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構設計要點，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，驗證了結構設計的正確性。

【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，戰場生存率高，不需要進行基地建設，投資小特點。以往國內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品正逐漸的涌現在無線電通信領域。

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，是專門針對Ka及以上通信頻段研發，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 天線結構設計

3.1 自動折疊機構設計

為實現天線快速架設/收藏的折疊動作，我們著重進行了以下幾個方面的優化設計：

3.1.1 優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，簡化驅動形式，我們從兩種天線折疊方向中選擇了左、右運動側塊向反射面內折疊的運動方式。

3.1.2 簡化驅動型式，優化收展模式

折疊運動的驅動形式有液壓驅動、電力驅動等，液壓驅動系統雖尺寸較小，但油路系統布置較為復雜，影響裝車尺寸，故在項目中選擇了電機配合減速機的驅動方式。工程中，將電機驅動機構直接布置在折疊轉軸之上，并針對性的進行了加強設計，使得天線整體結構既保證剛性，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，有效規避了重力對電機驅動機構性能的影響，降低了電機驅動功率的要求，實現了機構小型化設計。

3.1.3 優化天線運動部分的結構

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、輕質量、高剛度的結構特點。傳統的鋼背架的結構形式，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”設計的新結構形式，將整個折疊機構的重量縮減了60%。

3.2 高精度天線反射面的設計

3.2.1 反射面結構形式的選擇

天線反射面利用碳纖維復合材料制成。其彈性模量與密度、線脹系數之積的比值遠高于傳統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構形式：一種是“三明治”夾層結構，另一種是薄板結構。這兩種結構形式理論上都能實現較高的型面精度，但夾層結構的面板在質量和剛度上更有優勢，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、夾層結構性能試驗、成型工藝參數確定等多項關鍵環節，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，實現反射面面板在小剛度下成形，大剛度下定型。經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構性能的有效途徑，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，將天線轉軸支座及相關結構件采用solid單元（實體單元），其余部分為shell單元（殼單元）進行簡化。根據指標要求，分析8級風速下天線在不同工作仰角狀態的應力和應變，分析結果如表1所示。結果表明，天線在工作狀態下，最大應力為35.3 MPa，最大變形為2.9mm。

5 結束語

本文從實際工程出發，介紹了一種高精度車載自動折疊拋物面天線的結構設計方案，分析了設計要點，并對關鍵技術指標進行了仿真分析核算。基于以上理論設計出的某高機動性天線系統，經用戶使用驗證，能完全滿足Ka頻段天線通信要求。

參考文獻

[1]周雷，任翠峰.高機動雷達天線結構設計[J].機械與電子，2011（04），78-80.

[2]李志君，李學成.高精度碳纖維/環氧復合材料天線的研制[J].《工程塑料應用》加工應用論文優選，253-255.

[3]葉尚輝，李在貴.天線結構設計[M].西安：電子科技大學出版社，1988.

[4]寧曉磊，楊文寧，王海東.一種新型車載天纖維反射體研制[J].河北省科學院學報，2016（33），27-30.

作者介紹

楊文寧（1984-），男，現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構設計工作。

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