羅輝　王勇

摘 要：在微波通信中，為保障較好的通信質(zhì)量和較大的通信距離，通常采用天線掛架將微波安裝在通信高塔上。為保障微波天線的安裝、調(diào)試和通信信號(hào)質(zhì)量要求，在天線掛架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須保證天線系統(tǒng)具有一定的強(qiáng)度和剛性要求，同時(shí)要求掛架重量輕、安裝簡(jiǎn)便、制造成本較低。本文從天線系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境角度，設(shè)計(jì)了一種小口徑天線掛架，并采用I-deas軟件對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)仿真，最后采用靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了該掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足小口徑天線的使用性能要求。

Abstract：In microwave communication， the parabolic antenna is often installed on the steel tower to reach better signal quality and farther covering distance using the antenna bracket. So enough strength and rigidity must be guaranteed in order to perform the antenna installation and reach the signal quality requirement during designing the antenna bracket. moreover， light weight and lower cost is also helpful.

The article illustrates the design of a small parabolic antenna bracket， then performs the simulation using the software of I-deas， and test the mechanical performance. The results shows the construct design reaches the requirements.

關(guān)鍵詞：微波天線；掛架；天線安裝；天線力學(xué)仿真；裝配體仿真；I-DEAS

Key words：microwave antenna， antenna bracket， antenna installation， antenna static stress simulation， assembly simulation， I-DEAS

1引言

微波通信技術(shù)作為一種現(xiàn)代無(wú)線通信的主要方法，具有通信距離遠(yuǎn)、傳播穩(wěn)定、架設(shè)快，建設(shè)成本低、能跨越復(fù)雜地形等優(yōu)點(diǎn)[1]。

在微波通信中，為保障較好的通信質(zhì)量和較大的通信距離，微波天線經(jīng)常架設(shè)在通信高塔上。為了完成相對(duì)兩端的一跳天線波束的對(duì)準(zhǔn)，微波天線掛架必須具備在一定角度范圍內(nèi)的方位和俯仰調(diào)節(jié)功能，同時(shí)要求強(qiáng)度和剛性滿足環(huán)境使用要求，以保證通信信號(hào)質(zhì)量的穩(wěn)定性。微波天線掛架就是將微波天線安裝到通信塔上的一種裝置。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)需求分析

從微波天線的安裝需求考慮，掛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須具備天線安裝和調(diào)整功能。

1）安裝抱桿適應(yīng)范圍為Φ76mm～Φ115mm。

2）具備方位和俯仰調(diào)節(jié)功能：方位調(diào)節(jié)范圍：粗調(diào)范圍為0°～360°，精確調(diào)整范圍為±15°；俯仰調(diào)節(jié)范圍為±20°。

從微波天線系統(tǒng)工作要求出發(fā)，天線掛架必須滿足天線使用環(huán)境的剛度和強(qiáng)度要求：

1）在風(fēng)速為30m/s（110km/h）、裹冰25mm厚的狀況下，微波天線系統(tǒng)能正常工作，即在該天線下，天線反射面軸線偏轉(zhuǎn)角度不大于-3db波束寬度的0.3倍。[2]

2）在風(fēng)速為55m/s（200km/h）、裹冰25mm厚的狀況下，微波天線系統(tǒng)不破環(huán)[2]。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

小口徑微波天線掛架組件是微波天線系統(tǒng)中的安裝部件，主要功能為將微波天線安裝到抱桿上，同時(shí)滿足微波天線架設(shè)時(shí)的調(diào)節(jié)要求。

小口徑微波天線掛架由夾板、底座、調(diào)節(jié)板、L型連接板組成，如圖1所示。

掛架通過(guò)夾板和底座夾持在抱桿上，調(diào)節(jié)板通過(guò)兩側(cè)螺釘安裝于底座中，驅(qū)動(dòng)安裝于底座上的球頭螺栓，使得球頭在調(diào)節(jié)板的滑槽中運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)板繞轉(zhuǎn)其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)方位角度的微調(diào)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)安裝在調(diào)節(jié)板上的球頭螺栓在L型連接板上的滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)L型連接板圍繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成天線的俯仰角度的調(diào)節(jié)。

3天線系統(tǒng)仿真

3.1設(shè)計(jì)計(jì)算

，其中：CF為風(fēng)阻力系數(shù)，A為天線正面面積，q為動(dòng)壓[2]。根據(jù)相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果、相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)參考資料，取CF=1.3。A=0.368㎡。

，其中：v為風(fēng)速（m/s），q為動(dòng)壓（㎏/㎡）。

正常工作風(fēng)速30m/s（110km/h） ，計(jì)算得到，天線風(fēng)阻力 F=27㎏f；

在風(fēng)速為55m/s（200km/h），計(jì)算得到，天線風(fēng)阻力 F=90㎏f。

系統(tǒng)載荷：風(fēng)阻力，冰荷，天線系統(tǒng)自重，1+1ODU重量。

3.2靜力學(xué)仿真

根據(jù)微波天線的實(shí)際使用工況，微波天線背部將可能安裝2個(gè)室外單元ODU，天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)天線工作情況和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果得知，天線系統(tǒng)在天線正面迎風(fēng)的情況下處于最危險(xiǎn)狀態(tài)。所以，靜力學(xué)仿真主要驗(yàn)證最危險(xiǎn)狀態(tài)下天線系統(tǒng)的性能是否滿足使用要求。

為降低仿真模型對(duì)計(jì)算機(jī)資源的過(guò)高要求，在建模過(guò)程中采用合理的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化處理一，將夾板和底座與抱桿之間的接觸簡(jiǎn)化為掛架底座的固支，這樣大大降低計(jì)算機(jī)資源要求和加快計(jì)算收斂過(guò)程；簡(jiǎn)化過(guò)程二，由于ODU部分對(duì)天線系統(tǒng)的主要負(fù)載為重力載荷，因而，將其簡(jiǎn)化為一等價(jià)重量的方塊，通過(guò)剛性單元與天線背板連接；簡(jiǎn)化過(guò)程三，在天線受到正面風(fēng)載荷的情況下，將天線反射面與背板之間的接觸簡(jiǎn)化，通過(guò)耦合單元將天線面與背板連接。

在簡(jiǎn)化模型的情況下，在I-DEAS軟件中，對(duì)天線系統(tǒng)零件分別建模，劃分網(wǎng)格，最后采用耦合單元進(jìn)行系統(tǒng)連接得到系統(tǒng)有限元模型。然后在天線面上施加冰載荷和風(fēng)載荷，在求解器重求解。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果顯示：

1）在風(fēng)速為30m/s時(shí)，天線系統(tǒng)最大變形為天線罩中心1.87mm，天線罩遠(yuǎn)端變形為1.2mm。計(jì)算得到，天線反射面軸線實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度為0.1度。系統(tǒng)指標(biāo)-3db波束寬度的0.3倍，即系統(tǒng)允許偏轉(zhuǎn)角度為±0.27度。由此可見(jiàn)，天線放射面軸線實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度小于系統(tǒng)允許偏轉(zhuǎn)角度。

2）在55m/s風(fēng)速下，天線系統(tǒng)最大的應(yīng)力為114MPa。位于L型連接板加強(qiáng)肋板末端。底座、調(diào)節(jié)板、L型連接板采用壓鑄成型，材料為ADC12，屈服強(qiáng)度為230MPa。許用安全系數(shù)[n]為1.875，計(jì)算實(shí)際安全系數(shù)n為2.02。n>[n]，所以在55m/s風(fēng)速作用下，天線系統(tǒng)強(qiáng)度滿足要求。

4靜載試驗(yàn)

為保證設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品進(jìn)行靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如圖4所示。

試驗(yàn)載荷按上上述計(jì)算數(shù)據(jù)，均勻加載在天線罩上，分別測(cè)量加載前、加載后、卸載后的天線遠(yuǎn)端變形量。

測(cè)試結(jié)果為，對(duì)應(yīng)30m/s風(fēng)速的載荷下，天線面軸線轉(zhuǎn)角滿足要求；對(duì)應(yīng)55m/s風(fēng)速的載荷下，卸載后的天線系統(tǒng)能回彈到加載前的狀態(tài)，說(shuō)明該天線掛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足天線系統(tǒng)使用要求。

5結(jié)論

綜合上述仿真和試驗(yàn)結(jié)果，可以得到：

1）該天線系統(tǒng)在30m/s正常風(fēng)速下，強(qiáng)度和剛度都滿足要求，天線能正常工作。

2）該天線系統(tǒng)在55m/s極限風(fēng)速下，強(qiáng)度滿足要求。最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，所以天線系統(tǒng)在受到該風(fēng)力的作用時(shí)，天線處于完全彈性變形狀態(tài)，撤消風(fēng)力作用時(shí)，天線系統(tǒng)能恢復(fù)到正常狀態(tài)，能正常工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻斌.微波通信的發(fā)展與應(yīng)用[J].數(shù)字傳媒研究，2016，33（12）：57-58.

作者簡(jiǎn)介：羅輝，碩士，京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，結(jié)構(gòu)室主任，從事無(wú)線通信電子設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)?王勇，本科，京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，工程師，從事無(wú)線通信電子設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)?