一种车载电动八木天线设计与实现

赵 航，周 冲，李少恩

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

流星余迹通信[1]又称“流星突发通信”，是流星体射入大气层摩擦燃烧后形成电离余迹后，利用VHF频段无线电波的前向散射作用而实现的远距离突发通信方式。八木天线[2-3]是流余通信中常用天线形式之一，被应用于车载机动站、固定站等多种场景之中。车载机动站的优点在于机动性强，可以适应各种地形环境，实现方便快捷的任务接受。而天线的自动展收可以极大缩短车载机动站工作状态和运输状态之间的转换时间，进而提高其机动性和任务接受能力。本文设计了一种车载电动八木天线，既可满足宽频带、大功率的电气要求，又可满足自动展收的车载使用要求。

1 八木天线设计

1.1 八木天线电气设计

设计八木天线的过程中，一般可以根据所设计八木天线的目标增益、工作频率、输入阻抗和波瓣宽度等特性，来确定振子的单元个数N、天线振子的长度和相互间的间距，从而设计出符合要求的八木天线。

一般来说，八木天线的单元数目N主要是根据八木天线的辐射增益G来确定的。八木天线的辐射增益G和其纵向总长度L正相关，工程上，一般可以按照下面经验公式计算：

G=K1(L/λ)

(1)

式中系数K1随天线纵向长度L增长而减小。

图1 增益曲线表

由图1可知，根据K1,L和N等参数的选取，天线增益能够达到指标要求。考虑到实际情况和设计余量，这里N的取值为5，天线增益能够满足≥7.8dBi的要求，因此，天线采用5单元八木的结构形式。同时，八木天线采用宽带的X型有源振子结构有效的展宽带宽，天线的电压驻波比示意图如图2所示，驻波数值在1.5以下。天线增益示意图如图3所示，天线增益≥7.9dBi。

图2 天线的电压驻波比示意图

图3 天线增益示意图

另一方面采用开槽同轴线的方式进行大功率馈电设计，在加载功率为2000W时，天线上最大电场0.46MV/m<3MV/m，不会发生打火击穿，如图4所示。

1.2 八木天线结构设计

八木天线由主杆、振子、斜拉杆、主杆驱动机构和振子驱动机构等组成。工作状态下，天线水平架设，阵子单元平行于地面。如图5所示。

图4 电场分布示意图

图5 八木天线的结构示意图

八木天线主杆及振子杆选用铝合金管材，在保证天线结构强度的前提下，降低天线的加工成本。在实现展收动作方面，采用连杆-转轴连接力学驱动方式，保证收放结构的稳定性和可靠性；尽量减少天线各单元的收放关节，降低结构的复杂程度；天线振子单元采用同步收放，减少驱动装置的数量，降低收放控制难度，减轻天线重量。

八木天线通过3次电动折叠动作完成收藏。首先，两侧的振子折叠机构同时对振子杆进行折叠，即第1次和第2次折叠同时进行。然后，主杆折叠机构对两段主杆进行折叠，即第3次折叠，主杆折叠到位后，天线完成全部折叠动作。相比于手动折叠八木天线需要人工操作的局限性，电动折叠八木天线与车载高机动性的实战化需求更加契合。

2 八木天线结构力学分析

2.1 环境条件

图6 八木天线轴向定义示意图

对于尺寸较大的天线，重力使天线变形的影响不可忽略，同时天线使用环境一般为室外，风力不可避免地会引起天线的变形，因此对天线进行力学分析计算时，风载荷的影响同样不能忽略。本文对八木天线的静力分析包括自重和风载荷，要求在8级风(20m/s)条件下，天线能够正常工作。本研究对天线的不同轴向进行仿真，对不同轴向进行定义，如图6所示。

在工作状态下，天线在Y轴方向迎风面积最大，所受风载荷最大，风载荷计算如下：

F=CAq=CA×0.5ρV2

(2)

其中，C是风力系数；A是天线特征面积；ρ是空气质点的密度；V是风速。

当风速为8级风时，风力系数C取1.2[4]，经公式计算得到阻力F=CAq=174N。

2.2 有限元建模

为便于力学仿真，在详细模型的基础上进行简化，去除对仿真结果影响不大的细小结构，将简化后的模型导入到ANSYS Workbench中，对模型中的不同零件赋予不同的材料属性，天线的主体材料为硬铝合金，密度为2770kg/m3，弹性模量为71GPa，泊松比0.33。

对整个模型划分有限元网格，由于前期对模型进行了简化处理，因此使用自动划分网格的方法生成有限元网格模型，划分得到单元数为1046029，节点数为1908223。如图7所示。

图7 八木天线划分网格示意图

2.3 自重和风载下的响应分析

在八木天线展开状态下，风速为20m/s时，天线的静态分析变形图及应力云图,如图8、图9所示。

经分析可知，八木天线在自重和风速为20m/s的工况条件下，最大变形量为37.5mm，出现在外侧振子的最远端。天线的最大应力为76MPa，此处材料为2A12硬铝合金。计算在该最大应力条件下的安全裕度：

(3)

式中M.S表示安全裕度，σs表示材料许用应力，f表示安全系数，σmax表示最大应力。其中安全系数f取1.5，最大应力为76MPa，硬铝合金的许用应力取270MPa，可知该情况下的安全裕度为1.37>0，因此，八木天线的结构满足设计要求。

图8 八木天线的变形图

图9 八木天线的应力云图

3 结语

本文设计了一种车载电动八木天线，既可满足宽频带、大功率的电气指标，又可满足自动展收的车载高机动性要求，并且通过对天线结构进行力学分析可知，八木天线强度设计满足使用要求。目前车载电动八木天线已经完成试制，即将推广应用于车载机动站、隐蔽固定站等多种场景，具有广泛的应用前景。