一種水上三分量天線結構設計

宋冰 林召梅 李小總 陳學友

摘 要：針對水上三分量天線的特點，通過對天線自適應調節裝置進行結構設計、強度校核以及工藝設計給出的三分量天線，可實現船在搖擺、橫傾、縱傾時Z分量天線始終保持垂直；同時利用Ansys軟件對關鍵零件進行了有限元分析，分析和實驗的結果表明，水上三分量天線穩定可靠，可以很好滿足測試系統的需要，并且對同類設計具有重要的參考價值。

關鍵詞：三分量；天線；調節裝置；結構設計

引言

水上三分量天線由于自身特殊的布局及方向要求，其結構設計尤為重要，但關于該類天線的結構設計相關研究較少，是一種新穎的結構探測系統，根據作業要求，使用時必須保證Z分量天線在船體橫傾、縱傾及搖擺過程中始終垂直，實現Z分量天線始終保持垂直的調節裝置，是天線結構設計中最為關鍵的因素[1]。

本文設計給出的三分量天線結構簡單、緊湊，在保證船體搖擺、橫傾、縱傾過程中性能指標的同時，通過可靠的內部走線設計，不僅保證了惡劣環境下的電連接穩定可靠性，而且延長了天線的使用壽命。

1.性能特性

根據水上三分量磁天線工作環境的特點，為保證系統的測量精度及可靠性，水上三分量磁天線要求互相垂直，在船體搖擺過程中，縱傾為±10°（30min），橫傾為±15°（30min），縱搖：±10°（4～10s，30min），橫搖：±45°（3～14s，30min），相對濕度95%。Z向天線始終保持垂直。

2.系統組成、功能

水上三分量天線結構主要有三個相互垂直的三分量天線、電氣盒及自適應調節裝置等組成；工作狀態時，天線通過天線支架置于船舷外面，船以一定的速度行駛，天線進行目標物探測。

3.三分量天線結構設計

3.1結構設計

如圖1所示三分量磁天線主要有調節裝置、電氣盒、X向天線、Y向天線、Z向天線及相應的固定座組成。天線固定座及各天線筒體材料為玻璃鋼，螺釘連接處需裝自攻螺紋護套。Z向天線與固定座1采用螺釘連接，X向和Y向天線分別通過相接觸的兩安裝座螺釘連接加固，其軸向位置有相應的安裝座限位臺階來實現[2]。電氣盒通過安裝相應的密封條，實現電路板的密封。

X向天線、Y向天線、Z向天線裝配過程中，首先將其中一帶螺紋端蓋配合環氧樹脂與天線筒體進行粘接，待粘接好后，裝入纏繞好后的天線骨架，同時完成天線骨架組件的固定，并在各天線上做好標示。

為滿足接收天線在船體搖擺過程中，Z向天線始終保持垂直，保持系統作業穩定性，天線調節裝置采用十字軸結構形式，兩端分別連接天線支架和天線，其中通過軸兩端的雙螺母及尼龍墊片可以調節天線擺動頻率[3]。

如圖2所示，調節裝置主要有連接頭、十字軸、絕緣套、雙螺母、連接板等組成[4]，上接頭采用可調的連接方式，用以保證X，Y向位置的準確性，待X，Y向調整好后，用螺釘緊固，防止轉動。

3.2強度校核

工作狀態時，單根天線重量為5kg，對關鍵結構件運用Ansys進行強度校核[5]。

（1）十字軸強度校核

十字軸材料為316不銹鋼，通過機加工切削成型。應力與變形分別如圖3所示。

經過核算，應力及變形均很小，可以滿足設計要求。

（2）固定座1強度校核

固定座1材料為玻璃鋼，通過機加工成型，Z向天線與固定座螺釘連接，固定座1四個凸臺與固定座2相連接。天線工作時，主要承受Y向和Z向天線的重力作用，應力與變形分別如圖4所示。

經過核算，應力及變形均很小，滿足設計要求。

3.3結構優化

（2）走線優化設計

如圖5所示，通過在相應的固定座內設計走線槽，實現了天線的內部走線，使整個系統的走線穩定、可靠且美觀，進一步滿足了海上惡劣的作業環境使用要求。

（2）轉接頭優化設計

工作時，調節裝置通過上轉接頭與天線支架相連接，通過對上轉接頭進行優化設計，采用限位卡槽形式，方便了天線的安裝。

此外，為防止形成回路，對調節裝置進行優化，使十字軸通過絕緣套與上下轉接板相連接固定。

4結構工藝性

設計中充分考慮結構的合理性及工藝性，在保證功能和精度的要求下，采用成熟、易于加工的結構形式。

為了保證十字軸兩端軸的加工精度，零件的設計通過尺寸公差及形位公差保證；對同一方向上的兩軸進行一體加工，裝配時，通過轉接板的上下連接板與十字軸裝配。

5三防設計

提高設備的三防性能，以提高其可靠性，采用材料防護、工藝防護、結構防護（防塵）等措施，具體措施如下：

a）合理選材，如十字軸選用不銹鋼；

b）電氣盒設計有密封措施；

c）所有焊縫部位進行焊渣和氧化皮的清除；

d）對焊點、電路板等采用噴涂三防漆措施；

e）線纜接口采用航空接頭。

結束語

針對某水上三分量天線工作狀態，文章主要對天線結構的設計思路、強度校核等做了詳細的闡述與分析。分析和實驗的結果表明，該三分量天線結構設計新穎、簡單、緊湊，環境適應性強，通過自適應調節裝置的設計，可以完全滿足測試探測系統的需要。

參考文獻

[1] 四零二室.天線結構設計[M]，西安：西北電訊工程學院 1975：43-63.

[2] 秦靜 多工況下天線結構的可靠性優化設計[J]，現代制造技術與裝備，2017（6）

[3] 曹俊，姚曄.一體化技術在天線結構設計中的應用[J]，電子機械工程，2011，27（2）

[4] 鮑成艷.Top-down方法在功放組件結構設計中的應用[J]. 電子機械工程，2012，28（3）：44-47.

[5] 黃志新，劉成柱 Ansys workbench14.0超級學習手冊[M]，B北京：人民郵電出版社，2013-4