一種艦載短波分支籠天線的結構設計及力學分析

劉毅 宋宗鳳 盧劍鋒

摘? 要：分支籠天線是短波天線中一種常用的天線，具有通信距離遠、帶寬較寬等特點。艦載分支籠天線在使用過程中會經常受到風荷、沖擊、振動等復雜載荷的影響，要求天線結構具有較高安全性及可靠性，因此從天線結構形式、選材、抗風能力計算等方面都對天線結構設計工作起到至關重要的作用。本文根據艦載天線的使用要求，在艦載分支籠天線結構設計的理論計算基礎上，詳細介紹了一種艦載短波分支籠天線的結構設計思路及天線具體結構形式，并對該天線在實際最大風速下的抗風能力進行了仿真分析，為同類天線的設計提供了依據。

關鍵詞：短波? 分支籠天線? 天線結構? 抗風能力

中圖分類號：TN823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（a）-0011-03

Abstract： Branch cage antenna is a common antenna in shortwave antenna， which has the characteristics of long communication distance and wide bandwidth. The ship borne branch cage antenna is often affected by wind load， impact， vibration and other complex loads in the use process， which requires the antenna structure to have high safety and reliability. Therefore， the antenna structure design work plays an important role in the aspects of antenna structure form， material selection， wind resistance calculation， etc. According to the operational requirements of the shipborne antenna， based on the theoretical calculation of the structural design of the shipborne branch cage antenna， this paper introduces in detail the structural design idea and the specific structural form of the shipborne short wave branch cage antenna， and makes a simulation analysis of the wind resistance of the antenna under the actual maximum wind speed， which provides a basis for the design of similar antennas.

Key Words： HF; Branch cage antenna; Antenna structure; Wind resistance

艦載天線因其使用環境的復雜性和特殊性，對天線選材、重量、可靠性等方面要求較高。同時，艦船平臺上可供安裝天線的空間有限，對天線的尺寸要求很高。短波艦載分支籠天線以其特殊的結構形式及環境適應性，為海上通信、偵收、監視等通信功能提供保障。

依據艦載分支籠天線高度，考慮天線安裝方式，天線有兩種形式可供選擇：一種是中部固定式天線;另一種是帶拉線的底部固定式天線。中部固定式的優點是：占地面積小（可懸空安裝）、安裝方便，缺點是：為了保證強度及穩定性，天線選材規格較大，重量增加。帶拉線的底部固定式天線的優點是：重量輕、穩定性好，缺點是：占地面積大（需安裝地錨）、拉線影響人員通行、架設麻煩。

1? 分支籠天線安裝

1.1 方案選擇

天線安裝在艦船頂部，考慮到安裝場地有限，天線形式選擇中部固定式，且天線整體長度控制在3m左右。

1.2 方案設計

天線由上、下分支籠、安裝支撐板、匹配器等組成。其結構圖如圖1所示。天線總高度約為3.1m，總重量約10.5kg。匹配器盒內安裝磁圈、電纜座等器件。上下兩個分支籠通過導線將各自饋電點與匹配器相連，實現電氣導通。

2? 結構設計與選材

2.1 分支籠結構設計與選材

天線由上下兩個分支籠組件組成，兩個分支籠組件結構相同，均由16根振子、上下2個饋電端、3個支撐盤及絕緣桿等零部件組成，如圖2所示。

16根振子以絕緣桿為中心均勻分布，振子依次穿過3個支撐盤后，通過壓套固定于饋電端。絕緣支撐桿長約1.47m，兩端固定饋電端，起絕緣和支撐作用。支撐盤側表面開孔用來固定振子。上下兩個饋電端成錐形設計，通過螺母將振子固定，保證振子電氣角度，同時增加排水孔。

考慮到天線使用環境的特殊型，振子選用耐腐蝕性能好的不銹鋼絲繩（φ2.5mm），絕緣桿選用質量輕、強度好的環氧玻璃布管，支撐盤和饋電端均選用防銹鋁板制成。

2.2 匹配器及安裝板結構設計與選材

匹配器由環氧玻璃布棒制成，內裝磁圈、電纜座、接線螺柱等零部件，表面開設連接孔與上下分支籠連接，側面安裝電纜座及接線螺柱，總重量約1.1kg。

因本次天線的安裝方式采用固定板連接上下分支籠及船體法蘭接口。固定板材質為防銹鋁板，上下分支籠采用非金屬螺栓連接。

3? 天線抗風計算分析

天線架設在艦船上，主要破壞載荷為風載，設定天線在風速V=45m/s時能正常工作，60m/s風速時不破壞。60m/s為瞬時風速，折算為10min平均風速，取5s瞬時風速的換算系數1.39，即等同于平均風速43.2m/s計算，綜合比較，最終取10min相對平均風速45m/s進行抗風強度校核與計算[3]。

3.1 計算風壓計算

天線總高度3.1m，抗風指標為平穩風速45m/s，計算天線所受計算風壓。

式中：ω0為基本風壓，風速v=45m/s時，基本風壓

;μZ為風壓高度變化系數，按A類地面選取μZ=1.17;μs為體型系數，按懸臂光滑圓形結構計算，μs=0.6;

βZ為風振系數，計算鋁管的固有頻率為8.503Hz，自振周期為0.1176s，ω0T2=0.01752kN/s2/m2，查表[3]得ξ=1.54、ε1=0.57、ε2=1，則βZ=1+ξε1 ε2=1.878;代入公式（1），計算得：

計算風壓ωK=ω0μZμsβZ=1669.04N/m2 。

3.2 有限元仿真分析

利用Ansys有限元軟件建立有限元模型，以上面計算的計算風壓為輸入載荷，模擬天線在風載荷下的受力情況。

天線整體在風荷載作用下的最大應力出現在下端支撐盤處，最大應力為97.6MPa<180MPa[σ]。天線最大位移出現在天線兩端，最大位移為39mm。天線中間絕緣支撐桿最大應力為61.3MPa<180MPa[σ]。由此可得，天線抗風強度滿足設計標準。

4? 結語

本文提出了一種艦載分支籠天線的結構設計方法，對其設計思路、結構形式、選材等進行了詳細描述，并對艦載天線在風荷載作用下的受力狀況進行了分析，計算結果表明天線在相對平均風速45m/s時的抗風強度滿足設計要求，并且經實踐驗證該天線結構設計正確可靠，對于類似艦載天線設備的設計及計算具有一定的參考意義。

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