车载4.5m天线碳纤维折叠反射体设计

马万垒,杨兵,白海龙

(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4.5m天线碳纤维折叠反射体设计

马万垒,杨兵,白海龙

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

车载天线的机动性要求越来越被重视，通过对车载4.5m天线传统结构设计方案进行分析，给出了新型的天线反射体折叠展开与收藏的详细设计方案。具备优良结构性能的碳纤维复合材料在新型方案中的应用，在提高反射体精度的同时，还可以降低其重量，为满足天线机动性要求创造了条件。目前该结构设计方案在多个项目中得到了良好应用。

天线反射体；碳纤维；机动性；折叠

0 引言

车载卫通天线作为卫星通信移动载体设备，其机动性使用要求越来越被重视。影响车载天线系统机动性的因素有：天线展开与收藏性能、载车运输转移能力、设备的环境适应能力等。其中天线的展开与收藏性能是影响整个车载天线系统机动性的主要因素。

车载4.5m天线作为车载天线中较大口径的天线，不同于可以整体收藏的1.8m、2.4m天线，受到公路运输条件的限制，4.5m口径的天线必须进行分块展开与收藏。如何保证天线使用精度和强度，同时具备好的机动性能，是天线设计时着重要考虑的技术问题。碳纤维复合材料具备优良的结构性能，目前在天线产品的设计加工中，得到了很好的运用，尤其是在移动载体天线设备上的应用，优势更加明显。

1 天线反射体分块折叠结构方案

车载4.5m天线分块展开与收藏传统的实现方式是将反射体拆解成便于人工操作且利于车载运输的零部件。这种方式耗时较长，反射面装配精度也不理想。新型的天线反射体折叠展开与收藏结构方案，不再需要大范围的拆解部件，在满足运输限制条件的前提下，最小化的改变天线反射体的状态，提高了天线机动性。同时碳纤维复合材料的应用，很好地保证了天线反射面精度。

车载4.5m天线反射体由反射面和反射体骨架组成。反射面精度的高低直接决定了天线电气指标的优劣。反射体骨架是天线的主要受力部件，要求具有较高的结构刚强度。其主要作用是支撑固定天线反射面，保证反射面精度的要求。

1.1 折叠反射面设计

1.1.1 反射面折叠区域划分

天线反射体折叠反射面分成折叠活动部分和固定部分。折叠活动面板面积越小，运动包络范围也就越小，重量就越轻，人工可操作性越好。同时从天线反射面精度的角度出发，天线的每一次折叠组装，活动面板的再装配误差都会对整个天线反射面的精度产生影响。反射面分块数量越多，活动面板越大，对精度的影响就越大。因此天线折叠反射面区域分块划分的原则是：在满足车载公路运输条件的前提下，活动面板面积要尽可能小，同时分块要对称，并且尽量减小分块数量。4.5m天线反射面可以划分成三部分，中间固定面板宽2.4m，是载车平台运输不超宽的最大尺寸，两侧为折叠活动面板。如图1所示。

图1 天线反射面折叠区域划分简图

1.1.2 折叠方式的选择

根据天线反射面的结构特点，实现面板折叠有两种方法可以考虑[1]。一是反射面两侧活动面板向中央固定面板内折叠。二是反射面两侧活动面板向中央固定面板背面折叠。

方法一是向内部折叠，天线反射面两侧活动面板绕折叠转轴向内旋转一步折叠到位，优点是折叠动作简单，运动时所占空间轨迹小。缺点是折叠动作时，整个侧边块约59kg都在旋转轴外部，相对于是悬臂梁，开始向上折叠时受到其自重的影响，所需力矩较大，折叠转轴的两个支点跨距较远，装配时同轴度不好保证。

方法二是向背面折叠，为了充分利用反射面背面的空间，活动侧面板的凹面要面向中央固定面板的凸面折叠，这样在折叠动作时，侧面板就需要先旋转180°，使得其凹面面向中央固定面板的凸面后，再向下折叠收藏。优点是可以充分利用反射面背面的空间，向下折叠时在自重的作用下所需力矩较小。缺点是不能一步折叠到位，需要先旋转后再折叠，旋转运动轨迹包络所占空间较大。同时旋转轴与折叠轴为垂直关系，整体机构比较复杂。

综合考虑后选择方法一即向反射面内折叠来实现车载4.5m天线反射面的折叠收藏功能。对于其折叠需要力矩较大的缺点，经过核算重量在人工操作可承受的范围内。为了保证折叠运动轴两个支点处安装的同轴问题，在加工时严格要求保证零部件的精度，同时在装配时使用专用工装来保证其装配精度。

1.1.3 碳纤维面板的加工

折叠反射面分成了三个区域，为保证反射面板精度，反射面采用碳纤维复合材料加工而成。碳纤维复合材料具有良好的设计自由度，可以使天线结构设计更为灵活，便于设计加工异形面板。碳纤维面板面板上下蒙皮使用高强度碳纤维，同时在天线面板内预埋螺母作为反射体骨架的接口及调整点。

碳纤维面板加工时，必须在高精度模胎上加工成型，而模胎加工费用高，加工周期长，其成本约占整个天线结构系统的15%～25%，因此天线设计时要充分考虑降低模胎的成本。模胎的加工成本和周期与面积成正比，提高模胎的有效利用率，减少其加工面积，可以降低成本，缩短周期。充分利用天线反射面圆对称性以及碳纤维复合材料良好的可设计性，在上述的天线反射面折叠分割方式的基础上进一步细化分割，图2是天线反射面最终加工分块示意图。天线反射面分割成4种共7块，天线模胎加工时只需要加工其中序号1和序号2对应分块模胎，序号3和序号4的分块利用序号2即可。这样利用天线反射面的圆对称性进行分割，最大限度的降低了天线模胎的加工面积，从而有效的缩短了加工周期，降低了成本。

图2 天线反射面加工分块示意图

天线反射面分块越多，加工装配累积误差越多，其整体精度越不好保证。为了解决这一问题，从两个方面来采取措施。一是提高单块反射面板加工精度到σ≤0.15mm(R.M.S)，保证总装精度σ≤0.35mm(R.M.S)；二是单块反射面板加工好后，在高精度模胎上先将分块1和2、分块3和4按中央固定面板和活动侧面板的折叠区域划分分别进行组装，分别保证三个区域各自的精度，这三个区域不用再拆卸和单独调整，总装时保证三个区域整体装配精度即可。

1.2 反射体骨架设计

天线反射体骨架支撑固定天线反射面，同时与天线座架连接。天线反射体骨架是由纵向腹板梁、横向片桁架、斜拉钢管、俯仰支耳等钢件整体焊接组成的稳定空间封闭桁架体结构。纵向腹板梁采用打弯钢板，斜拉管采用矩形钢管，俯仰支板采用厚钢板。钢结构保证了骨架的强度，焊接时靠工装保证其整体的安装精度。天线反射体骨架如图3所示。

为了降低天线装车高度，充分利用天线自身圆弧曲面的安装空间，采用了弧形井字形梁的天线骨架结构。将与天线座架接口的俯仰支耳设计在距离天线中心1500mm的位置，使天线中心高点位置下沉到天线座架内部凹陷，满足了装车高度的要求。井字形梁的优点在于其分布与天线反射面的分块方式吻合，背部梁的完整性好，外观整齐，便于分块之间的连接，天线的整体刚度好。同时为了保证天线背架的整体精度，每片纵向、横向梁均设计为与天线的自身曲线贴合。

图3 天线反射体骨架示意图

1.3 天线反射体的折叠展开和收藏

在天线反射体折叠展开与收藏时，折叠动作的准确性与可靠性直接决定了天线反射体能否正常工作。

为满足天线面工作时的精度要求，在与反射面中央固定面板和两侧活动面板对应骨架上增加了定位与锁紧装置，保证天线反射体折叠展开时的定位与锁紧。定位装置采用锥销定位来满足定位精度要求，锥销进入销孔在起到导向作用同时，又能起定位作用，锥销上预留螺孔，当反射面长时间处于展开工作状态时，可以人工增加螺栓将锥销定位装置锁定，增加使用的可靠性。锁定装置采用松不脱螺钉锁紧的方式来实现，操作方便快捷。

天线反射体收藏时，将两侧的活动面板向内旋转至内部中心后，在对应位置设置隔振器和锁紧挂钩，将两块侧面板分别固定锁紧。

2 与传统方案的比较

按传统方法设计的4.5m天线反射体由扇形反射面板和桁架式反射体骨架组成。

天线反射面由12块相同的扇形面板圆阵列组装而成。扇形面板均由铝合金拉伸成型后铆接成型。桁架式反射体骨架由中心体、辐射梁以及环向拉杆组成。天线反射体初次加工装配时，所有面板装配到反射体骨架上后，需要对单个面板分别进行微调，从而使天线面的总装精度达到指标要求。在架设时需要对扇形面板、辐射梁等各零部件逐一组装，耗时较长，并且受多个环节装配累积误差的影响再装精度也不好保证[2]。

经过分析归纳，两种结构设计方案对比情况如表1所示。从表1中可以看出，车载天线所关心的精度、重量以及机动性指标，新型的结构设计方案都要好于传统的结构设计方案。

表1 两种方案对比

3 结束语

车载4.5m天线折叠反射体新型结构设计方案，提高了车载天线系统的机动性，同时碳纤维复合材料的应用，提高了反射面精度，减轻了天线重量，更加符合车载条件使用要求。新型天线折叠反射体如图4所示。新型方案比传统方案优势更加明显。为其他更大口径的中型车载天线反射体设计提供了参考。目前该车载4.5m折叠天线已经运用于多个项目。同时该方案在车载5m Q/Ka频段的天线设计中得到了推广应用。

图4 4.5m天线折叠反射体示意图

[1] 马利华,唐宝富.一种自动折叠抛物面天线结构设计[J].电子机械工程,2005,21(6):29-30.

[2] 马万垒.2.4米Ka天线轻型化设计及力学分析[J].河北省科学院学报,2013,30(4):44-49．

Designofcarbonfiberfoldingreflectorforvehicle4.5metersantenna

MAWan-lei，YANGBing，BAIHai-long

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081,China)

The mobility of the vehicle antenna is more and more important.Based on the analysis of traditional structure scheme design of vehicle 4.5 meters antenna，gives the detailed scheme of the new type design of the antenna reflector folding expansion and collection.The application of carbon fiber composite material with excellent structural properties in the new type scheme,can reduce its weight while improving the reflector accuracy,provides condition for the requirements of the antenna mobility.The structural design scheme has been well applied in many projects.

Antenna reflector; Carbon fiber;Mobility; Folding

2017-07-18

马万垒(1983-)，男，工程师，主要从事天线机械结构设计.

1001-9383(2017)03-0029-05

TP821.6

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