綜合變形如圖7所示，其上部結構的變形較大，最大變形約為1.729 mm，經過分析計算可以得到三向綜合變形的均方根值σ1為0.55 mm。由于天線反射面(柵條)是在模具上成型的，其加工和裝配精度靠模具保證，均方根σ2<0.2 mm。

圖7 天線結構的三向綜合變形

天線反射面精度可用下面公式進行估算：

(1)

式中：σ1為受力變形引起的反射面誤差；σ2為加工及裝配引起的反射面誤差。

天線結構在自身重力和35 m/s風速2種載荷作用下的應力分布如圖8所示，最大應力為40 959 kPa，發(fā)生在支耳和背架的連接處。

圖8 天線結構的應力分布圖

5052鋁材的許用應力用下面公式計算：

(2)

式中：σ0.2為名義屈服應力；n為安全系數(shù)。

從材料手冊中查得5052鋁材(鋁鎂合金)的名義屈服應力σ0.2≥65 MPa，安全系數(shù)n取1.5，計算得到許用應力[σ]=43.3 MPa，所以天線結構承受的最大應力小于許用應力。天線結構的剛強度滿足使用要求[5]。

5 結束語

為了使天線的結構設計不僅能夠滿足電性能和自

身剛強度要求，還能夠兼顧工藝、裝配、運輸和成本等方面的要求，本文根據(jù)天線的實際需求，針對不同反射面形式、不同背架結構型式和不同調整裝置進行分析研究，設計了一種高性能、低成本、輕量化和小型化的天線結構。該天線結構設計充分考慮了車載偏饋天線的特點，其生產工藝簡單，裝配耗時短，運輸快捷，成本低廉，適合批量生產。另外對該天線進行了力學仿真分析，驗證了其結構的合理性。

[1] 王美焰. 某大型米波雷達天線結構設計[J]. 機械與電子, 2012(10): 26-28.

[2] 段寶巖. 天線結構分析、優(yōu)化與測量[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 1998.

[3] 操衛(wèi)忠, 陶曉瑛. 某車載雷達天線骨架結構的有限元分析[J]. 電子機械工程, 2014, 30(3): 57-60.

[4] 葉尚輝, 李在貴. 天線結構設計[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 1988.

[5] 陳應春, 宋曉斐. 某車載天線工作狀態(tài)下的結構剛強度分析[J]. 電子機械工程, 2016, 32(1): 44-47.