某车载偏馈天线结构设计*

陈应春，宋晓斐

(1. 南京恩瑞特实业有限公司， 江苏 南京 211100; 2. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

引 言

随着人类社会的进步和时代的发展，无论是在军事行动中还是在民间突发险情时，都需要具有快速反应的能力和应急通信设备来保证军事行动的成功和人民生命财产的安全。这就需要高机动、高增益的天线提供及时可靠的通信。

车载偏馈天线具有很高的机动能力，能够满足快速架设、撤收和运输的要求，同时偏馈结构解决了馈源对反射面遮挡的问题，减少了能量损失，提高了天线的性能，因而在军用和民用中显示出巨大优势。随着现代雷达技术的快速发展，人们对天线结构的要求越来越高。天线结构设计除了要满足电性能和自身的刚强度要求以外，还需要兼顾工艺、装配、运输和成本等方面的要求[1]。目前民品市场竞争激烈，能否设计出高性能、低成本、轻量化和小型化的天线关系到企业的生存发展。

本文分析了车载偏馈天线结构设计需求，根据其结构特点，结合工艺、装配、运输和成本等方面的要求，对其结构设计方法进行研究，设计了一种低风阻、低成本、高性能的轻薄型天线结构。

1 天线系统组成

某车载偏馈天线为C波段对流层散射通讯天线，利用大气层中传播媒介的不均匀性，对无线电波的散射作用进行超视距通信。该天线系统主要包括3大部分[2]：1)天线(由反射面、背架、调整装置等组成)；2)馈线(由喇叭、波导、环形器、滤波器、波导同轴转换等组成)；3)天线座(由方位机构和俯仰机构等组成)。天线和馈线通过转动支耳安装在天线座上，工作时需要迅速展开，展开状态如图1(a)所示，收藏时需要快速倒伏，收藏状态如图1(b)所示，并通过电控装置自动完成锁定和解锁；天线座实现天线垂直俯仰和方位旋转，通过螺钉直接固定在车厢顶部；车厢锁定在车载平台上，根据需要可以更换载车平台。本文主要针对天线部分的结构设计进行研究。

图1 天线系统组成

2 天线结构需求

与传统天线相比，该车载偏馈天线的结构设计需要重点考虑以下几个方面：

1)天线需要很高的机动能力，工作时迅速展开，收藏时快速倒伏。为了应对突发情况，不一定要等到载车平台完全停稳后才开始展开工作，有可能在行进过程中就需要展开，以保证及时通信。这需要天线具有很低的风阻和很轻的质量来减小天线座所受的载荷，同时也减小载车平台所受的载荷，这样一般的轻载车平台就可以满足使用要求。

2)天线安装在车厢顶部，由于运输高度的限制，天线在收藏状态下总高度(包括天线座高度)不能超过50 cm。为了能够满足装车要求，天线必须做成轻薄型结构。

3)样机合格后，可能需要批量生产，因此在结构设计时，需要优先选用成熟且简单的生产工艺，压缩零部件和原材料的品种和规格，节省生产成本，缩短生产周期。

3 天线结构设计

天线由反射面、天线骨架、调整装置和转动支耳等组成(如图2所示)。天线在方位上作360°旋转，要求其在安装、制造、21 m/s的风速、1 r/min的转速及自重等因素综合作用下的精度(RMS)须≤0.6 mm(工作状态)，在35 m/s的风速及自身重力作用下应满足强度要求，不被破坏。

图2 天线结构组成

3.1 反射面

天线反射面不仅要满足电性能的要求，还要满足结构性能要求，比如刚强度好，重量轻，风阻力小等。反射面的设计好坏关系到天线骨架的结构型式，影响到整个天线系统的设计。

3.1.1 反射面的形式

反射面实现反射电磁波的功能，是天线的关键部件。反射面可以分为4种形式：实体反射面、打孔金属板、网状反射面和栅条反射面。实体反射面的反射效率最高，几乎可以把所截获的电磁波全部反射出去，但风阻大，质量大，对天线骨架的刚强度和精度要求都非常高；打孔金属板能够减小风阻力，减轻天线质量，但加工复杂，成本高，而且需要高精度的安装支撑板；网状反射面能够明显减小风阻力，减轻天线质量，但表面精度低，刚性差，运输及架设时易变形；栅条反射面能够极大地减小风阻力，减轻天线质量，同时结构简单，制造工艺性好，但栅条必须与电场矢量方向平行。

反射面的形式对天线的结构型式有很大的影响，因此根据车载偏馈天线的使用环境和结构特点选择一种合适的反射面形式非常重要。该天线的使用环境恶劣，直接裸露在户外，没有天线罩保护，在工作状态下迎风面积大，不适合选用实体反射面；该天线的高机动性结构特点决定了工作时需要迅速展开，收藏时需要快速倒伏，运输和架设频率高，不适合选择网状反射面；该天线为小型反射体天线，为了适应批量生产，结构设计时尽量考虑节省成本，采用工艺简单的方法，不适合选用打孔金属板做反射面；该天线系统中馈源喇叭辐射出水平极化电波，只要保证栅条平行于电场矢量方向就可以采用栅条反射面形式，同时单根栅条只有一种圆弧曲率，成型容易，工艺简单，因此选用栅条反射面形式相对比较合适。

3.1.2 反射面的设计

根据车载偏馈天线的使用环境和结构特点，综合考虑工艺、运输和成本等诸多因素，该天线采用栅条反射面形式，如图3所示。栅条反射面看似简单，其实有它的特殊性：每根栅条的圆弧曲率都不相同，需要精确计算；栅条需要平行于地面(电场矢量方向)，栅条中心的间距必须小于半个波长。栅条的截面尺寸与栅条间距的确定需要权衡电性能要求和结构性能要求，电性能需要满足漏过功率的要求，结构性能需要考虑风阻大小和反射面的质量。

图3 反射面示意图

该天线反射面的栅条选用空心圆管截面形式，采用φ6 mm × 1 mm细铝圆管弯曲成型，中间用若干支撑板来支撑。支撑板与栅条垂直，支撑板固定在天线骨架的围框上，安装时能够前后调整，使之位于正确位置。栅条平行于地面，栅条之间取适当间距，既可以满足漏过功率的要求，又最大限度地减小了风阻力和质量。采用这种反射面形式，每根栅条只有单一圆弧曲率，容易弯曲成形，制造工艺性好，适合批量生产，并且易于装配，制造精度要求不高，成本低廉。

3.2 天线骨架

天线骨架作为整个天线的主要承力部件，既要保证天线在车载环境下结构不被破坏，又要确保天线能够保持高精度的电讯性能[3]。

3.2.1 天线骨架的结构型式

天线骨架是天线的主要承力部件，它支撑反射面，保证天线的刚强度。圆抛物面天线的背架大致有以下3种结构型式：辐射状结构、六角星形结构和方格状结构，如图4所示。辐射状结构具有很好的对称性，各辐射梁的尺寸与形状完全相同，易于加工和装配；六角星形结构的优点是每块反射面的大小都相等；方格状结构的特点是各梁比较均匀地分布在面上，使反射面上各点的变形趋于一致[4]。

图4 抛物面天线骨架结构形式

天线骨架的结构型式关系到天线自身的刚强度，影响到反射面精度，对天线的包装运输也有很大影响，因此根据车载偏馈天线的自身特点和结构设计需求，选择一种合适的结构型式非常重要。该车载偏馈抛物面天线馈源偏离抛物面中心，导致反射体左右对称但上下不对称，因此辐射状结构和六角星形结构都不适合作为偏馈抛物面天线的背架结构型式，而方格状结构型式使天线骨架的各梁比较均匀地分布在面上，适合布置调整装置，使反射面上各点的变形趋于一致，同时生产工艺简单，因此选用方格状结构型式更加合适。

3.2.2 天线骨架的设计

根据车载偏馈抛物面天线的自身特点和结构设计需求，该天线骨架采用方格状结构型式。该天线的反射体口径为1.8 m，属于小型抛物面天线，综合考虑工艺、输运和成本等诸多因素，背架不做切块处理，整体焊接成型。该天线采用若干铝圆管作为垂直梁和水平梁整体焊接成方格状结构，铝圆管两端与围框焊接，预留安装调整装置位置，和反射面上支撑板相对应，如图5所示。焊接前，铝圆管需要在模具上预成型，考虑到有调整装置调节反射面精度，所以背架制造不必很准确，进一步降低了制造成本。

图5 天线骨架示意图

天线安装在车厢顶部，由于运输高度的限制，背架只能做成轻薄型结构，厚度需要小于14 cm。通过采用高强度、耐腐蚀性好的铝材，选择合适的管径和壁厚，控制好背架方格的大小，实现天线背架结构的轻薄化，满足天线运输的要求，同时又能保证背架的刚强度。该结构型式造型美观，轻巧，便于运输，工艺性好，制造难度不高。

3.3 调整装置

目前反射面与背架的连接有2种情况：1)反射面与背架之间的距离不能调整，直接采用铆接或焊接的方法把两者固定。采用这种连接方式，装配工艺比较简单，但对背架制造要求很高。2)反射面与背架之间的距离可以调整。采用这种连接方式，背架制造不必很准确，只需在装配时进行调整，就可以达到所需的精度。

该天线采用上述第2种连接方式。根据上述天线结构型式，可以采用以下2种调整装置：1)利用调整螺栓在长腰孔中滑动，把反射面与背架之间的距离调节到合适位置，然后锁紧螺栓并焊牢，如图6(a)所示。采用这种调节方式，装配和调节时间长，对操作空间要求也高，但是零件生产工艺简单，成本低。2)旋转调整螺母，把反射面与背架之间的距离调节到合适位置，然后焊牢，如图6(b)所示。采用这种调节方式，装配和调节时间短，对操作空间要求低，但是零件生产工艺相对复杂，成本也相应增加。

图6 调整装置结构示意图

由于该天线背架的厚度小于14 cm，操作空间有限，因此采用丝杆调整装置比较合适。在背架上选择合适的位置，均匀地布置丝杆调整装置，保证反射面能够调整到所需精度。在该天线上采用这种调节方式，降低了天线装配和调节的难度，减轻了工人的劳动强度，缩短了工时。

4 天线结构力学分析

通过有限元仿真软件对在自身重力、21 m/s风速和1 r/min转速3种载荷作用下的天线进行了力学分析。其三向综合变形如图7所示，其上部结构的变形较大，最大变形约为1.729 mm，经过分析计算可以得到三向综合变形的均方根值σ1为0.55 mm。由于天线反射面(栅条)是在模具上成型的，其加工和装配精度靠模具保证，均方根σ2<0.2 mm。

图7 天线结构的三向综合变形

天线反射面精度可用下面公式进行估算：

(1)

式中：σ1为受力变形引起的反射面误差；σ2为加工及装配引起的反射面误差。

天线结构在自身重力和35 m/s风速2种载荷作用下的应力分布如图8所示，最大应力为40 959 kPa，发生在支耳和背架的连接处。

图8 天线结构的应力分布图

5052铝材的许用应力用下面公式计算：

(2)

式中：σ0.2为名义屈服应力；n为安全系数。

从材料手册中查得5052铝材(铝镁合金)的名义屈服应力σ0.2≥65 MPa，安全系数n取1.5，计算得到许用应力[σ]=43.3 MPa，所以天线结构承受的最大应力小于许用应力。天线结构的刚强度满足使用要求[5]。

5 结束语

为了使天线的结构设计不仅能够满足电性能和自

身刚强度要求，还能够兼顾工艺、装配、运输和成本等方面的要求，本文根据天线的实际需求，针对不同反射面形式、不同背架结构型式和不同调整装置进行分析研究，设计了一种高性能、低成本、轻量化和小型化的天线结构。该天线结构设计充分考虑了车载偏馈天线的特点，其生产工艺简单，装配耗时短，运输快捷，成本低廉，适合批量生产。另外对该天线进行了力学仿真分析，验证了其结构的合理性。

[1] 王美焰. 某大型米波雷达天线结构设计[J]. 机械与电子, 2012(10): 26-28.

[2] 段宝岩. 天线结构分析、优化与测量[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1998.

[3] 操卫忠, 陶晓瑛. 某车载雷达天线骨架结构的有限元分析[J]. 电子机械工程, 2014, 30(3): 57-60.

[4] 叶尚辉, 李在贵. 天线结构设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1988.

[5] 陈应春, 宋晓斐. 某车载天线工作状态下的结构刚强度分析[J]. 电子机械工程, 2016, 32(1): 44-47.