一種天線同步自動(dòng)折展裝置設(shè)計(jì)與分析

陸海坤，李聰聰，段艷賓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種天線同步自動(dòng)折展裝置設(shè)計(jì)與分析

陸海坤，李聰聰，段艷賓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)硬對(duì)數(shù)周期天線的自動(dòng)折展問(wèn)題，提出一種天線同步自動(dòng)折展裝置，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)與分析。該裝置主要通過(guò)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)盤、拉繩的傳動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)架帶動(dòng)天線振子轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)各天線振子的收攏或展開(kāi)；考慮到各天線陣子的同步收展，增設(shè)保護(hù)裝置。通過(guò)對(duì)裝置的受力和誤差分析，結(jié)果表明在模擬風(fēng)載作用下不會(huì)影響硬對(duì)數(shù)周期天線的精度。研究?jī)?nèi)容為實(shí)現(xiàn)天線收展過(guò)程的自動(dòng)化，各天線振子的同步收攏，且高效、準(zhǔn)確的收展提供了可行性方案。

天線；自動(dòng)折展；同步收展

天線廣泛應(yīng)用于通信、廣播、電視、雷達(dá)和導(dǎo)航等無(wú)線電系統(tǒng)中，是有效地輻射和接受無(wú)線電波必不可少的裝置[1,2]。由于通訊需要，天線振子的數(shù)量多達(dá)幾十個(gè)，對(duì)數(shù)周期天線的展開(kāi)尺寸可達(dá)數(shù)米[3]，在工作狀態(tài)，所有天線振子完全垂直于主管展開(kāi)，以最大程度地接收信號(hào)；而在非工作狀態(tài)，所有天線振子則完全平行于主管收攏，以最大限度地減少體積。

天線展開(kāi)收攏裝置多針對(duì)傘狀天線[4,5]或環(huán)狀天線[6,7]所設(shè)計(jì)，針對(duì)對(duì)數(shù)周期天線折展機(jī)構(gòu)的較少。賀獻(xiàn)武針對(duì)軟對(duì)數(shù)周期天線，采用全軟索結(jié)構(gòu)，利用懸索原理實(shí)現(xiàn)天線的架設(shè)[8]。南曉廣運(yùn)用卷尺思想，實(shí)現(xiàn)軟振子的收放[9]。而對(duì)于硬對(duì)數(shù)周期天線，目前尚未見(jiàn)到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化應(yīng)用的報(bào)道，故研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)收展硬對(duì)數(shù)周期天線的折展裝置具有重要的工程意義和價(jià)值。

針對(duì)上述存在問(wèn)題，本文旨在提出一種天線同步自動(dòng)折展裝置[10]，開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與精度分析，以實(shí)現(xiàn)硬對(duì)數(shù)周期天線的同步收攏與展開(kāi)，提高硬對(duì)數(shù)周期天線收攏與展開(kāi)的效率，保證收攏與展開(kāi)的準(zhǔn)確性，改善手工收攏與展開(kāi)硬對(duì)數(shù)周期天線費(fèi)時(shí)費(fèi)力、無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步、難以保證精度等問(wèn)題。

1 天線同步自動(dòng)折展裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線同步自動(dòng)折展裝置處于展開(kāi)狀態(tài)時(shí)，其最大外形尺寸高為800mm；天線處于收縮狀態(tài)時(shí)，最大外形尺寸高為200mm。天線同步自動(dòng)折展裝置主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、高度調(diào)節(jié)塊組成，其收攏結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。其中，傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、減速器、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)盤、拉繩、旋轉(zhuǎn)架、支撐架等；高度調(diào)節(jié)塊一端與支撐架相連，另一端與天線主管固連。

圖1 天線收攏結(jié)構(gòu)三維模型1.電機(jī) 2.減速器 3.轉(zhuǎn)軸 4.轉(zhuǎn)盤 5.拉繩 6.旋轉(zhuǎn)架 7.高度調(diào)節(jié)塊 8.支撐架 9.夾緊套 10.定位環(huán) 11.限位塊 12.螺栓 13.轉(zhuǎn)軸座 14.天線振子 15.天線主管

高度調(diào)節(jié)塊具有不同的調(diào)節(jié)高度，可使各天線振子折疊時(shí)相互錯(cuò)開(kāi)；通過(guò)轉(zhuǎn)軸、左右轉(zhuǎn)盤、左右拉繩的傳動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)架帶動(dòng)天線振子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各天線振子的收攏或展開(kāi)。

工作時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器減速后，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使左側(cè)拉繩張緊回收，右側(cè)拉繩放松伸長(zhǎng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)90°后，被左側(cè)限位塊卡住，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由收攏到展開(kāi)的變化，其展開(kāi)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，與上述過(guò)程相反，旋轉(zhuǎn)架順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°后，被右側(cè)限位塊卡住，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由展開(kāi)到收攏的變化。

圖2 天線展開(kāi)結(jié)構(gòu)三維模型

在存儲(chǔ)、運(yùn)輸、安裝等非工作狀態(tài)，各天線振子在拉繩的張緊下處于收攏狀態(tài)。

2 天線振子同步收展設(shè)計(jì)

由于天線振子數(shù)量很多，同時(shí)打開(kāi)或收攏時(shí)，可能會(huì)存在不同步的現(xiàn)象，除了可通過(guò)螺栓調(diào)節(jié)拉繩的松緊、通過(guò)楔形塊限位外，還設(shè)計(jì)添加了保護(hù)裝置，其剖面圖如圖3所示。

圖3 天線振子同步收攏裝置剖面圖

在轉(zhuǎn)軸上開(kāi)兩個(gè)半圓坑，在轉(zhuǎn)盤上開(kāi)兩個(gè)螺紋孔，孔中裝入滾珠、彈簧和定位珠，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)定位珠，可以調(diào)節(jié)彈簧的力。

在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠卡在轉(zhuǎn)軸上的圓坑里，轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)軸一體同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)某個(gè)天線振子與其它的不同步，或提前轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，轉(zhuǎn)軸依舊會(huì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，拉繩會(huì)繼續(xù)收緊，力超過(guò)設(shè)定值后，滾珠則會(huì)壓緊彈簧，脫離圓坑，此時(shí)轉(zhuǎn)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)盤不再旋轉(zhuǎn)。

3 天線同步自動(dòng)折展裝置受力和誤差分析

針對(duì)硬對(duì)數(shù)周期天線，其精度是接收信號(hào)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的重要保障，故對(duì)于所設(shè)計(jì)的天線同步自動(dòng)折展裝置而言，對(duì)其受力和誤差分析是確定其精度能否達(dá)到要求的先決條件，并且天線在實(shí)際工作時(shí)各部分的受力不均，作為高精度的機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行剛度、強(qiáng)度的計(jì)算分析是很有必要的。

考慮到實(shí)際工作環(huán)境，天線所受的載荷一般為自重和風(fēng)載。其中，自重主要引起的是天線在豎直方向上微小的波動(dòng)。風(fēng)載作用在水平天線陣子上，主要表現(xiàn)為垂直于天線面上的載荷；作用在天線主管上，主要表現(xiàn)為水平方向上的載荷。

基于所設(shè)計(jì)的天線同步自動(dòng)折展裝置，將其展開(kāi)后的天線三維模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ANSYS軟件中，模擬現(xiàn)實(shí)中的受力情況，以6級(jí)風(fēng)為例，添加載荷進(jìn)行有限元分析求解，可以得到其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖和形變?cè)茍D，如圖4所示。

圖4 天線同步自動(dòng)折展裝置有限元分析

通過(guò)圖4容易看出，天線同步自動(dòng)折展裝置在模擬風(fēng)載作用下，最大應(yīng)力點(diǎn)在最長(zhǎng)天線振子的根部，應(yīng)力最大為31.785MPa；最大變形量在最長(zhǎng)天線振子的頂部，變形最大為1.7688mm。相對(duì)于400mm的天線振子來(lái)講，波動(dòng)微乎其微，因此不會(huì)影響硬對(duì)數(shù)周期天線的精度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，天線同步自動(dòng)折展裝置在6級(jí)風(fēng)的作用下工作時(shí)不會(huì)影響硬對(duì)數(shù)周期天線的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者所提出的天線同步自動(dòng)折展裝置具有收攏尺寸小、展開(kāi)尺寸大、結(jié)構(gòu)輕巧、高可靠性等特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)天線展開(kāi)、收攏全過(guò)程的自動(dòng)化，減小操作人員的工作強(qiáng)度，降低操作人員的專業(yè)技能要求；此外，采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬對(duì)數(shù)周期天線各天線振子同步收攏和展開(kāi)的功能，可極大地提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，對(duì)于新型天線的研制具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 米月英.65m射電望遠(yuǎn)鏡天線結(jié)構(gòu)指向精度分析與設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2014,44(5):60-63.

[2] 梁國(guó)，王建.一種共形天線陣支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(1):65-68.

[3] 林昌祿.近代天線設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，1990.

[4] 馬國(guó)亮.一種折疊式可展開(kāi)傘狀天線結(jié)構(gòu)骨架及展開(kāi)方法.中國(guó)，CN105846044A.2016.08.10.

[5] 陳務(wù)軍.傘狀可展開(kāi)天線系統(tǒng).中國(guó)， CN103872422A.2014.06.18.

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[9] 南曉廣.一種自動(dòng)展開(kāi)收藏的軟對(duì)數(shù)周期天線[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30(1)：44-47.

[10] 曾達(dá)幸, 樊明洲, 李建軍, 陸海坤, 藺占中, 段艷賓, 何其洪, 周挺, 侯雨雷.一種天線同步自動(dòng)折展裝置.中國(guó)，201611114423.1.2016.12.07.

An automatic synchronous deployment mechanism of antenna

LU Hai-kun，LI Cong-cong,DUAN Yan-bin

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China)

Aiming at the problem of automatic folding of hard logarithmic periodic antenna, an automatic synchronous deployment mechanism of antenna is put forward, and the related design and analysis is performed.In the mechanism, mainly through the rotating of shaft, turntable and rope, the rotating frame drives the rotation of the antenna oscillator, so as to realize the convergence or expansion of the antenna oscillators.Considering the synchronization of the antenna oscillators, the protection device is added.Through the analysis of the force and error of the mechanism, under the simulated wind load, it will not affect the precision of the hard logarithmic periodic antenna.It is feasible to realize the automation of the process of antenna convergence or expansion, and the synchronous convergence of the antenna oscillators, and efficient and accurate convergence.

Antenna；Automatic folding；Simultaneous development

2017-03-05

陸海坤(1982-)，男，河北灤縣人，工程師，主要從事天線機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

1001-9383(2017)01-0031-04

TN82

A