談某型天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王　建

摘要：文章根據(jù)某型天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，從材料優(yōu)選、工藝防護(hù)、結(jié)構(gòu)防護(hù)、隔離防護(hù)、散熱、風(fēng)載等方面出發(fā)，介紹了該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，闡述了設(shè)計(jì)中采取的主要措施和結(jié)構(gòu)形式以及天線支臂、中心體、放大器等關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鎖定裝置；散熱；風(fēng)載

中圖分類號(hào)：TN821文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）09-0027-02

天線廣泛應(yīng)用于各種無線電設(shè)備中，形式多樣，種類繁多。根據(jù)天線的用途、工作狀態(tài)、使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式和體積的不同，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的側(cè)重點(diǎn)也不相同。

某型天線為框天線，主要由底座、放大器、中心體、中心桿、支臂以及饋線等組成。天線外形如圖1所示：

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，對(duì)于該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下幾點(diǎn)要求：（1）為了方便天線運(yùn)輸、架設(shè)和撤收，天線支臂要求可以張開、閉合；（2）在對(duì)天線進(jìn)行測試時(shí)，天線中心體相對(duì)底座可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）要求天線具有防水、防霉、防鹽霧能力，即“三防”；（4）要求天線在十二級(jí)風(fēng)（風(fēng)速不低于32.6m/s）時(shí)能夠正常工作。

根據(jù)以上要求，在天線設(shè)計(jì)過程中，主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了考慮：

一、天線支臂

為了減輕天線重量并保證支臂具有一定的強(qiáng)度，同時(shí)提高天線的抗腐蝕能力，天線支臂選用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材經(jīng)過加工而成。

設(shè)計(jì)輸入要求天線支臂可以張開、閉合，即支臂可以圍繞支座軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這可以通過在支臂上安裝可以滑動(dòng)的鎖定裝置來解決。鎖定裝置與支臂形成滑動(dòng)副連接，與水平支撐桿形成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。在鎖定裝置上安裝螺紋壓板，通過螺紋壓板的旋入和旋出來控制鎖定裝置在支臂上的鎖緊狀態(tài)，保證鎖定裝置可以停留在支臂限位板以上的任意位置。

天線支臂及鎖定裝置安裝圖如圖2所示。

在天線初樣中，同樣是裝上了鎖定裝置和水平支撐桿，但是天線裝配完成后支臂沿垂直于水平支撐桿方向有較大的晃動(dòng)，雖然理論上這仍然是一個(gè)靜定系統(tǒng)。經(jīng)過分析，我們認(rèn)為，這主要是由于天線支臂過長，支臂轉(zhuǎn)軸處安裝間隙比較大造成的。

在天線正樣設(shè)計(jì)中，我們改進(jìn)了支臂轉(zhuǎn)軸處的結(jié)構(gòu)形式，將原來的單轉(zhuǎn)軸安裝方式改為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和一個(gè)鎖緊軸，對(duì)天線支臂采取了兩點(diǎn)鎖定的方式。通過天線正樣來看，很好地解決了支臂晃動(dòng)的問題。

二、中心體

通過在天線中心體和底座安裝板之間安裝中心轉(zhuǎn)軸，中心體四周安裝四塊壓板，可以實(shí)現(xiàn)中心體的轉(zhuǎn)動(dòng)。但是天線中心體和底座安裝板均為金屬材料，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)磨擦?xí)茐慕饘侔宓耐扛矊?，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生金屬腐蝕，影響天線使用。

我們通過在天線中心體與底座安裝板之間安裝尼龍墊板，使得天線中心體相對(duì)于底座可以在摩擦力很小的情況下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

在天線初樣中同樣出現(xiàn)了天線中心體相對(duì)于天線底座晃動(dòng)的問題。這主要是由于安裝了尼龍墊板后，中心體與底座之間有0.5mm的轉(zhuǎn)動(dòng)間隙。我們通過在中心體和底座之間增加四個(gè)緊固螺栓解決了這個(gè)問題。

三、三防

從技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性、經(jīng)濟(jì)性考慮，產(chǎn)品三防主要有以下幾種類型的防護(hù)措施：材料優(yōu)選，工藝防護(hù)，結(jié)構(gòu)防護(hù)，隔離防護(hù)等。在該天線的設(shè)計(jì)中，我們主要針對(duì)這幾點(diǎn)進(jìn)行了考慮：

（一）材料優(yōu)選

在設(shè)計(jì)中，金屬零件需要選擇耐腐蝕好的材料，兩種材料之間的組合裝配要注意選擇能相互接觸的金屬，防止產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

該天線中心支桿選用無縫鋼管，底座為熱軋鋼板焊接形式，均進(jìn)行熱浸鋅處理，其余主要結(jié)構(gòu)件全部采用防銹鋁，可以提高三防能力并有效地減輕天線主體重量。

非金屬材料選用耐高、低溫性能好，吸濕性低，透濕性小，抗霉菌性能好，具有所需的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣強(qiáng)度、阻燃性能的材料。

（二）隔離防護(hù)

天線放大器為該天線的核心部件，主體結(jié)構(gòu)為屏蔽盒，屏蔽盒外面安裝插座等。

對(duì)于天線放大器來說，密封是防止潮氣及其它腐蝕性介質(zhì)長期影響的有效辦法。該天線放大器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用全密封形式，電子器件安裝在屏蔽盒內(nèi)，蓋板通過密封條和螺紋連接將屏蔽盒與外部大氣環(huán)境隔離。

（三）工藝防護(hù)

天線上的所有金屬零件，都經(jīng)過表面處理后涂覆保護(hù)性底漆、面漆。轉(zhuǎn)軸等活動(dòng)部分以及緊固件采用不銹鋼材料。

天線放大器印制板電裝完成后噴涂三防漆，放大器安裝時(shí)屏蔽盒內(nèi)部整體灌裝有機(jī)硅凝膠，所有接插件安裝時(shí)抹密封膠。

（四）結(jié)構(gòu)防護(hù)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，所有零件應(yīng)避免積水，并盡量消除或減少縫隙、死角結(jié)構(gòu)，防止水、灰塵和鹽霧的沉積。

除天線放大器外，天線支臂等天線結(jié)構(gòu)盡量采用開放式，避免采用氣密的結(jié)構(gòu)，并開設(shè)適當(dāng)?shù)耐L(fēng)排氣孔，以避免濕氣的積聚。

對(duì)于暴露在大氣中的易發(fā)生腐蝕的部位，加大零件厚度；對(duì)于易腐蝕損壞的零件，從結(jié)構(gòu)上保證易于維修、更換。

所有這些，將很好地改善天線的抗腐蝕性能。

四、熱設(shè)計(jì)

由于天線需要在室外惡劣條件下連續(xù)工作，放大器能否順利散熱就非常重要。

為了提高設(shè)備可靠性，放大器散熱采用自然冷卻方式，增大印制板與屏蔽盒之間的接地面積，在大功率元件上安裝散熱塊，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射方式將設(shè)備熱量傳導(dǎo)到屏蔽盒外殼上。

屏蔽盒外殼為鋁合金材料，加工成肋板結(jié)構(gòu)，有效地降低了設(shè)備工作溫度,提高了天線單元的可靠性。

五、抗風(fēng)能力

天線在結(jié)構(gòu)自重、外載荷的作用下，在溫度變化、裝配誤差等其他因素的影響下，要發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。結(jié)構(gòu)變形勢必影響到天線的電性能和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，天線結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

該天線為中心對(duì)稱式框天線。主體結(jié)構(gòu)為底座、中心桿、四根支臂。天線底座通過M10螺栓安裝在天線基座上，中心桿通過M6螺栓安裝在天線底座上。天線的中心桿為主要結(jié)構(gòu)件，承受著主要的風(fēng)阻力矩。如圖1所示，在天線的中心桿和四個(gè)下框之間通過環(huán)氧層壓玻璃拉桿連接，形成由鉸接三角形組成的穩(wěn)定的空間幾何不變系統(tǒng)。

要分析天線的強(qiáng)度和剛度，需要抓住結(jié)構(gòu)受力的主要因素和主要部分，對(duì)天線載荷分析進(jìn)行分析、簡化。

在工作時(shí)，天線各部分均處于鎖緊靜止?fàn)顟B(tài)，沒有加速度，因此慣性載荷可以忽略。因此，考慮到該天線的使用狀態(tài)和使用環(huán)境，所受載荷大致有：風(fēng)載，自重載荷，溫度應(yīng)力及變形等。

天線支臂為鋁合金材料，自重很輕，結(jié)構(gòu)自重載荷引起的變形與風(fēng)載引起的變形相比，非常小，可以認(rèn)為忽略不計(jì)。

本天線形式為框天線，對(duì)由于溫度變化產(chǎn)生導(dǎo)致的天線變形不敏感，故溫度應(yīng)力及變形可以忽略不計(jì)。

露天工作的天線，風(fēng)載是必須要考慮的。風(fēng)載主要與天線的結(jié)構(gòu)特性、強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)于本天線來說，可以認(rèn)為風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)是一種靜力作用，即風(fēng)載為靜載。

風(fēng)載荷可以通過公式計(jì)算，計(jì)算公式為：F=CFqA

其中CF為風(fēng)力系數(shù)，q為動(dòng)壓，A為物體的特征面積。

q=1/2pv²

將各組數(shù)據(jù)代入公式，得：總風(fēng)荷F=125.01kg。

經(jīng)過分析，我們認(rèn)為，整個(gè)天線結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)為天線上板與天線下板相連接的6×M6螺栓。對(duì)于粗牙螺紋的M6（4.8級(jí)）螺栓，單個(gè)螺栓保證載荷為6230N，遠(yuǎn)大于天線所受到的風(fēng)載。

為了提高天線工作安全系數(shù)，在中心桿上方安裝拉繩，固定在天線周圍的三個(gè)拉繩基座上，保證了天線穩(wěn)定工作。

六、結(jié)論

由于采取了以上措施，滿足了設(shè)計(jì)要求，有效地保證了該天線的研制工作順利進(jìn)行。

該天線在設(shè)計(jì)過程中完全采用了三維軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)品的實(shí)際形狀真實(shí)可見，可以及時(shí)與用戶協(xié)調(diào)修改，給設(shè)計(jì)工作以強(qiáng)有力的支持，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。

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作者簡介：王?。?974－），男，河北石家莊人，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工程師，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。