一種小口徑微波天線掛架的結(jié)構設計

羅輝　王勇

摘 要：在微波通信中，為保障較好的通信質(zhì)量和較大的通信距離，通常采用天線掛架將微波安裝在通信高塔上。為保障微波天線的安裝、調(diào)試和通信信號質(zhì)量要求，在天線掛架的設計過程中，必須保證天線系統(tǒng)具有一定的強度和剛性要求，同時要求掛架重量輕、安裝簡便、制造成本較低。本文從天線系統(tǒng)的應用環(huán)境角度，設計了一種小口徑天線掛架，并采用I-deas軟件對天線系統(tǒng)進行靜力學仿真，最后采用靜載試驗驗證了該掛架結(jié)構設計滿足小口徑天線的使用性能要求。

Abstract：In microwave communication， the parabolic antenna is often installed on the steel tower to reach better signal quality and farther covering distance using the antenna bracket. So enough strength and rigidity must be guaranteed in order to perform the antenna installation and reach the signal quality requirement during designing the antenna bracket. moreover， light weight and lower cost is also helpful.

The article illustrates the design of a small parabolic antenna bracket， then performs the simulation using the software of I-deas， and test the mechanical performance. The results shows the construct design reaches the requirements.

關鍵詞：微波天線；掛架；天線安裝；天線力學仿真；裝配體仿真；I-DEAS

Key words：microwave antenna， antenna bracket， antenna installation， antenna static stress simulation， assembly simulation， I-DEAS

1引言

微波通信技術作為一種現(xiàn)代無線通信的主要方法，具有通信距離遠、傳播穩(wěn)定、架設快，建設成本低、能跨越復雜地形等優(yōu)點[1]。

在微波通信中，為保障較好的通信質(zhì)量和較大的通信距離，微波天線經(jīng)常架設在通信高塔上。為了完成相對兩端的一跳天線波束的對準，微波天線掛架必須具備在一定角度范圍內(nèi)的方位和俯仰調(diào)節(jié)功能，同時要求強度和剛性滿足環(huán)境使用要求，以保證通信信號質(zhì)量的穩(wěn)定性。微波天線掛架就是將微波天線安裝到通信塔上的一種裝置。

2結(jié)構設計

2.1設計需求分析

從微波天線的安裝需求考慮，掛架的結(jié)構設計必須具備天線安裝和調(diào)整功能。

1）安裝抱桿適應范圍為Φ76mm～Φ115mm。

2）具備方位和俯仰調(diào)節(jié)功能：方位調(diào)節(jié)范圍：粗調(diào)范圍為0°～360°，精確調(diào)整范圍為±15°；俯仰調(diào)節(jié)范圍為±20°。

從微波天線系統(tǒng)工作要求出發(fā)，天線掛架必須滿足天線使用環(huán)境的剛度和強度要求：

1）在風速為30m/s（110km/h）、裹冰25mm厚的狀況下，微波天線系統(tǒng)能正常工作，即在該天線下，天線反射面軸線偏轉(zhuǎn)角度不大于-3db波束寬度的0.3倍。[2]

2）在風速為55m/s（200km/h）、裹冰25mm厚的狀況下，微波天線系統(tǒng)不破環(huán)[2]。

2.2結(jié)構設計方案

小口徑微波天線掛架組件是微波天線系統(tǒng)中的安裝部件，主要功能為將微波天線安裝到抱桿上，同時滿足微波天線架設時的調(diào)節(jié)要求。

小口徑微波天線掛架由夾板、底座、調(diào)節(jié)板、L型連接板組成，如圖1所示。

掛架通過夾板和底座夾持在抱桿上，調(diào)節(jié)板通過兩側(cè)螺釘安裝于底座中，驅(qū)動安裝于底座上的球頭螺栓，使得球頭在調(diào)節(jié)板的滑槽中運動，從而驅(qū)動調(diào)節(jié)板繞轉(zhuǎn)其中心軸轉(zhuǎn)動，帶動天線實現(xiàn)方位角度的微調(diào)。通過驅(qū)動安裝在調(diào)節(jié)板上的球頭螺栓在L型連接板上的滑槽內(nèi)運動，從而帶動L型連接板圍繞其中心軸轉(zhuǎn)動，完成天線的俯仰角度的調(diào)節(jié)。

3天線系統(tǒng)仿真

3.1設計計算

，其中：CF為風阻力系數(shù)，A為天線正面面積，q為動壓[2]。根據(jù)相關風洞試驗結(jié)果、相關工程經(jīng)驗以及相關參考資料，取CF=1.3。A=0.368㎡。

，其中：v為風速（m/s），q為動壓（㎏/㎡）。

正常工作風速30m/s（110km/h） ，計算得到，天線風阻力 F=27㎏f；

在風速為55m/s（200km/h），計算得到，天線風阻力 F=90㎏f。

系統(tǒng)載荷：風阻力，冰荷，天線系統(tǒng)自重，1+1ODU重量。

3.2靜力學仿真

根據(jù)微波天線的實際使用工況，微波天線背部將可能安裝2個室外單元ODU，天線系統(tǒng)結(jié)構如圖2所示。

根據(jù)天線工作情況和風洞試驗結(jié)果得知，天線系統(tǒng)在天線正面迎風的情況下處于最危險狀態(tài)。所以，靜力學仿真主要驗證最危險狀態(tài)下天線系統(tǒng)的性能是否滿足使用要求。

為降低仿真模型對計算機資源的過高要求，在建模過程中采用合理的簡化。簡化處理一，將夾板和底座與抱桿之間的接觸簡化為掛架底座的固支，這樣大大降低計算機資源要求和加快計算收斂過程；簡化過程二，由于ODU部分對天線系統(tǒng)的主要負載為重力載荷，因而，將其簡化為一等價重量的方塊，通過剛性單元與天線背板連接；簡化過程三，在天線受到正面風載荷的情況下，將天線反射面與背板之間的接觸簡化，通過耦合單元將天線面與背板連接。

在簡化模型的情況下，在I-DEAS軟件中，對天線系統(tǒng)零件分別建模，劃分網(wǎng)格，最后采用耦合單元進行系統(tǒng)連接得到系統(tǒng)有限元模型。然后在天線面上施加冰載荷和風載荷，在求解器重求解。計算結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果顯示：

1）在風速為30m/s時，天線系統(tǒng)最大變形為天線罩中心1.87mm，天線罩遠端變形為1.2mm。計算得到，天線反射面軸線實際偏轉(zhuǎn)角度為0.1度。系統(tǒng)指標-3db波束寬度的0.3倍，即系統(tǒng)允許偏轉(zhuǎn)角度為±0.27度。由此可見，天線放射面軸線實際偏轉(zhuǎn)角度小于系統(tǒng)允許偏轉(zhuǎn)角度。

2）在55m/s風速下，天線系統(tǒng)最大的應力為114MPa。位于L型連接板加強肋板末端。底座、調(diào)節(jié)板、L型連接板采用壓鑄成型，材料為ADC12，屈服強度為230MPa。許用安全系數(shù)[n]為1.875，計算實際安全系數(shù)n為2.02。n>[n]，所以在55m/s風速作用下，天線系統(tǒng)強度滿足要求。

4靜載試驗

為保證設計的可靠性，對設計完成的產(chǎn)品進行靜載試驗，試驗方法如圖4所示。

試驗載荷按上上述計算數(shù)據(jù)，均勻加載在天線罩上，分別測量加載前、加載后、卸載后的天線遠端變形量。

測試結(jié)果為，對應30m/s風速的載荷下，天線面軸線轉(zhuǎn)角滿足要求；對應55m/s風速的載荷下，卸載后的天線系統(tǒng)能回彈到加載前的狀態(tài)，說明該天線掛架的結(jié)構設計滿足天線系統(tǒng)使用要求。

5結(jié)論

綜合上述仿真和試驗結(jié)果，可以得到：

1）該天線系統(tǒng)在30m/s正常風速下，強度和剛度都滿足要求，天線能正常工作。

2）該天線系統(tǒng)在55m/s極限風速下，強度滿足要求。最大應力小于材料的許用應力，所以天線系統(tǒng)在受到該風力的作用時，天線處于完全彈性變形狀態(tài)，撤消風力作用時，天線系統(tǒng)能恢復到正常狀態(tài)，能正常工作。

參考文獻：

[1]閻斌.微波通信的發(fā)展與應用[J].數(shù)字傳媒研究，2016，33（12）：57-58.

作者簡介：羅輝，碩士，京信通信技術（廣州）有限公司，結(jié)構室主任，從事無線通信電子設備機械設計?王勇，本科，京信通信技術（廣州）有限公司，工程師，從事無線通信電子設備機械設計?