手动0.9 m便携天线结构设计与抗风分析*

高建海，贾彦辉，段艳宾

(中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081)

手动0.9 m便携天线结构设计与抗风分析*

高建海，贾彦辉，段艳宾

(中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081)

对手动便携天线结构设计而言，轻便的结构形式和抗风能力至关重要。该天线系统需在10.7 m/s的风速下正常工作，风载荷引起的天线结构变形会直接影响其指向精度。文中详细介绍了手动0.9 m便携天线的结构设计，并对整个系统在10.7 m/s风速下的指向精度进行了仿真校核。仿真结果显示，该系统的指向精度几乎不受影响，能够满足系统正常工作要求,同时印证了手动0.9 m便携天线轻便的结构设计具有足够的抗风能力。

便携天线;结构设计;抗风分析;指向精度

引 言

随着卫星通信技术的发展和各种抢险救援及特殊通信任务的需要，便携天线凭借其独特的优势得到了普遍应用和迅速发展。便携天线具有超强的环境适应能力、极强的使用可靠性、简单的操作性和长期的稳定性，适用于重大自然灾害和突发事件的通信工作。

手动0.9 m便携天线是手动对星的便携式卫星通信系统，具有重量轻、收藏体积小、架设简单、操作简便等特点。对于手动便携天线，首要的一点是轻便易操作，在结构设计时需要重点考虑新材料的应用及一体化设计思想[1]。风载荷对天线结构的影响是造成变形和应力，对系统指标的影响是造成指向精度的偏差，而指向精度是整个系统应用时的最终指标。因此，便携天线都应设计有相应的抗风措施，且为了验证这些措施的有效性，需要就风载荷对指向精度的影响进行仿真分析。

1 系统组成与工作原理

1.1 系统组成

手动0.9 m便携天线系统主要由馈源网络、天线反射器、天线座架等组成[2]，如图1所示。馈源网络包括波纹喇叭、网络、馈线等部分；天线反射器包括主反射器、副反射器、馈源及副面支架等；天线座架包括方位调整装置和俯仰调整装置。

图1 系统结构组成

1.2 工作原理

手动0.9 m便携天线主要完成卫星通信中地面站与通信卫星之间信号的双向传输。上行的工作原理为：高功率放大器将调制并放大后的信号由波导传送到馈源，馈源将电磁辐射到天线的副反射体，经过副反射体发射的电磁波反射到主反射体，主反射体将电磁波定向地反射到自由空间，完成上行信号的传输。而信号的下行是上行的逆过程[3]。

2 结构设计

2.1 馈源网络一体化设计

馈源网络是接收通信卫星信号(下行信号)及发射功放信号(上行信号)的媒介。来自卫星的信号经过天线主、副反射面聚焦后进入馈源网络，再从馈源网络的接收端口进入低噪声下变频器(Low Noise Block, LNB)进行低噪声放大；来自功放的发射信号从馈源网络的发射端口进入馈源网络并向副反射面辐射，经天线副面、主面反射后变成平面波向卫星发射。

由于馈源、功放和LNB的功能联系紧密，也为了减小功放与馈源连接波导的差损，因此在机构形式上将三者进行一体化设计，整体安装在馈源支架上。采用一体化设计后，性能得到了提高，体积减小了，重量减轻了，同时也便于整个便携站的快速收藏与架设。图2为馈源一体化组件示意图。

图2 馈源一体化示意图

2.2 天线反射器设计

为了便于装箱运输，天线主反射器根据装箱要求分成5块。中间主体部分预埋有支耳,可与天线座连接，其余4块可通过快速安装搭扣与主体部分精确地拼装在一起，形成整个主反射器。图3为天线主反射器示意图。

图3 天线主反射器示意图

主反射器由碳纤维复合材料加工而成，采用双层薄壁夹层结构形式，表面进行金属化处理。夹层材料为铝蜂窝，上下两层采用碳纤维复合材料。其优点是结构轻巧、重量轻、刚度大、精度高。面板整体精度σ≤ 0.2 mm(rms)。副反射器由铝合金材料数控加工而成，其表面精度σ≤ 0.1 mm(rms)。馈源及副面支架采用碳纤维材料，由模压工艺加工而成，在保证刚度的情况下有效地降低了重量。

2.3 天线座架设计

手动0.9 m便携天线的座架采用方位-俯仰结构形式，主要由方位调整机构和俯仰调整机构组成。这种形式的座架具有结构紧凑、受力情况合理、调整测量方便、技术成熟等特点。天线座架为天线反射器和馈源网络提供安装平台，并可通过手动调整方位、俯仰机构,改变天线波束的指向，达到对星的目的。

方位调整机构整体上设计成三脚架形式，由撑腿、方位转盘、方位支板和快装螺钉组成。3条撑腿通过定位销和快装螺钉与方位支板连接在一起，方位转盘同样通过定位止口和快装螺钉与方位支板进行连接。在方位转盘上设计有导轨槽，需要时松开快装螺钉，方位可进行±30°的调整。方位调整机构如图4所示。

图4 方位调整机构

俯仰调整机构采用丝杠调整形式，结构轻便，原理简单，其一端固定在方位转盘的支耳上，另一端与天线反射器背部的支耳相连接。调整俯仰时，松开快装螺钉，拉动细杆实现大范围的调整，转动粗杆实现微调。使用丝杠调整的俯仰角范围为10°～90°。俯仰调整机构如图5所示。

图5 俯仰调整机构

3 抗风能力仿真校核

3.1 抗风措施

便携天线抗风能力是一个很重要的指标，为了保证系统能在10.7 m/s风速下正常工作，手动0.9 m便携天线采取了以下措施：

2)反射器面板的拼接采用进口快装搭扣，通过精密工装进行装配，以保证整个主反射器的拼装刚度。

3.2 力学仿真计算

利用MSC Partran和Nastran分析软件对手动0.9 m便携天线在10.7 m/s风速下的各种工况进行力学仿真分析[4-5]。对仿真结果进行对比发现：俯仰角为10°、风背吹时的工况最恶劣，其有限元模型如图6所示。天线自重加风背吹时，天线变形最大，如图7所示；天线自重加风侧吹时，天线应力最大，如图8所示。

图6 有限元模型

图7 俯仰10°背吹自重时天线变形图

图8 俯仰10°侧吹自重时天线应力图

从力学计算结果分析可知，在10.7 m/s风速下，天线结构最大应力为13.6 MPa，发生在天线面支耳处，支耳设计材料为铝，屈服应力为315 MPa，满足技术要求。

3.3 指向精度校核

风载荷会使天线结构产生变形和应力，使系统的指向精度发生偏差，因此校核风载荷对指向精度的影响很关键。

3.3.1 计算方法

风载荷会使反射面结构发生变化，产生一个新的曲面，新曲面的形状是任意的。但当反射体刚度足够大、变形量较小时，可以根据反射面上各离散点，设计抛物面的位移，拟合出一个新的抛物面，使新曲面的表面精度相对于这拟合后的新抛物面最佳。这个新抛物面被称为最佳吻合抛物面。根据最佳吻合抛物面与设计抛物面之间参数的关系，可以近似地计算反射面变形对指向精度的影响[6]。

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采用最佳吻合抛物面理论计算天线主面精度及指向精度，其方法如下：

1)通过结构力学分析，获取天线变形数据，即变形曲面坐标值；

2)描述理论设计面的坐标系为xoyz，描述最佳吻合反射面的坐标系为x′o′y′z′，通过坐标系的转换即坐标原点的平移及绕相应坐标轴的旋转来确定两者的转换参数；

3)计算最佳吻合反射面与变形曲面之间的法向偏差δ的表达式；

4)考虑取样点的照射系数及影响面积，可得主面精度δm的表达式；

5)应用最小二乘法求解最佳吻合反射面的参数；

6)根据求解的参数便可得到天线主面精度和波束偏移值即指向精度。

3.3.2 计算数据及结论

手动0.9 m便携天线在10.7 m/s风速下，俯仰角为10°时，3种工况下的计算数据见表1。

表1 计算数据

从表1中的数据可知，在10.7 m/s风速下，结构变形对天线增益和波束偏移几乎无影响，能够满足天线正常工作要求。

4 结束语

本文介绍了手动便携天线结构设计时的关键所在，即轻便的外形和较高的抗风能力；详细介绍了手动0.9 m便携天线各个部分的结构设计方案；对整个系统在10.7 m/s风速下的抗风能力及指向精度进行了仿真校核。仿真结果显示,系统的指向精度几乎不受影响，能够满足系统正常工作要求。

[1] 胡正飞, 访继东.便携式卫星通信地球站机构及其控制系统设计[J]. 机电产品开发与创新, 2006, 19(3): 4-6.

[2] 吴凤高. 天线座结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1986.

[3] 林昌禄, 陈海, 吴为公. 近代天线设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 1990.

[4] 马爱军, 周传月, 王旭. Patran和Nastran有限元分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[5] 武织才.车载1.2 m天线抗振分析[J]. 河北省科学院学报, 2012, 29(2): 40-44.

[6] 郑元鹏. 面天线结构动态误差对指向精度的影响[J]. 天线技术与检测, 2002, 28(6): 37-39.

高建海(1981-)，男，硕士，工程师，主要从事机载天线和便携天线的结构设计及力学仿真分析工作。

Structure Design and Anti-wind Analysis of Manual 0.9 m Portable Antenna

GAO Jian-hai，JIA Yan-hui，DUAN Yan-bin

(The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

As for the structure design of the manual portable antenna, lightweight structure and anti-wind resistance are vital. The antenna system works in the wind of 10.7 m/s and the structure deformation caused by wind load will directly affect its pointing accuracy. The structure design of the manual 0.9 m portable antenna is described in detail in this paper. And the pointing accuracy of the entire system in the wind of 10.7 m/s is simulated and checked. The simulation results show that the pointing accuracy of the system is almost unaffected and can meet the operation requirements. At the same time it is confirmed that the manual 0.9 m portable antenna with the lightweight structure has enough anti-wind resistance.

portable antenna； structure design； anti-wind analysis； pointing accuracy

2014-04-16

TN82

A

1008-5300(2014)03-0007-03