一种小口径微波天线挂架的结构设计

罗辉　王勇

摘 要：在微波通信中，为保障较好的通信质量和较大的通信距离，通常采用天线挂架将微波安装在通信高塔上。为保障微波天线的安装、调试和通信信号质量要求，在天线挂架的设计过程中，必须保证天线系统具有一定的强度和刚性要求，同时要求挂架重量轻、安装简便、制造成本较低。本文从天线系统的应用环境角度，设计了一种小口径天线挂架，并采用I-deas软件对天线系统进行静力学仿真，最后采用静载试验验证了该挂架结构设计满足小口径天线的使用性能要求。

Abstract：In microwave communication， the parabolic antenna is often installed on the steel tower to reach better signal quality and farther covering distance using the antenna bracket. So enough strength and rigidity must be guaranteed in order to perform the antenna installation and reach the signal quality requirement during designing the antenna bracket. moreover， light weight and lower cost is also helpful.

The article illustrates the design of a small parabolic antenna bracket， then performs the simulation using the software of I-deas， and test the mechanical performance. The results shows the construct design reaches the requirements.

關键词：微波天线；挂架；天线安装；天线力学仿真；装配体仿真；I-DEAS

Key words：microwave antenna， antenna bracket， antenna installation， antenna static stress simulation， assembly simulation， I-DEAS

1引言

微波通信技术作为一种现代无线通信的主要方法，具有通信距离远、传播稳定、架设快，建设成本低、能跨越复杂地形等优点[1]。

在微波通信中，为保障较好的通信质量和较大的通信距离，微波天线经常架设在通信高塔上。为了完成相对两端的一跳天线波束的对准，微波天线挂架必须具备在一定角度范围内的方位和俯仰调节功能，同时要求强度和刚性满足环境使用要求，以保证通信信号质量的稳定性。微波天线挂架就是将微波天线安装到通信塔上的一种装置。

2结构设计

2.1设计需求分析

从微波天线的安装需求考虑，挂架的结构设计必须具备天线安装和调整功能。

1）安装抱杆适应范围为Φ76mm～Φ115mm。

2）具备方位和俯仰调节功能：方位调节范围：粗调范围为0°～360°，精确调整范围为±15°；俯仰调节范围为±20°。

从微波天线系统工作要求出发，天线挂架必须满足天线使用环境的刚度和强度要求：

1）在风速为30m/s（110km/h）、裹冰25mm厚的状况下，微波天线系统能正常工作，即在该天线下，天线反射面轴线偏转角度不大于-3db波束宽度的0.3倍。[2]

2）在风速为55m/s（200km/h）、裹冰25mm厚的状况下，微波天线系统不破环[2]。

2.2结构设计方案

小口径微波天线挂架组件是微波天线系统中的安装部件，主要功能为将微波天线安装到抱杆上，同时满足微波天线架设时的调节要求。

小口径微波天线挂架由夹板、底座、调节板、L型连接板组成，如图1所示。

挂架通过夹板和底座夹持在抱杆上，调节板通过两侧螺钉安装于底座中，驱动安装于底座上的球头螺栓，使得球头在调节板的滑槽中运动，从而驱动调节板绕转其中心轴转动，带动天线实现方位角度的微调。通过驱动安装在调节板上的球头螺栓在L型连接板上的滑槽内运动，从而带动L型连接板围绕其中心轴转动，完成天线的俯仰角度的调节。

3天线系统仿真

3.1设计计算

，其中：CF为风阻力系数，A为天线正面面积，q为动压[2]。根据相关风洞试验结果、相关工程经验以及相关参考资料，取CF=1.3。A=0.368㎡。

，其中：v为风速（m/s），q为动压（㎏/㎡）。

正常工作风速30m/s（110km/h） ，计算得到，天线风阻力 F=27㎏f；

在风速为55m/s（200km/h），计算得到，天线风阻力 F=90㎏f。

系统载荷：风阻力，冰荷，天线系统自重，1+1ODU重量。

3.2静力学仿真

根据微波天线的实际使用工况，微波天线背部将可能安装2个室外单元ODU，天线系统结构如图2所示。

根据天线工作情况和风洞试验结果得知，天线系统在天线正面迎风的情况下处于最危险状态。所以，静力学仿真主要验证最危险状态下天线系统的性能是否满足使用要求。

为降低仿真模型对计算机资源的过高要求，在建模过程中采用合理的简化。简化处理一，将夹板和底座与抱杆之间的接触简化为挂架底座的固支，这样大大降低计算机资源要求和加快计算收敛过程；简化过程二，由于ODU部分对天线系统的主要负载为重力载荷，因而，将其简化为一等价重量的方块，通过刚性单元与天线背板连接；简化过程三，在天线受到正面风载荷的情况下，将天线反射面与背板之间的接触简化，通过耦合单元将天线面与背板连接。

在简化模型的情况下，在I-DEAS软件中，对天线系统零件分别建模，划分网格，最后采用耦合单元进行系统连接得到系统有限元模型。然后在天线面上施加冰载荷和风载荷，在求解器重求解。计算结果如图3所示。

结果显示：

1）在风速为30m/s时，天线系统最大变形为天线罩中心1.87mm，天线罩远端变形为1.2mm。计算得到，天线反射面轴线实际偏转角度为0.1度。系统指标-3db波束宽度的0.3倍，即系统允许偏转角度为±0.27度。由此可见，天线放射面轴线实际偏转角度小于系统允许偏转角度。

2）在55m/s风速下，天线系统最大的应力为114MPa。位于L型连接板加强肋板末端。底座、调节板、L型连接板采用压铸成型，材料为ADC12，屈服强度为230MPa。许用安全系数[n]为1.875，计算实际安全系数n为2.02。n>[n]，所以在55m/s风速作用下，天线系统强度满足要求。

4静载试验

为保证设计的可靠性，对设计完成的产品进行静载试验，试验方法如图4所示。

试验载荷按上上述计算数据，均匀加载在天线罩上，分别测量加载前、加载后、卸载后的天线远端变形量。

测试结果为，对应30m/s风速的载荷下，天线面轴线转角满足要求；对应55m/s风速的载荷下，卸载后的天线系统能回弹到加载前的状态，说明该天线挂架的结构设计满足天线系统使用要求。

5结论

综合上述仿真和试验结果，可以得到：

1）该天线系统在30m/s正常风速下，强度和刚度都满足要求，天线能正常工作。

2）该天线系统在55m/s极限风速下，强度满足要求。最大应力小于材料的许用应力，所以天线系统在受到该风力的作用时，天线处于完全弹性变形状态，撤消风力作用时，天线系统能恢复到正常状态，能正常工作。

参考文献：

[1]阎斌.微波通信的发展与应用[J].数字传媒研究，2016，33（12）：57-58.

作者简介：罗辉，硕士，京信通信技术（广州）有限公司，结构室主任，从事无线通信电子设备机械设计?王勇，本科，京信通信技术（广州）有限公司，工程师，从事无线通信电子设备机械设计?