一种车载短波环天线的结构设计及力学分析

王鸿志

【摘要】    车载短波天线是一种常见的短波天线，因其工作环境的特殊性，对天线的结构强度及重量有较高要求。本文针对车载短波天线的使用要求，在车载短波环天线的理论计算基础上，详细介绍了一种车载短波环天线的结构设计过程，针对性地满足车载平台的实际使用需求，并对最大风速条件下的天线受力情况进行了有限元分析。

【关键词】    短波    环天线    天线结构    抗风能力

引言：车载短波环天线一般安装在轮式/履带式车辆顶部，该类安装面具有安装空间小，温度、湿度环境恶劣、风载荷大、频繁受到冲击及振动等特点。有针对性的，车载短波环天线的设计应满足如下原则：满足电气、环境、可靠性等使用要求;尽量采用标准化、通用化和模块化的设计;尽量采用简单实用、工艺性好、安装维护性好、可靠性高的结构形式。在该原则的指导下进行设计可有效保证车载短波环天线的性能和使用寿命。

一、设计思路

环境适应性设计：天线所有电气连接处可靠，整体结构应没有明显的薄弱零部件，在应力集中处应进行结构优化设计，在部件连接处应采用简单可靠的连接方式。车辆行驶过程中有可能与异物碰撞刮擦的部件应具有较高的强度和韧性，且具有一定程度变形并回弹的能力。天线工作时有较好的耐震动性能;

模块化设计：天线应由若干模块构成，各模块之间应具有相对独立性，方便拆装;产品升级改造时，应具有较高的兼容性和互换性;

小型化设计：在允许的尺寸范围内，充分利用天线辐射面所在平面的高度（Z向）和长度（X向）尺寸，在垂直于辐射面方向上（Y向），尽量减小天线尺寸，在保证了天线的电气性能前提下尽量减小天线体积;

轻量化设计：天线零部件材料的选用，应遵循轻量化原则，在保证力学强度和环境适应性的前提下，非关键受力零部件尽可能选取较轻便的材料，如：铝合金、玻璃钢等;

便利性设计：天线应尽可能减少在安装、工作、拆卸、维修时需要人工操作的部位的数量和操作难度，并在拆装处采用防止误操作的设计;

运输和贮存设计：天线贮存状态下应能拆分成若干部件，各部件外形规整且便于收纳，不能有细小、易损坏的零件，且各个方向最大尺寸不超过使用要求。

二、设计方案

天线底部采用单点安装方式，即天线底部与车体的安装接口为面积很小的一块规整区域，相较于两点甚至多点安装的方式，单点安装可以有效降低对安装环境的要求，安装位置及安装方式更加灵活。

天线底部设计一套电动倒伏器，由车上人员在车内控制天线竖起/倒伏。当天线工作时，控制天线竖起，充分发挥天线性能;当天线不工作时，控制天线倒伏，保证天线的安全和车辆的通过性。相较于人工操作，电动倒伏器可以避免人员频繁登高作业，提高了安全性和便利性。

三、结构设计及材料选择

3.1天线体结构设计

天线体作用是将信号以电磁波的形式发射出去。

天线体为直径25mm，弯曲半径0.75m的圆环。为方便运输，天线体应具备拆分或折叠的功能。拆分或折叠功能不应影响天线体的导电性能，常见的连接形式有插接、螺纹连接、压接等，为尽可能保证电气连接的可靠性，应采用螺纹连接。天线体拆分为对称的两部分，连接处位于支撑杆顶部，由支撑杆顶端盖板压紧，如此在天线组装完成后可保证左右两部分连接接口处密封良好。天线体下部两侧分别引入匹配器中。为了保证天线体坚固、轻便，同时考虑电流的趋肤效应，天线体材料选用铝合金管。

3.2支撑杆结构设计

支撑杆作用是支撑并固定天线体。

支撑杆顶部为一对夹板，用于夹紧天线体。为保证结构强度和绝缘性，选用玻璃钢材料。

支撑杆的主体部分为一段1.4米长的玻璃钢管。

支撑杆上部法兰座连接夹板和玻璃钢管，为保证强度，同时减轻重量，上部法兰座选用铝合金材料。

支撑杆底部法兰座连接匹配器外壳，由于此处应力较集中，选用不锈钢材料。

3.3匹配器结构设计

匹配器的作用是容纳匹配电路。

匹配器顶部通过螺栓连接支撑杆底部，前侧连接倒伏器的托架，左右两侧开孔，使天线体两端进入匹配器内部并与匹配电路连通。由于匹配器的特殊位置和作用，所以对匹配器的结构强度和电气性能同时提出要求。匹配器主体结构选用铝合金材料，围绕天线体端部的部分区域选用聚四氟乙烯材料，并在接缝处设置密封圈。如此既保证了匹配器的整体结构坚固，又保证匹配器外壳与天线体绝缘。

3.4倒伏器结构设计

倒伏器的作用是驱动整个天线竖起或者倒伏。倒伏器主要由驱动电机、减速机构、控制电路等组成。通过力学计算，天线在设计风速下主要的力学参数如下，该数据是倒伏器设计及校核的主要技术参数依据。

3.4.1基本參数计算

设定天线在瞬时风速v=32m/s时天线正常工作。

Mm为轴系的摩擦阻力矩;MW为天线转动时所受风阻力矩，在天线升起启动的瞬间天线与风速保持水平;MJ为天线转动部分的惯性阻力距;MG为天线转动部分的重力阻力距;

经计算得，工作过程中最大阻力矩M=103.4Nm。故倒伏器的最大阻力矩为103.4N。

3.4.3倒伏器驱动设计及校核

针对本天线的使用特点，选用直流无刷电机。其具有转速高、适应性强、稳定性好、响应快等特点。

Pm所选电机的额定功率，已知Pm=0.1kw;H考虑电压损失的系数，取1.6;nm电机的额定转速，所选电机额定转速为1000rpm;λM直流电机的允许过载系数，取1.5;η总机构总效率，由上面计算知η=0.363 ;i总设计总传动比，电机额定转速1000 r/min ，转台系统设计转1r/min，则总减速比i总=1000;将相关数据代入式（4）得

四、天线抗风计算分析

车载短波环天线架设在车顶，抗风强度校核具有重要意义。设定天线在瞬时风速v=45m/s时不破坏，折算为10min平均风速，折算系数取1.39，即等同于校核10min平均风速v=32m/s时天线不破坏。直接引用前述计算风压ωi=921.6N/m2作为载荷进行计算，模拟天线在风载荷下的受力及位移情况。利用simulate有限元分析程序建立有限元模型，依次设置模型的材料、约束、载荷。

由图2-3可知，天线在模拟风载荷下的最大应力出现在支撑杆下部玻璃钢管与不锈钢法兰座交界处，最大应力为64.6Mpa<180MPa[σ]。天线在模拟风载荷下的最大位移出现在天线顶部，最大位移为16.9mm。由此可得，本天线的抗风强度满足设计标准。

五、结语

本文阐述了一种车载短波环天线的结构设计方法，对设计原则、设计思路、系统组成、结构设计、材料选择及参数计算进行了详细阐述，并对模拟风载荷条件下的天线受力情况进行了仿真分析，分析结果表明在瞬时风速32m/s时天线可正常工作，在45m/s时天线不破坏。该仿真分析结果与实际应用结果相符。

参  考  文  献

[1]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2]中华人民共和国建设部.中华人民共和国国家质量监督检疫总局，高耸结构设计规范[M].北京：中国计划出版社，2007.