王鴻志

【摘要】? ? 車載短波天線是一種常見的短波天線，因其工作環(huán)境的特殊性，對(duì)天線的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及重量有較高要求。本文針對(duì)車載短波天線的使用要求，在車載短波環(huán)天線的理論計(jì)算基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了一種車載短波環(huán)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，針對(duì)性地滿足車載平臺(tái)的實(shí)際使用需求，并對(duì)最大風(fēng)速條件下的天線受力情況進(jìn)行了有限元分析。

【關(guān)鍵詞】? ? 短波? ? 環(huán)天線? ? 天線結(jié)構(gòu)? ? 抗風(fēng)能力

引言：車載短波環(huán)天線一般安裝在輪式/履帶式車輛頂部，該類安裝面具有安裝空間小，溫度、濕度環(huán)境惡劣、風(fēng)載荷大、頻繁受到?jīng)_擊及振動(dòng)等特點(diǎn)。有針對(duì)性的，車載短波環(huán)天線的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下原則：滿足電氣、環(huán)境、可靠性等使用要求;盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的設(shè)計(jì);盡量采用簡單實(shí)用、工藝性好、安裝維護(hù)性好、可靠性高的結(jié)構(gòu)形式。在該原則的指導(dǎo)下進(jìn)行設(shè)計(jì)可有效保證車載短波環(huán)天線的性能和使用壽命。

一、設(shè)計(jì)思路

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)：天線所有電氣連接處可靠，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)沒有明顯的薄弱零部件，在應(yīng)力集中處應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在部件連接處應(yīng)采用簡單可靠的連接方式。車輛行駛過程中有可能與異物碰撞刮擦的部件應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和韌性，且具有一定程度變形并回彈的能力。天線工作時(shí)有較好的耐震動(dòng)性能;

模塊化設(shè)計(jì)：天線應(yīng)由若干模塊構(gòu)成，各模塊之間應(yīng)具有相對(duì)獨(dú)立性，方便拆裝;產(chǎn)品升級(jí)改造時(shí)，應(yīng)具有較高的兼容性和互換性;

小型化設(shè)計(jì)：在允許的尺寸范圍內(nèi)，充分利用天線輻射面所在平面的高度（Z向）和長度（X向）尺寸，在垂直于輻射面方向上（Y向），盡量減小天線尺寸，在保證了天線的電氣性能前提下盡量減小天線體積;

輕量化設(shè)計(jì)：天線零部件材料的選用，應(yīng)遵循輕量化原則，在保證力學(xué)強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性的前提下，非關(guān)鍵受力零部件盡可能選取較輕便的材料，如：鋁合金、玻璃鋼等;

便利性設(shè)計(jì)：天線應(yīng)盡可能減少在安裝、工作、拆卸、維修時(shí)需要人工操作的部位的數(shù)量和操作難度，并在拆裝處采用防止誤操作的設(shè)計(jì);

運(yùn)輸和貯存設(shè)計(jì)：天線貯存狀態(tài)下應(yīng)能拆分成若干部件，各部件外形規(guī)整且便于收納，不能有細(xì)小、易損壞的零件，且各個(gè)方向最大尺寸不超過使用要求。

二、設(shè)計(jì)方案

天線底部采用單點(diǎn)安裝方式，即天線底部與車體的安裝接口為面積很小的一塊規(guī)整區(qū)域，相較于兩點(diǎn)甚至多點(diǎn)安裝的方式，單點(diǎn)安裝可以有效降低對(duì)安裝環(huán)境的要求，安裝位置及安裝方式更加靈活。

天線底部設(shè)計(jì)一套電動(dòng)倒伏器，由車上人員在車內(nèi)控制天線豎起/倒伏。當(dāng)天線工作時(shí)，控制天線豎起，充分發(fā)揮天線性能;當(dāng)天線不工作時(shí)，控制天線倒伏，保證天線的安全和車輛的通過性。相較于人工操作，電動(dòng)倒伏器可以避免人員頻繁登高作業(yè)，提高了安全性和便利性。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇

3.1天線體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線體作用是將信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射出去。

天線體為直徑25mm，彎曲半徑0.75m的圓環(huán)。為方便運(yùn)輸，天線體應(yīng)具備拆分或折疊的功能。拆分或折疊功能不應(yīng)影響天線體的導(dǎo)電性能，常見的連接形式有插接、螺紋連接、壓接等，為盡可能保證電氣連接的可靠性，應(yīng)采用螺紋連接。天線體拆分為對(duì)稱的兩部分，連接處位于支撐桿頂部，由支撐桿頂端蓋板壓緊，如此在天線組裝完成后可保證左右兩部分連接接口處密封良好。天線體下部兩側(cè)分別引入匹配器中。為了保證天線體堅(jiān)固、輕便，同時(shí)考慮電流的趨膚效應(yīng)，天線體材料選用鋁合金管。

3.2支撐桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐桿作用是支撐并固定天線體。

支撐桿頂部為一對(duì)夾板，用于夾緊天線體。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和絕緣性，選用玻璃鋼材料。

支撐桿的主體部分為一段1.4米長的玻璃鋼管。

支撐桿上部法蘭座連接夾板和玻璃鋼管，為保證強(qiáng)度，同時(shí)減輕重量，上部法蘭座選用鋁合金材料。

支撐桿底部法蘭座連接匹配器外殼，由于此處應(yīng)力較集中，選用不銹鋼材料。

3.3匹配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

匹配器的作用是容納匹配電路。

匹配器頂部通過螺栓連接支撐桿底部，前側(cè)連接倒伏器的托架，左右兩側(cè)開孔，使天線體兩端進(jìn)入匹配器內(nèi)部并與匹配電路連通。由于匹配器的特殊位置和作用，所以對(duì)匹配器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和電氣性能同時(shí)提出要求。匹配器主體結(jié)構(gòu)選用鋁合金材料，圍繞天線體端部的部分區(qū)域選用聚四氟乙烯材料，并在接縫處設(shè)置密封圈。如此既保證了匹配器的整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，又保證匹配器外殼與天線體絕緣。

3.4倒伏器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

倒伏器的作用是驅(qū)動(dòng)整個(gè)天線豎起或者倒伏。倒伏器主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、控制電路等組成。通過力學(xué)計(jì)算，天線在設(shè)計(jì)風(fēng)速下主要的力學(xué)參數(shù)如下，該數(shù)據(jù)是倒伏器設(shè)計(jì)及校核的主要技術(shù)參數(shù)依據(jù)。

3.4.1基本參數(shù)計(jì)算

設(shè)定天線在瞬時(shí)風(fēng)速v=32m/s時(shí)天線正常工作。

Mm為軸系的摩擦阻力矩;MW為天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受風(fēng)阻力矩，在天線升起啟動(dòng)的瞬間天線與風(fēng)速保持水平;MJ為天線轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性阻力距;MG為天線轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重力阻力距;

經(jīng)計(jì)算得，工作過程中最大阻力矩M=103.4Nm。故倒伏器的最大阻力矩為103.4N。

3.4.3倒伏器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及校核

針對(duì)本天線的使用特點(diǎn)，選用直流無刷電機(jī)。其具有轉(zhuǎn)速高、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快等特點(diǎn)。

Pm所選電機(jī)的額定功率，已知Pm=0.1kw;H考慮電壓損失的系數(shù)，取1.6;nm電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，所選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000rpm;λM直流電機(jī)的允許過載系數(shù)，取1.5;η總機(jī)構(gòu)總效率，由上面計(jì)算知η=0.363 ;i總設(shè)計(jì)總傳動(dòng)比，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1000 r/min ，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)1r/min，則總減速比i總=1000;將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）得

四、天線抗風(fēng)計(jì)算分析

車載短波環(huán)天線架設(shè)在車頂，抗風(fēng)強(qiáng)度校核具有重要意義。設(shè)定天線在瞬時(shí)風(fēng)速v=45m/s時(shí)不破壞，折算為10min平均風(fēng)速，折算系數(shù)取1.39，即等同于校核10min平均風(fēng)速v=32m/s時(shí)天線不破壞。直接引用前述計(jì)算風(fēng)壓ωi=921.6N/m2作為載荷進(jìn)行計(jì)算，模擬天線在風(fēng)載荷下的受力及位移情況。利用simulate有限元分析程序建立有限元模型，依次設(shè)置模型的材料、約束、載荷。

由圖2-3可知，天線在模擬風(fēng)載荷下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐桿下部玻璃鋼管與不銹鋼法蘭座交界處，最大應(yīng)力為64.6Mpa<180MPa[σ]。天線在模擬風(fēng)載荷下的最大位移出現(xiàn)在天線頂部，最大位移為16.9mm。由此可得，本天線的抗風(fēng)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)語

本文闡述了一種車載短波環(huán)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)模擬風(fēng)載荷條件下的天線受力情況進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明在瞬時(shí)風(fēng)速32m/s時(shí)天線可正常工作，在45m/s時(shí)天線不破壞。該仿真分析結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用結(jié)果相符。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]中華人民共和國建設(shè)部.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2007.