某型信標(biāo)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：廉 佳

某型信標(biāo)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：廉 佳

本文介紹了某型信標(biāo)天線的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了該信標(biāo)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)給出了詳細(xì)的解決方法，最終設(shè)計(jì)出了滿足技術(shù)要求的信標(biāo)天線。

信標(biāo)天線是無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備，主要接收地面信標(biāo)發(fā)射機(jī)發(fā)出的高頻水平極化波信號(hào)，為飛機(jī)提供著陸引導(dǎo)信息，從而保障飛機(jī)的安全著陸。在某型信標(biāo)天線新研過(guò)程中，通過(guò)多次仿真試驗(yàn)和修改天線關(guān)鍵部位的尺寸，確定了一組能夠滿足指標(biāo)的天線參數(shù)。本次研制過(guò)程將這些關(guān)鍵部分尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)特性作為約束來(lái)設(shè)計(jì)天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮裝配、環(huán)境振動(dòng)、沖擊等對(duì)天線接收的穩(wěn)定性的影響，最終確定出了一套理想的天線結(jié)構(gòu)方案。

組成及工作原理

當(dāng)前，基本是采用的電小天線來(lái)作為機(jī)載信標(biāo)接收機(jī)，也就是相對(duì)于天線的波長(zhǎng)，天線的尺寸是非常小的。此時(shí)，天線就可以被看做是一個(gè)輻射非常小的電感器、電容器或者是這兩者通過(guò)某種方式組合在一起的組合體，然后運(yùn)用加載的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的小型化。在信標(biāo)天線中通常都是使用的比較突出的水平振子所組成的，這種水平振子運(yùn)用加載性負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的縮短。天線安裝在飛機(jī)機(jī)身的下部，具有最大輻射方向垂直向下的方向圖。其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線主要由耦合環(huán)、輻射桿和容性負(fù)載組成。調(diào)整耦合環(huán)的高度和寬度可以達(dá)到阻抗耦合匹配的目的。輻射桿的全長(zhǎng)小于四分之一中心頻率波長(zhǎng)，它的前端連接容性負(fù)載，容性負(fù)載是一個(gè)可調(diào)電容結(jié)構(gòu)，這也是本天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

信標(biāo)天線輻射主要集中在一個(gè)較為狹窄的、和地面垂直的圓錐范圍之內(nèi)。所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候都是采用的一種非對(duì)稱振子天線，并將其臂彎成一個(gè)直角，形成了一個(gè)倒L形天線，讓信標(biāo)天線能夠具備有垂直向下的心臟形方向圖，其心臟形方向圖的構(gòu)成主要由非對(duì)稱振子天線上電流分布所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的幅值和相位的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)及加工方法

在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，天線頂部的輻射桿用于接收無(wú)線電信號(hào)，零件不但長(zhǎng)度長(zhǎng)而且重量要求輕，在設(shè)計(jì)中如何在保證桿類零件強(qiáng)度的前提下減輕重量和如何加工桿類零件是主要的技術(shù)難點(diǎn)。天線右端的容性負(fù)載是一個(gè)50Pf的可調(diào)電容，指標(biāo)要求可變電容必須在振動(dòng)條件下穩(wěn)定工作，不影響天線的接收性能。在設(shè)計(jì)初期市場(chǎng)上無(wú)法找到合適的同軸電容，因?yàn)橐话愕碾娙莩叽缣螅覠o(wú)法滿足產(chǎn)品的抗振動(dòng)要求。對(duì)輻射桿的高可靠性和重量要求、同軸電容的高精確度和高穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)中很難解決的問(wèn)題。本次研制工作，通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)制作出了符合要求的輻射桿和同軸電容。

圖1　天線原理示意圖

同軸電容設(shè)計(jì)

同軸電容由一根金屬圓柱和一個(gè)與它同軸的金屬圓柱殼組合而成，當(dāng)兩柱間距比其長(zhǎng)度小得多時(shí)，兩柱間的電場(chǎng)呈均勻輻射形狀。在方案設(shè)計(jì)中，采用雙層同軸電容及內(nèi)外嵌套式設(shè)計(jì)提高同軸電容的電容值，減小同軸柱間間隙，使電場(chǎng)均勻分布，同時(shí)通過(guò)移動(dòng)內(nèi)部同軸柱上下位置來(lái)微調(diào)電容值。

根據(jù)電容計(jì)算公式C=ε×S/4πkd ，計(jì)算出同軸電容各項(xiàng)尺寸參數(shù)，最終設(shè)計(jì)將d取值為0.5mm，這就對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

通過(guò)設(shè)計(jì)電容底座和電容蓋板，將電容外套和同軸柱安裝在電容底座上，用電容端蓋固定，中間墊絕緣墊片保證電容外套和同軸柱的絕緣性。通過(guò)提高電容底座上安裝電容外套和同軸柱的將精度和同軸度來(lái)保證電容間隙為0.5mm。絕緣墊片和電容蓋板采用非金屬材料來(lái)保證電容內(nèi)外柱很好的保證了電容的絕緣性。通過(guò)在電容柱上設(shè)計(jì)螺紋，依靠螺距旋轉(zhuǎn)移動(dòng)來(lái)調(diào)整同軸電容的電容值，實(shí)現(xiàn)微調(diào)設(shè)置。

輻射桿設(shè)計(jì)

輻射桿為天線設(shè)計(jì)的主要部分，輻射桿的形狀、重量、材料關(guān)系到天線的整體性能，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算和測(cè)試最后確定了輻射桿的材料、壁厚、長(zhǎng)度，并確定輻射桿形狀為拋物線旋轉(zhuǎn)形，這樣的設(shè)計(jì)保證了輻射桿的高強(qiáng)度、低重量。

輻射桿形狀復(fù)雜、壁薄，普通的加工方法無(wú)法加工。因此在設(shè)計(jì)后期，采用拉伸模具加工零件。拉伸模具的設(shè)計(jì)采用帶壓料板的一次拉伸成型方式，通過(guò)計(jì)算銅材拉伸變形程度較大，拉伸后邊緣容易起皺，在拉伸板料上端設(shè)計(jì)壓料板，壓料板通過(guò)四根螺栓與上模固定，中間夾設(shè)橡膠板，在沖壓時(shí)壓料板先將板料四周壓住，然后凸模下移將板料拉伸成型。

總結(jié)

本文基于仿真試驗(yàn)結(jié)果得到的天線關(guān)鍵部位尺寸，對(duì)信標(biāo)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并解決了碰到的兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好了保證了信標(biāo)天線各項(xiàng)性能指標(biāo)，最終完成了信標(biāo)天線的研制工作。

廉 佳

海裝西安局

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.020