一種自動(dòng)展開收藏的軟對(duì)數(shù)周期天線

南曉廣，王英杰，李聰聰

（1.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050081；2.石家莊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)熱電煤氣公司，河北 石家莊 050080）

對(duì)數(shù)周期天線其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，在EMC 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它是一種非頻變天線，所謂非頻變是指天線的阻抗、方向圖、增益等電特性在頻帶范圍內(nèi)基本上無變化。同時(shí)對(duì)數(shù)周期天線又是一種線極化天線，電場(chǎng)的極化方向平行于振子的方向。因而使得對(duì)數(shù)周期天線具有寬頻帶特性和線極化特性，所以應(yīng)用其作為電暈放電信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)是天線部分的最優(yōu)選擇。

對(duì)數(shù)周期天線有多種形式，目前應(yīng)用最為廣泛的是對(duì)數(shù)周期振子天線。對(duì)于工作在低頻段的大尺寸對(duì)數(shù)周期天線來說，通常的硬結(jié)構(gòu)類型天線不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且架設(shè)、拆裝都需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而以軟索為主要組成的軟對(duì)數(shù)周期天線則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、便于運(yùn)輸、架設(shè)方便和易于收藏存放等優(yōu)點(diǎn)，可以較為容易地實(shí)現(xiàn)大尺寸對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在國(guó)內(nèi)外的對(duì)數(shù)周期天線產(chǎn)品中，有自動(dòng)展開、收藏的產(chǎn)品，但都是用于安裝于某一固定載體平臺(tái)，無法用于車載安裝使用，更難以安裝于裝甲車這種“橫沖直撞”的移動(dòng)平臺(tái)了。為適應(yīng)這種移動(dòng)平臺(tái)筆者研制了一種自動(dòng)展開收藏對(duì)數(shù)周期天線。

1 軟對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)分析

自動(dòng)展開收藏對(duì)數(shù)周期天線處于展開狀態(tài)時(shí)最大外形尺寸：高為5000mm；長(zhǎng)4500mm；天線處于收縮狀態(tài)時(shí)最大外形尺寸：高為436mm；長(zhǎng)為4500mm。自動(dòng)展開收藏對(duì)數(shù)周期天線主要有集合線、2個(gè)拉桿組件、振子線、附屬拉線、自動(dòng)天線桿等部分組成。圖1、圖2是天線展開、收藏的示意圖。

圖1 天線展開結(jié)構(gòu)形式

自動(dòng)展開收藏對(duì)數(shù)周期天線主要是通過自動(dòng)天線桿來完成它的展開和收縮動(dòng)作的。自動(dòng)天線桿有8節(jié)組成，天線的2個(gè)拉桿和集合線由上到下分別依次固定在自動(dòng)天線桿的適當(dāng)位置上。使用時(shí)自動(dòng)天線桿通過電控依次伸出每一節(jié)桿來實(shí)現(xiàn)天線的展開狀態(tài)。收縮時(shí)同樣通過自動(dòng)天線桿來實(shí)現(xiàn)其收縮動(dòng)作。并且在拉桿上加裝了收線裝置——類似于“卷尺”，振子線纏繞在收線裝置的卷軸上，當(dāng)展開或收縮時(shí)振子線始終保持拉緊狀態(tài)，從而也達(dá)到了自動(dòng)伸縮的要求。

圖2 天線收藏結(jié)構(gòu)形式

自動(dòng)展開收藏對(duì)數(shù)周期天線的拉桿采用碳纖維材料，在保證強(qiáng)度前提下，可適應(yīng)－40℃～＋60℃的工作溫度和95±3%的相對(duì)濕度，而且還可以減輕天線的自身重量。

2 受力與誤差分析

一般情況下，天線所受的載荷主要包括：自重和風(fēng)負(fù)荷。自重主要引起各單元天線在垂直平面內(nèi)的微小位移，但注意到：各單元天線為豎直方向的軟陣子，主要是靠拉桿來支撐軟陣子的，拉桿在安裝好后會(huì)因?yàn)闂U長(zhǎng)自重和桿上的一些元器件而產(chǎn)生變形，這時(shí)候通過調(diào)節(jié)軟陣子的拉繩來保證陣子的長(zhǎng)度。因此自重變形不會(huì)對(duì)天線的精度產(chǎn)生影響。風(fēng)負(fù)荷則不同，因?yàn)樗拇笮∈遣粩嘧兓?，沒有方向性，它的變化將影響天線陣子的有效長(zhǎng)度，從而影響天線的精度。受風(fēng)載荷最大的是拉桿，拉桿的變形直接影響天線陣子的垂直度，因此計(jì)算拉桿的變形可以計(jì)算出對(duì)天線精度的影響。

風(fēng)力計(jì)算的公式可寫為

式（1）中，v為風(fēng)速，CF為風(fēng)力系數(shù)，A為物體的特征面積。風(fēng)力作用于拉桿的橫向力分別為

對(duì)于拉桿的載荷集度為

式（3）中Fi為拉桿所受的橫向力，r為各軟陣子之間的距離徑。把拉桿中間固定死一端的受力示意圖如圖3所示。

圖3 拉桿受力示意圖

則距離原點(diǎn)為x的截面的彎矩為

根據(jù)變形物體的撓曲線微分方程

式（5）中E為彈性模量，I為慣性矩，δ″為變形的兩階導(dǎo)數(shù)。經(jīng)過兩次積分可得

再由邊界條件原點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角和撓度應(yīng)等于零，即

當(dāng)x＝0時(shí)，δ′＝0

δ＝0

則式（6）、（7）中的常數(shù)C、D均為零。式（7）變?yōu)橛墒剑?）可以看出當(dāng)給定r時(shí)，即可求出該處的撓度。通過計(jì)算8級(jí)風(fēng)不會(huì)影響對(duì)數(shù)周期天線的精度。

3 材料選擇

自動(dòng)展開收藏的對(duì)數(shù)周期天線所處的環(huán)境條件惡劣，對(duì)防腐性能要求較高，材料的選擇很重要。拉桿采用碳纖維材料，碳纖維拉桿強(qiáng)度高，有韌性不容易折斷，能滿足車載地面等各種強(qiáng)度要求。天線振子由特制軟線構(gòu)成，采用鋼絲繩外加銅網(wǎng)和電纜護(hù)套，天線振子與集合線連接處保證銅網(wǎng)與集合線電纜的外導(dǎo)體連接上，這樣既能保證電性能，又能保證振子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及耐腐蝕性。振子延長(zhǎng)線和天線外圍的拉繩均采用迪尼瑪繩構(gòu)成。制作迪尼瑪繩采用的進(jìn)口迪尼瑪纖維具有以下優(yōu)點(diǎn)：超高強(qiáng)度，等直徑時(shí)強(qiáng)度與鋼纜相同；低伸長(zhǎng)率，破斷伸長(zhǎng)率接近鋼纜。其制作的繩纜還具有優(yōu)越的張弛和彎曲疲勞性能以及抗老化和抗化學(xué)腐蝕性能，延長(zhǎng)了天線的使用壽命。

4 結(jié)束語

自動(dòng)展開收藏的對(duì)數(shù)周期天線是軟對(duì)數(shù)周期天線與電動(dòng)天線桿配合，在天線桿升高的同時(shí)完成天線的展開；在天線桿的下降的過程中同時(shí)完成天線的收藏。在下降的過程中軟陣子通過運(yùn)用卷尺思想，完成“軟”振子的收、放。由于金屬天線桿的影響，對(duì)該天線低頻段的駐波比有影響，天線工作頻率的低段有反射點(diǎn)。

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