高精度車載自動折疊天線技術

分析了基于車載平臺的高精度自動折疊拋物面天線的結(jié)構(gòu)設計要點，并針對這些要點提出了具體的設計方案，有效解決了天線快速運動下的高精度復位問題。通過建立有限元仿真模型，計算得到了不同工況條件下天線的應力及應變情況，驗證了結(jié)構(gòu)設計的正確性。

【關鍵詞】高精度 自動折疊 有限元

1 引言

車載天線相比固定天線具有機動性高，戰(zhàn)場生存率高，不需要進行基地建設，投資小特點。以往國內(nèi)市場上的車載自動展開天線運用較廣泛的主要是口徑較小的2.4米及以下的無需拆裝的應急通信類天線。然而，隨著用戶需求的不斷增加，4.5米口徑以上的大中型拋物面天線的自動化展收產(chǎn)品正逐漸的涌現(xiàn)在無線電通信領域。

然而，受加工水平及定位精度的影響，目前多數(shù)的大口徑自動展收天線的反射面精度不高，難以滿足Ka頻段天線的通信使用要求。本文中介紹的自動展開車載天線系統(tǒng)，是專門針對Ka及以上通信頻段研發(fā)，反射面多次重復展開的型面精度達到了≤0.3mm（R.M.S）。

2 天線主要技術指標分析

對于高精度自動折疊天線而言，關鍵的技術指標主要有兩點：一是自動折疊機構(gòu)的設計，包括快速、小型化設計等；二是高精度反射面的設計。

3 天線結(jié)構(gòu)設計

3.1 自動折疊機構(gòu)設計

為實現(xiàn)天線快速架設/收藏的折疊動作，我們著重進行了以下幾個方面的優(yōu)化設計：

3.1.1 優(yōu)化天線面分塊形式及折疊方向

車載天線反射面受公路運輸車輛寬度的限制，必須進行分塊設計。由于運輸車的寬度方向是天線的主要受限尺寸，故將天線反射面按車寬反向分為左、中、右三部分，其中，左、右為折疊運動部分。同時，為縮小天線折疊部分的運動包絡，簡化驅(qū)動形式，我們從兩種天線折疊方向中選擇了左、右運動側(cè)塊向反射面內(nèi)折疊的運動方式。

3.1.2 簡化驅(qū)動型式，優(yōu)化收展模式

折疊運動的驅(qū)動形式有液壓驅(qū)動、電力驅(qū)動等，液壓驅(qū)動系統(tǒng)雖尺寸較小，但油路系統(tǒng)布置較為復雜，影響裝車尺寸，故在項目中選擇了電機配合減速機的驅(qū)動方式。工程中，將電機驅(qū)動機構(gòu)直接布置在折疊轉(zhuǎn)軸之上，并針對性的進行了加強設計，使得天線整體結(jié)構(gòu)既保證剛性，又簡潔美觀。另外，通過將天線的折疊運動改變到低仰角位置，有效規(guī)避了重力對電機驅(qū)動機構(gòu)性能的影響，降低了電機驅(qū)動功率的要求，實現(xiàn)了機構(gòu)小型化設計。

3.1.3 優(yōu)化天線運動部分的結(jié)構(gòu)

在天線的運動形式及收藏運輸尺寸的綜合要求下，折疊運動的部分需具備小尺寸、輕質(zhì)量、高剛度的結(jié)構(gòu)特點。傳統(tǒng)的鋼背架的結(jié)構(gòu)形式，不僅重量較大，且影響裝車排布，我們實際采用的是一種利用碳纖維復合材料制造的背架、面板“一體化”設計的新結(jié)構(gòu)形式，將整個折疊機構(gòu)的重量縮減了60%。

3.2 高精度天線反射面的設計

3.2.1 反射面結(jié)構(gòu)形式的選擇

天線反射面利用碳纖維復合材料制成。其彈性模量與密度、線脹系數(shù)之積的比值遠高于傳統(tǒng)天線面板的金屬材料。目前，碳纖維復合材料的天線反射面常用的有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是“三明治”夾層結(jié)構(gòu)，另一種是薄板結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)形式理論上都能實現(xiàn)較高的型面精度，但夾層結(jié)構(gòu)的面板在質(zhì)量和剛度上更有優(yōu)勢，故在本工程中選用之。

3.2.2 面板成形工藝介紹

碳纖維復合材料的反射面板的研制過程主要有負壓模具的設計、原材料的篩選、膠粘劑的選擇、夾層結(jié)構(gòu)性能試驗、成型工藝參數(shù)確定等多項關鍵環(huán)節(jié)，需要進行大量的試驗才能確定。我們目前是用低膨脹合金模具來實現(xiàn)碳纖維蒙皮的預置成形及蒙皮與蜂窩的膠粘成形。通過施加真空負壓，使雙層碳纖維蒙皮和蜂窩等分離組件被壓貼在模具上并由粘接劑膠接固化為一整體，實現(xiàn)反射面面板在小剛度下成形，大剛度下定型。經(jīng)此種工藝方法制造出反射面型面精度可達到δ≤0.15mm（R.M.S）。

4 力學仿真分析

有限元仿真是模擬實際結(jié)構(gòu)性能的有效途徑，工程中將整個天線反射體作為分析對象，載荷為重力載荷和風載荷，將天線反射體與座架連接點設為固定約束。采用MSC.Patran/Nastran軟件進行力學仿真分析，將天線轉(zhuǎn)軸支座及相關結(jié)構(gòu)件采用solid單元（實體單元），其余部分為shell單元（殼單元）進行簡化。根據(jù)指標要求，分析8級風速下天線在不同工作仰角狀態(tài)的應力和應變，分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，天線在工作狀態(tài)下，最大應力為35.3 MPa，最大變形為2.9mm。

5 結(jié)束語

本文從實際工程出發(fā)，介紹了一種高精度車載自動折疊拋物面天線的結(jié)構(gòu)設計方案，分析了設計要點，并對關鍵技術指標進行了仿真分析核算?；谝陨侠碚撛O計出的某高機動性天線系統(tǒng)，經(jīng)用戶使用驗證，能完全滿足Ka頻段天線通信要求。

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作者介紹

楊文寧（1984-），男，現(xiàn)為中國電子科技集團公司第五十四研究所工程師。主要研究方向為車載天線結(jié)構(gòu)設計工作。

作者單位

中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081