高精度车载自动折叠天线技术

分析了基于车载平台的高精度自动折叠抛物面天线的结构设计要点，并针对这些要点提出了具体的设计方案，有效解决了天线快速运动下的高精度复位问题。通过建立有限元仿真模型，计算得到了不同工况条件下天线的应力及应变情况，验证了结构设计的正确性。

【关键词】高精度 自动折叠 有限元

1 引言

车载天线相比固定天线具有机动性高，战场生存率高，不需要进行基地建设，投资小特点。以往国内市场上的车载自动展开天线运用较广泛的主要是口径较小的2.4米及以下的无需拆装的应急通信类天线。然而，随着用户需求的不断增加，4.5米口径以上的大中型抛物面天线的自动化展收产品正逐渐的涌现在无线电通信领域。

然而，受加工水平及定位精度的影响，目前多数的大口径自动展收天线的反射面精度不高，难以满足Ka频段天线的通信使用要求。本文中介绍的自动展开车载天线系统，是专门针对Ka及以上通信频段研发，反射面多次重复展开的型面精度达到了≤0.3mm（R.M.S）。

2 天线主要技术指标分析

对于高精度自动折叠天线而言，关键的技术指标主要有两点：一是自动折叠机构的设计，包括快速、小型化设计等；二是高精度反射面的设计。

3 天線结构设计

3.1 自动折叠机构设计

为实现天线快速架设/收藏的折叠动作，我们着重进行了以下几个方面的优化设计：

3.1.1 优化天线面分块形式及折叠方向

车载天线反射面受公路运输车辆宽度的限制，必须进行分块设计。由于运输车的宽度方向是天线的主要受限尺寸，故将天线反射面按车宽反向分为左、中、右三部分，其中，左、右为折叠运动部分。同时，为缩小天线折叠部分的运动包络，简化驱动形式，我们从两种天线折叠方向中选择了左、右运动侧块向反射面内折叠的运动方式。

3.1.2 简化驱动型式，优化收展模式

折叠运动的驱动形式有液压驱动、电力驱动等，液压驱动系统虽尺寸较小，但油路系统布置较为复杂，影响装车尺寸，故在项目中选择了电机配合减速机的驱动方式。工程中，将电机驱动机构直接布置在折叠转轴之上，并针对性的进行了加强设计，使得天线整体结构既保证刚性，又简洁美观。另外，通过将天线的折叠运动改变到低仰角位置，有效规避了重力对电机驱动机构性能的影响，降低了电机驱动功率的要求，实现了机构小型化设计。

3.1.3 优化天线运动部分的结构

在天线的运动形式及收藏运输尺寸的综合要求下，折叠运动的部分需具备小尺寸、轻质量、高刚度的结构特点。传统的钢背架的结构形式，不仅重量较大，且影响装车排布，我们实际采用的是一种利用碳纤维复合材料制造的背架、面板“一体化”设计的新结构形式，将整个折叠机构的重量缩减了60%。

3.2 高精度天线反射面的设计

3.2.1 反射面结构形式的选择

天线反射面利用碳纤维复合材料制成。其弹性模量与密度、线胀系数之积的比值远高于传统天线面板的金属材料。目前，碳纤维复合材料的天线反射面常用的有两种结构形式：一种是“三明治”夹层结构，另一种是薄板结构。这两种结构形式理论上都能实现较高的型面精度，但夹层结构的面板在质量和刚度上更有优势，故在本工程中选用之。

3.2.2 面板成形工艺介绍

碳纤维复合材料的反射面板的研制过程主要有负压模具的设计、原材料的筛选、胶粘剂的选择、夹层结构性能试验、成型工艺参数确定等多项关键环节，需要进行大量的试验才能确定。我们目前是用低膨胀合金模具来实现碳纤维蒙皮的预置成形及蒙皮与蜂窝的胶粘成形。通过施加真空负压，使双层碳纤维蒙皮和蜂窝等分离组件被压贴在模具上并由粘接剂胶接固化为一整体，实现反射面面板在小刚度下成形，大刚度下定型。经此种工艺方法制造出反射面型面精度可达到δ≤0.15mm（R.M.S）。

4 力学仿真分析

有限元仿真是模拟实际结构性能的有效途径，工程中将整个天线反射体作为分析对象，载荷为重力载荷和风载荷，将天线反射体与座架连接点设为固定约束。采用MSC.Patran/Nastran软件进行力学仿真分析，将天线转轴支座及相关结构件采用solid单元（实体单元），其余部分为shell单元（壳单元）进行简化。根据指标要求，分析8级风速下天线在不同工作仰角状态的应力和应变，分析结果如表1所示。结果表明，天线在工作状态下，最大应力为35.3 MPa，最大变形为2.9mm。

5 结束语

本文从实际工程出发，介绍了一种高精度车载自动折叠抛物面天线的结构设计方案，分析了设计要点，并对关键技术指标进行了仿真分析核算。基于以上理论设计出的某高机动性天线系统，经用户使用验证，能完全满足Ka频段天线通信要求。

参考文献

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[4]宁晓磊，杨文宁，王海东.一种新型车载天纤维反射体研制[J].河北省科学院学报，2016（33），27-30.

作者介绍

杨文宁（1984-），男，现为中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。主要研究方向为车载天线结构设计工作。

作者单位

中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081