一种舰载短波分支笼天线的结构设计及力学分析

刘毅 宋宗凤 卢剑锋

摘  要：分支笼天线是短波天线中一种常用的天线，具有通信距离远、带宽较宽等特点。舰载分支笼天线在使用过程中会经常受到风荷、冲击、振动等复杂载荷的影响，要求天线结构具有较高安全性及可靠性，因此从天线结构形式、选材、抗风能力计算等方面都对天线结构设计工作起到至关重要的作用。本文根据舰载天线的使用要求，在舰载分支笼天线结构设计的理论计算基础上，详细介绍了一种舰载短波分支笼天线的结构设计思路及天线具体结构形式，并对该天线在实际最大风速下的抗风能力进行了仿真分析，为同类天线的设计提供了依据。

关键词：短波  分支笼天线  天线结构  抗风能力

中图分类号：TN823                          文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2020）08（a）-0011-03

Abstract： Branch cage antenna is a common antenna in shortwave antenna， which has the characteristics of long communication distance and wide bandwidth. The ship borne branch cage antenna is often affected by wind load， impact， vibration and other complex loads in the use process， which requires the antenna structure to have high safety and reliability. Therefore， the antenna structure design work plays an important role in the aspects of antenna structure form， material selection， wind resistance calculation， etc. According to the operational requirements of the shipborne antenna， based on the theoretical calculation of the structural design of the shipborne branch cage antenna， this paper introduces in detail the structural design idea and the specific structural form of the shipborne short wave branch cage antenna， and makes a simulation analysis of the wind resistance of the antenna under the actual maximum wind speed， which provides a basis for the design of similar antennas.

Key Words： HF; Branch cage antenna; Antenna structure; Wind resistance

艦载天线因其使用环境的复杂性和特殊性，对天线选材、重量、可靠性等方面要求较高。同时，舰船平台上可供安装天线的空间有限，对天线的尺寸要求很高。短波舰载分支笼天线以其特殊的结构形式及环境适应性，为海上通信、侦收、监视等通信功能提供保障。

依据舰载分支笼天线高度，考虑天线安装方式，天线有两种形式可供选择：一种是中部固定式天线;另一种是带拉线的底部固定式天线。中部固定式的优点是：占地面积小（可悬空安装）、安装方便，缺点是：为了保证强度及稳定性，天线选材规格较大，重量增加。带拉线的底部固定式天线的优点是：重量轻、稳定性好，缺点是：占地面积大（需安装地锚）、拉线影响人员通行、架设麻烦。

1  分支笼天线安装

1.1 方案选择

天线安装在舰船顶部，考虑到安装场地有限，天线形式选择中部固定式，且天线整体长度控制在3m左右。

1.2 方案设计

天线由上、下分支笼、安装支撑板、匹配器等组成。其结构图如图1所示。天线总高度约为3.1m，总重量约10.5kg。匹配器盒内安装磁圈、电缆座等器件。上下两个分支笼通过导线将各自馈电点与匹配器相连，实现电气导通。

2  结构设计与选材

2.1 分支笼结构设计与选材

天线由上下两个分支笼组件组成，两个分支笼组件结构相同，均由16根振子、上下2个馈电端、3个支撑盘及绝缘杆等零部件组成，如图2所示。

16根振子以绝缘杆为中心均匀分布，振子依次穿过3个支撑盘后，通过压套固定于馈电端。绝缘支撑杆长约1.47m，两端固定馈电端，起绝缘和支撑作用。支撑盘侧表面开孔用来固定振子。上下两个馈电端成锥形设计，通过螺母将振子固定，保证振子电气角度，同时增加排水孔。

考虑到天线使用环境的特殊型，振子选用耐腐蚀性能好的不锈钢丝绳（φ2.5mm），绝缘杆选用质量轻、强度好的环氧玻璃布管，支撑盘和馈电端均选用防锈铝板制成。

2.2 匹配器及安装板结构设计与选材

匹配器由环氧玻璃布棒制成，内装磁圈、电缆座、接线螺柱等零部件，表面开设连接孔与上下分支笼连接，侧面安装电缆座及接线螺柱，总重量约1.1kg。

因本次天线的安装方式采用固定板连接上下分支笼及船体法兰接口。固定板材质为防锈铝板，上下分支笼采用非金属螺栓连接。

3  天线抗风计算分析

天线架设在舰船上，主要破坏载荷为风载，设定天线在风速V=45m/s时能正常工作，60m/s风速时不破坏。60m/s为瞬时风速，折算为10min平均风速，取5s瞬时风速的换算系数1.39，即等同于平均风速43.2m/s计算，综合比较，最终取10min相对平均风速45m/s进行抗风强度校核与计算[3]。

3.1 计算风压计算

天线总高度3.1m，抗风指标为平稳风速45m/s，计算天线所受计算风压。

式中：ω0为基本风压，风速v=45m/s时，基本风压

;μZ为风压高度变化系数，按A类地面选取μZ=1.17;μs为体型系数，按悬臂光滑圆形结构计算，μs=0.6;

βZ为风振系数，计算铝管的固有频率为8.503Hz，自振周期为0.1176s，ω0T2=0.01752kN/s2/m2，查表[3]得ξ=1.54、ε1=0.57、ε2=1，则βZ=1+ξε1 ε2=1.878;代入公式（1），计算得：

计算风压ωK=ω0μZμsβZ=1669.04N/m2 。

3.2 有限元仿真分析

利用Ansys有限元软件建立有限元模型，以上面计算的计算风压为输入载荷，模拟天线在风载荷下的受力情况。

天线整体在风荷载作用下的最大应力出现在下端支撑盘处，最大应力为97.6MPa<180MPa[σ]。天線最大位移出现在天线两端，最大位移为39mm。天线中间绝缘支撑杆最大应力为61.3MPa<180MPa[σ]。由此可得，天线抗风强度满足设计标准。

4  结语

本文提出了一种舰载分支笼天线的结构设计方法，对其设计思路、结构形式、选材等进行了详细描述，并对舰载天线在风荷载作用下的受力状况进行了分析，计算结果表明天线在相对平均风速45m/s时的抗风强度满足设计要求，并且经实践验证该天线结构设计正确可靠，对于类似舰载天线设备的设计及计算具有一定的参考意义。

参考文献

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