一種艦載短波分支籠天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)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(yuǎn)、帶寬較寬等特點(diǎn)。艦載分支籠天線在使用過程中會(huì)經(jīng)常受到風(fēng)荷、沖擊、振動(dòng)等復(fù)雜載荷的影響，要求天線結(jié)構(gòu)具有較高安全性及可靠性，因此從天線結(jié)構(gòu)形式、選材、抗風(fēng)能力計(jì)算等方面都對(duì)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作起到至關(guān)重要的作用。本文根據(jù)艦載天線的使用要求，在艦載分支籠天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了一種艦載短波分支籠天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及天線具體結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)該天線在實(shí)際最大風(fēng)速下的抗風(fēng)能力進(jìn)行了仿真分析，為同類天線的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：短波? 分支籠天線? 天線結(jié)構(gòu)? 抗風(fēng)能力

中圖分類號(hào)：TN823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，對(duì)天線選材、重量、可靠性等方面要求較高。同時(shí)，艦船平臺(tái)上可供安裝天線的空間有限，對(duì)天線的尺寸要求很高。短波艦載分支籠天線以其特殊的結(jié)構(gòu)形式及環(huán)境適應(yīng)性，為海上通信、偵收、監(jiān)視等通信功能提供保障。

依據(jù)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(yōu)點(diǎn)是：占地面積?。蓱铱瞻惭b）、安裝方便，缺點(diǎn)是：為了保證強(qiáng)度及穩(wěn)定性，天線選材規(guī)格較大，重量增加。帶拉線的底部固定式天線的優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是：占地面積大（需安裝地錨）、拉線影響人員通行、架設(shè)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(shè)計(jì)

天線由上、下分支籠、安裝支撐板、匹配器等組成。其結(jié)構(gòu)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(nèi)安裝磁圈、電纜座等器件。上下兩個(gè)分支籠通過導(dǎo)線將各自饋電點(diǎn)與匹配器相連，實(shí)現(xiàn)電氣導(dǎo)通。

2? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材

2.1 分支籠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材

天線由上下兩個(gè)分支籠組件組成，兩個(gè)分支籠組件結(jié)構(gòu)相同，均由16根振子、上下2個(gè)饋電端、3個(gè)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(gè)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(cè)表面開孔用來固定振子。上下兩個(gè)饋電端成錐形設(shè)計(jì)，通過螺母將振子固定，保證振子電氣角度，同時(shí)增加排水孔。

考慮到天線使用環(huán)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(zhì)量輕、強(qiáng)度好的環(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材

匹配器由環(huán)氧玻璃布棒制成，內(nèi)裝磁圈、電纜座、接線螺柱等零部件，表面開設(shè)連接孔與上下分支籠連接，側(cè)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(zhì)為防銹鋁板，上下分支籠采用非金屬螺栓連接。

3? 天線抗風(fēng)計(jì)算分析

天線架設(shè)在艦船上，主要破壞載荷為風(fēng)載，設(shè)定天線在風(fēng)速V=45m/s時(shí)能正常工作，60m/s風(fēng)速時(shí)不破壞。60m/s為瞬時(shí)風(fēng)速，折算為10min平均風(fēng)速，取5s瞬時(shí)風(fēng)速的換算系數(shù)1.39，即等同于平均風(fēng)速43.2m/s計(jì)算，綜合比較，最終取10min相對(duì)平均風(fēng)速45m/s進(jìn)行抗風(fēng)強(qiáng)度校核與計(jì)算[3]。

3.1 計(jì)算風(fēng)壓計(jì)算

天線總高度3.1m，抗風(fēng)指標(biāo)為平穩(wěn)風(fēng)速45m/s，計(jì)算天線所受計(jì)算風(fēng)壓。

式中：ω0為基本風(fēng)壓，風(fēng)速v=45m/s時(shí)，基本風(fēng)壓

;μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按A類地面選取μZ=1.17;μs為體型系數(shù)，按懸臂光滑圓形結(jié)構(gòu)計(jì)算，μs=0.6;

βZ為風(fēng)振系數(shù)，計(jì)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(jì)算得：

計(jì)算風(fēng)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(jì)算的計(jì)算風(fēng)壓為輸入載荷，模擬天線在風(fēng)載荷下的受力情況。

天線整體在風(fēng)荷載作用下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在下端支撐盤處，最大應(yīng)力為97.6MPa<180MPa[σ]。天線最大位移出現(xiàn)在天線兩端，最大位移為39mm。天線中間絕緣支撐桿最大應(yīng)力為61.3MPa<180MPa[σ]。由此可得，天線抗風(fēng)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4? 結(jié)語

本文提出了一種艦載分支籠天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)其設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)形式、選材等進(jìn)行了詳細(xì)描述，并對(duì)艦載天線在風(fēng)荷載作用下的受力狀況進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明天線在相對(duì)平均風(fēng)速45m/s時(shí)的抗風(fēng)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，并且經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確可靠，對(duì)于類似艦載天線設(shè)備的設(shè)計(jì)及計(jì)算具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊冉，王海洋.淺述基于高周疲勞對(duì)分支籠天線影響的一種設(shè)計(jì)方法[J].科學(xué)與信息化，2019（21）：84-85.

[2] 趙朋，魏玉果.艦載天線力學(xué)計(jì)算方法分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（7）：115，119.

[3] 盧劍鋒.一種短波分支籠天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，15（8）：95，97.

[4] 樊占軍.艦載超短波通信對(duì)抗過程仿真設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程，2019，39（5）：72-74，119.

[5] 車喆. 艦載短波、超短波寬帶天線的設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[6] 沈建，張志剛，饒廣然.艦載短波鞭天線天波地波干涉計(jì)算[J].通信技術(shù)，2015，48（9）：1020-1022.

[7] 趙朋，魏玉果.艦載天線力學(xué)計(jì)算方法分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（7）：115，119.

[8] 孔令然.基于TDMA的艦載超短波電臺(tái)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[9] 尹海韜，李艷.著艦控制系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)體系分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，13（20）：11-13.