一種車載對數周期陣列天線的結構設計

馬萬壘

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

對數周期天線是一種寬帶定向天線,這種天線具有方向性好、頻帶寬、有一定增益等優點,應用非常廣泛的典型結構是由偶極子構成對數周期振子。在實際的應用中,為了增強天線的方向性,提高增益,獲得更高的功率,可以采用將對數周期天線進行組陣的方法來實現。

將對數周期天線在空間范圍內按一定角度進行組陣,可以大大增加天線的發射接受功率,提高天線增益。文中對數周期天線空間陣列結構進行了詳細的設計,使用Pro/E完成了對數周期空間組陣天線的三維造型及二維工程圖設計,并對天線陣列進行了力學分析。

1 天線結構設計方案

車載對數周期陣列天線主要包括對數周期天線單元的結構設計和4個天線單元空間陣列結構設計及力學分析兩部分。天線陣的結構參數為:

①對數周期天線單元工作頻段為100～400MHz,單元天線的結構周期常數τ=dn+1/dn=ln+1/ln=0.92,間隔因子:σ=dn/(2ln)=0.12,偶極子數目n=22對,集合線長1942mm,最短和最長偶極子分別為145 mm和836 mm;

②天線陣由4個對數周期天線單元按正四錐形排列組成,單元天線的集合線中心線作為正四棱錐的4條棱,相鄰單元天線中心面夾角均為θ;

③天線陣在車頂上安裝使用,要求滿足車載、便于裝卸和重量輕等條件。

1.1 天線單元結構設計

對數周期天線的關鍵部件包括集合線和振子。根據天線的電氣設計要求,100～400 MHz的對數周期單元天線的集合線為 1 942 mm,最長振子為836 mm。對集合線及振子可選擇的材料進行比較,如表1所示。

表1 集合線及振子材料選擇的比較

綜合考慮車載要求重量輕、材料特能以及成本,根據市場上現有材料,集合線采用Ф 26×2硬鋁合金管制作。振子與集合線接觸配套使用,為防止異種材料間電化學腐蝕,振子材料也選擇硬鋁合金。

同時考慮到振子數量較多n=22,最短和最長尺寸為145 mm和836 mm,尺寸跨距較大,為滿足天線外觀的整體協調性,振子具體選用的材料規格分段進行考慮,如表2所示。

表2 振子材料規格的選用

振子和集合線的連接是天線單元設計的重要組成部分,為了保證各振子與集合線的相對位置,常用螺紋結構和焊接結構2種緊固聯接方法。2種方案特點各有優劣,具體比較如下:

螺紋結構:①螺紋部分為國家標準,幾何結構互換性、通用性強,便于安裝及后續維修;②振子與集合線分體加工,天線調整方便,利于實現天線的精度要求;③運輸方便,拆開運輸對振子和集合線的聯接精度影響小;④振子與集合線之間增加過渡連接件,結構較復雜,加工成本較高;⑤螺紋安裝、調整工作量大,安裝耗時較長。

焊接結構:①振子與集合線焊接一次成型,結構簡單,無后續的安裝精度調整問題;②鋁件進行焊接變形較大,不好控制,對振子和集合線的規格材質要求比較苛刻;③為保證焊接時各振子與集合線的相對位置精度,需設計專門的工裝夾具;④焊接完成后,整體天線體積很大,運輸不方便,運輸過程中天線容易變形,且不易檢查和維修。

綜合比較2種聯接方法的優缺點,考慮到車載條件以及以后天線投入大批量生產,可能運用到較多的場合,選用具有良好通用性、便于維護及運輸的螺紋聯接結構。

為保持集合線的相對位置,在2根集合線兩端及中間4處安裝有環氧樹脂夾板,其中每處夾板都由上下2片環氧樹脂板組成。將上下夾板上的螺釘緊固,便將集合線夾緊,再用與環氧樹脂夾板成分相近的環氧樹脂膠或者AB膠填充2塊夾板與集合線間的間隙,這樣上下2片夾板與集合線就形成了一個整體,利用夾板和集合線之間的摩擦力及膠的粘接力可以防止圓形集合線的轉動和平動。實踐證明這種方法是切實可行的。

1.2 天線陣結構設計

天線陣由4個對數周期天線單元按正四棱錐形排列組成,4個單元天線集合線中心線作為正四棱錐的4條棱,相鄰單元天線間的角度為θ,因此天線陣結構設計主要任務就是滿足4個天線單元的位置要求。

按照天線陣的排列方式要求,支架與單元天線集合線組成四棱錐臺形固定。具體設計時,先設計出2個平行的4邊形平面框架,分別作為正四棱錐臺的上下底面。將4個單元天線固定在2個框架的4個角上,形成正四棱錐臺結構。再用橫梁將2個框架中心連接固定,用支柱將橫梁支撐起來,最后用拉桿將框架與橫梁、支柱連起來,增加支架的整體穩定性,形成完整的天線陣支架。

在選則天線陣支架材料時,考慮到2個平面框架及橫梁處于天線陣列之中,易采用對電氣性能影響較小,且適于車載重量較輕的非金屬材料。利用Pro/E創建實體模型計算可以得知每個天線單元的質量為5.6 kg,重量較輕。綜合比較,在設計時初步選廣泛運用于電力行業的環氧玻璃布管。2個框架及輔助加強固定的拉桿由規格為Φ 36×2的管子搭接而成,橫梁采用規格為 Φ 80×3的管子。對于立柱考慮其支撐了整個天線陣的重量,對強度有較高的要求,決定采用相對較輕的鋁合金管來滿足強度要求,具體規格為 Φ 90×5。

另外在設計時充分考慮到車載要求便于拆裝、運輸的特點,天線陣設計成可以分塊快速拆裝的結構。單元天線與支架連接采用2個一面一銷定位組合的定位方法,單元天線拆裝時只需要手動擰2個蝶形螺母即可。2個平面框架與橫梁的連接,采用平面與扁口銷組合定位方式,手動擰2個花形大螺母便可以實現快速拆卸。利用Pro/E實體造型,陣列天線整體外形如圖1所示。

圖1 天線陣列外形圖

2 力學分析

為了安全,對關鍵性部件所選用的管件強度和剛度進行校合。2個框架采用規格為 Φ 36×2環氧玻璃布管,環氧玻璃布管特性數據如表3所示。對管件的受力情況進行分析,管件受軸向拉力或壓力作用。每個天線單元都由2個框架一起支撐,所以每個管件受力F小于天線單元的自重,計算時估且取:

管件的橫截面積為:

管件受的拉壓應力均為:

表3 環氧玻璃布管特性數據[3]

又 σt=410MPa,σc=400MPa。于是有 :σF＜σt,σF＜σc。

根據胡克定律σ=Eε可知,管件的軸向應變為:

框架最長管件為:l=1 375 mm。那么最大變形為:

Δl完全可以滿足使用要求。

因此2個平面框架采用規格Ф 36×2的管材強度和剛度都是安全可靠的。

對橫梁受力進行分析,在立桿的支點處將橫梁分成2段,橫梁可看成前后2段獨立的懸臂梁。利用Pro/E建模可以算出橫梁的受力為:

由靜力平衡方程∑F=0,∑Mo=0知:

對2組數據分析比較:Q前＞Q后,M前≈M后,在校核時取較大的值計算。

(1)對橫梁彎曲強度進行校核

管件抗彎截面系數為:

又許用彎曲強度為 σw=590 MPa,于是有:σ＜σw。

(2)對橫梁剪切強度進行校核

截面對中性軸轉動慣量為:

彎曲應力為:

截面對中性軸靜距為:

又許用剪切強度為:τS=18 MPa,于是有:τ＜τS。因此橫梁強度符合使用要求。

(3)對橫梁剛度進行校核

懸臂梁撓度方程及轉角方程為:

剪切應力為:

那么橫梁前后兩端最大撓度及最大轉角為分別為:

利用MSC分析軟件做出橫梁的應力及位移云圖,比較軟件分析與公式推導計算的數據,二者可以很好地吻合,因此推斷利用公式推導計算的數據是正確可靠的。

在設計時為了保證天線陣安裝精度,要求其最大撓度 f＜0.2 mm,最大轉角θ＜10′,顯然橫梁后端撓度fB=-0.25 mm是偏大的,但是fA與fB方向相同,實際相差為 Δf=fA-fB=0.16 mm,即 fA抵消了一部分fB對精度影響,于是 Δf＜0.2 mm,實際是滿足精度要求的。并且前后框架下方都有撐桿,可大大改善梁的實際受力變形狀況。

由上述分析可知,橫梁的強度和剛度均可以滿足使用的要求。

立桿正常工作時,豎直放置支撐整個天線陣的重量。天線陣為左右對稱結構,在設計時立桿支撐點放在天線陣的重心位置,所以立桿只軸向壓力。又由于立桿的軸向變形只是讓天線陣整體移動,對天線陣單元安裝無影響,可以不考慮,只校核立桿強度即可。利用Pro/E實體造型算得,天線陣對立桿壓力為:

立桿所受壓應力為:

查標準GB/T6893-2000鋁管的屈服強度[σ]=145 MPa,于是 σN＜[σ]。立桿的強度滿足使用要求,強度是安全可靠的。天線陣實測方向圖如圖2所示。

圖2 天線陣實測方向圖

3 結束語

對四棱錐狀對數周期陣列天線進行了結構設計,并對主要受力部件進行了力學分析,根據所做的設計和分析完成了天線陣的生產、制造、裝配和測試。目前該組陣天線已運用到多個場合,在實際使用中,天線陣結構外形穩定可靠,便于車載拆裝,很好地滿足了預期的結構性能和電氣指標要求。

[1]劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,1997.

[2]胡 超,施滸立,李圣明.雙極化對數周期天線陣結構設計[J].電子機械工程,2007(2):37-40.

[3]中國航空材料手冊編輯委員會中國航空材料手冊.(第6卷)[M].北京:中國標準出版社,2002.