车载6.2m天线系统设计

汪 欣

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

车载6.2m天线系统设计

汪 欣

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

介绍了一种新型的车载6.2m折叠抛物面天线，其天线反射面由轻型的碳纤维复合材料制成，专用的座架与天线一体化设计，卫星通讯设备和天线集成在一个多功能方舱内，满足了多种运输形式的要求，尤其是满足了苛刻的空运要求，使其应用范围更广。并通过实际的电气测试，对这种新颖的天线进行了验证。

快速通；碳纤维复合材料；伞状天线；方舱

0 引言

随着“立体化、信息化”战场模式的发展，卫星通信在未来信息化战争中的作用日益突出，对地面设备的机动性提出了越来越高的要求。本文介绍的是一种能快速架设开通的新型卫星通信地面机动站，6.2m抛物面天线和卫星通讯设备安装在一个多功能方舱内，具有集成度高、快速开通、转移灵活、无需基础建设等多种特点，能满足公路、铁路、海运和空运条件，大大扩宽了卫星通信地面站的应用地域范围。

1 天线指向计算

多功能方舱在转移到新站址时，需要调整天线工作角度，使之对准所收的卫星，由于天线的波束极窄，6.2m天线半功率波束宽度只有0.7°左右，故需预先计算出站址所处位置的天线坐标，就可以大大缩短调整或引入跟踪状态的时间。

设定新站址地理位置的经度λ、纬度φ；卫星经度λ0、纬度0°；已知地球平均半径r(约为6378km)；卫星同步轨道距地心的距离R(约为42218km)；则天线的仰角E、方位角A为：

多功能方舱到达工作站位后，按计算好的预设位置停好，舱尾方向对准卫星方向，多功能方舱调平后作为天线工作时的基础平台，打开安装天线后，利用伺服设备控制A-E座架转动，将天线转到计算的卫星方向，搜索对准卫星，设备舱内机柜上的卫通设备发射(接收)卫星信号。信号发射前向链路的信号流程见图1所示。

图1 信号发射前向链路的信号流程图

2 技术特点

2.1 新型的天线结构

为了降低天线的重量，提高天线的安装速度，我们摒弃了传统天线拆卸面板的结构方式，采用了可折叠式收拢网格设计(伞状结构)，天线的反射面分成固定和活动两部分：固定部分为天线中心体上的反射面；其余活动部分反射面为可收拢的金属网面结构，以实现反射面的快速收拢或展开。天线收拢收缩成一个Ф2100mm×3400mm的伞状圆锥筒，最大直径处小于方舱的宽度2400mm，满足装舱运输的条件。

2.2 选用新型材料

天线的主肋、副肋、加强杆、中心体的筒体等多数部件采用新型的碳纤维复合材料制作，不仅实现了产品轻量化，同时也提高了天线的刚强度。与常用的金属材料比较，碳纤维复合材料是一种轻型的新型材料，具有高的比强度和比模量、重量轻、耐疲劳、导热、导电等一系列优良品质。

2.3 快速定位固定

优化天线的安装拆收方式，合理布置节点，精简拆卸单元，采用新式的快速定位锁紧机构，提高了天线安装拆收的速度。定位锁紧件是在传统锥形定位销的末端增加了螺纹锁紧结构，通过以锥形销导引入定位，同时完成螺栓锁紧动作实现。

2.4 自动跟踪技术

自动跟踪技术就是天线自动捕获跟踪卫星的组合工作方式，首先根据设定的星位、车体经度、车体纬度和采集到的车体航向、横倾角、纵倾角计算出天线的目标角度，然后驱动天线到这个目标位置，经过捕获扇扫过程，天线抓住目标后，即可转入步进跟踪状态。天线按四点运动，分别得出各点场强值，而后进行计算比较，确定天线向场强值较大方向运动，直到场强值最大为止。

2.5 多功能方舱

多功能方舱是专门设计的二合一的组合舱，将原来的设备舱天线舱组合在一起，可节省一辆运输车辆，而且还具有多项新功能：首先作为天线和卫通设备的运载平台；多功能方舱调平后作为天线工作时的基础平台；侧厢板和后厢板打开支撑后作为天线的安装平台；可以用人推动多功能方舱利用行走机构进行短距离的移动；可在专用载车上工作；也可在地面上单独工作；满足公路、铁路、海运和空运条件。

3 结构设计

3.1 天线及座架

天线的中心体上Ф2000mm的范围采用固定式反射面，中心体以外部分反射面均采用可折叠式收拢网格结构，设置副肋128根，主肋16根。在副肋的肋筋上铺设不锈钢网，以减少天线反射面的风阻。在天线副肋的背部设置加强筋，通过主肋与中心体相连，弥补了天线无背架支撑的结构缺陷，提高了天线抗载荷变形的能力。

为配合天线的收藏运输，设计了新型的专用座架，选用方位小转台-俯仰短支臂的A-E型结构 与天线进行一体化设计，来解决天线超高的问题。新型座架的优点是运动相对独立，结构紧凑，收藏体积小，有足够的强度和刚度。方位大轴承为四点接触轴承，承载能力和抗倾覆能力较强，并可缩短方位轴向尺寸，方位驱动采用双电机消隙，转动精度高，误差小。俯仰驱动系统的蜗轮减速机采用单头阿基米德蜗轮-蜗杆作为传动机构，具备自锁功能。

3.2 舱内布局

方舱是一种由夹心板组装成型的可移动厢体，可装载设备和人员，并提供所需的工作条件和环境防护，便于运输和储存，现已被广泛使用。多功能方舱的设备舱为标准方舱形式，舱内为密封空间，内部安装卫通设备机柜，舱前安装空调，用于调节舱内的温度，提供舒适的工作环境；天线舱为顶部开放的异型舱，舱内安装伞状天线，侧厢板和后厢板打开支撑后作为安装天线的平台。多功能方舱可在专用载车上工作，也可在地面上单独工作。多功能方舱在专用载车上的运输状态和工作状态见图2所示。

图2 运输状态和工作状态示意图

3.3 运载车辆

如果没有配备专用的运载车辆，多功能方舱可以利用其它的车辆运输，但机动性能会大大地降低。要求运输车辆的车厢长度大于8000mm，载重量大于9000kg，运输时多功能方舱需要与运输车辆牢固地联接在一起，以确保运输过程的安全。

3.4 力学分析

天线在工作时受到风载荷、重力载荷、惯性载荷、摩擦载荷等几种主要载荷的作用，由于天线的强度、刚度已定，当载荷过大时，会导致天线变形过大，影响天线的工作精度。利用力学分析软件，计算出在8级风时(风速V=20 m/s)天线的变形较小，在许可范围之内，对天线的精度影响较小，天线能正常工作。

经过计算，多功能方舱在专用载车上工作时，8级风时整车不会出现倾翻、滑移的现象，天线能安全地正常工作。而当风力超过9级时，风载荷有可能使天线车产生滑移或倾覆，处于危险状态。综合考虑天线能在8级风以下安全工作。

4 测试结果分析

天线系统组装调试完成后，在所内进行了系统联试，随后在用户现场执行任务，天线系统一直工作良好，性能稳定可靠。经过实际电气方向图测试，表明本天线在电气增益和旁瓣各方面满足指标要求，验证了天线系统的性能稳定。图3给出了电气性能指标的实测数据图。

图3 实测天线中心频率方位、俯仰方向图

5 结束语

本文从实际工程出发，阐述了一种新型6.2m车载天线的设计方案，按此方法设计的轻型天线比传统车载天线的重量减轻了约50%。通过实际的电测结果表明，满足天线的电气性能要求，可作为同种结构天线的设计参考。

[1] 周雷,任翠峰.高机动雷达天线结构设计[J].机械与电子,2011,(4):78-80.

[2] 朱迅,许越宁.某雷达轻质碳纤维天线结构设计[J].纤维复合材料,2010,(3):20-22.

[3] 冯晋祥,专用汽车[M].北京:机械工业出版社,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，高级工程师，研究方向为车载天线结构设计.

1001-9383(2017)03-0025-04

TN82

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