一種車載短波環(huán)天線的結構設計及力學分析

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，對天線的結構強度及重量有較高要求。本文針對車載短波天線的使用要求，在車載短波環(huán)天線的理論計算基礎上，詳細介紹了一種車載短波環(huán)天線的結構設計過程，針對性地滿足車載平臺的實際使用需求，并對最大風速條件下的天線受力情況進行了有限元分析。

【關鍵詞】? ? 短波? ? 環(huán)天線? ? 天線結構? ? 抗風能力

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、風載荷大、頻繁受到沖擊及振動等特點。有針對性的，車載短波環(huán)天線的設計應滿足如下原則：滿足電氣、環(huán)境、可靠性等使用要求;盡量采用標準化、通用化和模塊化的設計;盡量采用簡單實用、工藝性好、安裝維護性好、可靠性高的結構形式。在該原則的指導下進行設計可有效保證車載短波環(huán)天線的性能和使用壽命。

一、設計思路

環(huán)境適應性設計：天線所有電氣連接處可靠，整體結構應沒有明顯的薄弱零部件，在應力集中處應進行結構優(yōu)化設計，在部件連接處應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具有較高的強度和韌性，且具有一定程度變形并回彈的能力。天線工作時有較好的耐震動性能;

模塊化設計：天線應由若干模塊構成，各模塊之間應具有相對獨立性，方便拆裝;產品升級改造時，應具有較高的兼容性和互換性;

小型化設計：在允許的尺寸范圍內，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;

輕量化設計：天線零部件材料的選用，應遵循輕量化原則，在保證力學強度和環(huán)境適應性的前提下，非關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;

便利性設計：天線應盡可能減少在安裝、工作、拆卸、維修時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計;

運輸和貯存設計：天線貯存狀態(tài)下應能拆分成若干部件，各部件外形規(guī)整且便于收納，不能有細小、易損壞的零件，且各個方向最大尺寸不超過使用要求。

二、設計方案

天線底部采用單點安裝方式，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，相較于兩點甚至多點安裝的方式，單點安裝可以有效降低對安裝環(huán)境的要求，安裝位置及安裝方式更加靈活。

天線底部設計一套電動倒伏器，由車上人員在車內控制天線豎起/倒伏。當天線工作時，控制天線豎起，充分發(fā)揮天線性能;當天線不工作時，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、結構設計及材料選擇

3.1天線體結構設計

天線體作用是將信號以電磁波的形式發(fā)射出去。

天線體為直徑25mm，彎曲半徑0.75m的圓環(huán)。為方便運輸，天線體應具備拆分或折疊的功能。拆分或折疊功能不應影響天線體的導電性能，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，應采用螺紋連接。天線體拆分為對稱的兩部分，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。天線體下部兩側分別引入匹配器中。為了保證天線體堅固、輕便，同時考慮電流的趨膚效應，天線體材料選用鋁合金管。

3.2支撐桿結構設計

支撐桿作用是支撐并固定天線體。

支撐桿頂部為一對夾板，用于夾緊天線體。為保證結構強度和絕緣性，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，為保證強度，同時減輕重量，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，由于此處應力較集中，選用不銹鋼材料。

3.3匹配器結構設計

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，前側連接倒伏器的托架，左右兩側開孔，使天線體兩端進入匹配器內部并與匹配電路連通。由于匹配器的特殊位置和作用，所以對匹配器的結構強度和電氣性能同時提出要求。匹配器主體結構選用鋁合金材料，圍繞天線體端部的部分區(qū)域選用聚四氟乙烯材料，并在接縫處設置密封圈。如此既保證了匹配器的整體結構堅固，又保證匹配器外殼與天線體絕緣。

3.4倒伏器結構設計

倒伏器的作用是驅動整個天線豎起或者倒伏。倒伏器主要由驅動電機、減速機構、控制電路等組成。通過力學計算，天線在設計風速下主要的力學參數(shù)如下，該數(shù)據(jù)是倒伏器設計及校核的主要技術參數(shù)依據(jù)。

3.4.1基本參數(shù)計算

設定天線在瞬時風速v=32m/s時天線正常工作。

Mm為軸系的摩擦阻力矩;MW為天線轉動時所受風阻力矩，在天線升起啟動的瞬間天線與風速保持水平;MJ為天線轉動部分的慣性阻力距;MG為天線轉動部分的重力阻力距;

經計算得，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倒伏器驅動設計及校核

針對本天線的使用特點，選用直流無刷電機。其具有轉速高、適應性強、穩(wěn)定性好、響應快等特點。

Pm所選電機的額定功率，已知Pm=0.1kw;H考慮電壓損失的系數(shù)，取1.6;nm電機的額定轉速，所選電機額定轉速為1000rpm;λM直流電機的允許過載系數(shù)，取1.5;η總機構總效率，由上面計算知η=0.363 ;i總設計總傳動比，電機額定轉速1000 r/min ，轉臺系統(tǒng)設計轉1r/min，則總減速比i總=1000;將相關數(shù)據(jù)代入式（4）得

四、天線抗風計算分析

車載短波環(huán)天線架設在車頂，抗風強度校核具有重要意義。設定天線在瞬時風速v=45m/s時不破壞，折算為10min平均風速，折算系數(shù)取1.39，即等同于校核10min平均風速v=32m/s時天線不破壞。直接引用前述計算風壓ωi=921.6N/m2作為載荷進行計算，模擬天線在風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，依次設置模型的材料、約束、載荷。

由圖2-3可知，天線在模擬風載荷下的最大應力出現(xiàn)在支撐桿下部玻璃鋼管與不銹鋼法蘭座交界處，最大應力為64.6Mpa<180MPa[σ]。天線在模擬風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，本天線的抗風強度滿足設計標準。

五、結語

本文闡述了一種車載短波環(huán)天線的結構設計方法，對設計原則、設計思路、系統(tǒng)組成、結構設計、材料選擇及參數(shù)計算進行了詳細闡述，并對模擬風載荷條件下的天線受力情況進行了仿真分析，分析結果表明在瞬時風速32m/s時天線可正常工作，在45m/s時天線不破壞。該仿真分析結果與實際應用結果相符。

參? 考? 文? 獻

[1]林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]中華人民共和國建設部.中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢疫總局，高聳結構設計規(guī)范[M].北京：中國計劃出版社，2007.