一種拉桿便攜式天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李玉龍

(西安克拉克通信科技有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

便攜式天線是野外通信的一種重要方式，可實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星，不間斷地傳輸語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等寬帶信息，可滿足各種應(yīng)急通信條件下的多媒體通信需求。現(xiàn)有的便攜式天線由底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、天饋三部分結(jié)構(gòu)組成，使用時(shí)需要打開(kāi)背包，然后進(jìn)行組裝，大概需要5 min左右，使用完成后再分別拆開(kāi)放置于背包中，使用過(guò)程過(guò)于繁瑣。

本文介紹一種拉桿便攜式天線，使用時(shí)只需要打開(kāi)箱蓋便可進(jìn)行工作，使用簡(jiǎn)單。由于便攜式天線在戶外使用，整體需要防水防塵設(shè)計(jì)。天線方位運(yùn)動(dòng)范圍為±180 °，俯仰運(yùn)動(dòng)范圍為-1 °～92 °，極化運(yùn)動(dòng)范圍為±95 °，保證天線可正常對(duì)星[1-3]。

1 便攜式天線系統(tǒng)原理

圖1為便攜式天線結(jié)構(gòu)框圖。天線通電后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)通過(guò)串口獲取GPS、電子羅盤(pán)和信標(biāo)接收機(jī)數(shù)據(jù)，利用軟件初始命令和零位傳感器自動(dòng)判斷天線運(yùn)動(dòng)位置狀態(tài)，并反饋給伺服控制單元，伺服控制單元接收到命令后，利用控制邏輯處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、坐標(biāo)變換、控制算法解算后，輸出控制信號(hào)到3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后驅(qū)動(dòng)方位、俯仰、極化電機(jī)到理論對(duì)星位置，最后鎖定衛(wèi)星。在所有過(guò)程中，伺服控制單元會(huì)實(shí)時(shí)返回天線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)給手持機(jī)。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1) 天線面具有低旁瓣、高增益性能。

(2) 天線系統(tǒng)配置北斗定位系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)、位置檢測(cè)系統(tǒng)，且具有wi-fi無(wú)線控制、智能控制管理等功能。

(3) 采用智能化設(shè)計(jì)，具有一鍵對(duì)星、一鍵收藏和復(fù)位功能。

(4) 具有一鍵操作功能，1 min內(nèi)可完成定位、展開(kāi)、跟蹤衛(wèi)星。

(5) 支持自動(dòng)跟蹤和手動(dòng)跟蹤兩種衛(wèi)星跟蹤方式，方便各種環(huán)境的應(yīng)急操作，默認(rèn)工作于自動(dòng)跟蹤方式。手動(dòng)模式常用于緊急斷電狀態(tài)。

(6) 采用拉桿箱式設(shè)計(jì)，便于單兵攜帶，大大減少了負(fù)重。

圖1 便攜式天線結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拉桿式便攜式天線主要由外殼、轉(zhuǎn)臺(tái)、天饋組成，整體外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 外殼設(shè)計(jì)

外殼由底殼、拉桿和上蓋組成，都采用碳纖維復(fù)合材料加工，具有高強(qiáng)度、比重小等特性。整體設(shè)計(jì)連接處使用直徑2 mm的密封條處理，保證天線可以在雨天使用。

底殼用于安裝控制盒、鋰電池、開(kāi)關(guān)電源衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)、功分器、GPS等元器件。上蓋通過(guò)快拆卡扣和底殼連接，用作天線收藏時(shí)的外罩和工作時(shí)的底座。拉桿采用可伸縮設(shè)計(jì)，方便不同身高的人使用。

底殼外側(cè)安裝有一鍵通、射頻接收輸出、射頻發(fā)射輸入、升級(jí)/控制、電源開(kāi)關(guān)、升級(jí)切換開(kāi)關(guān)等接口和按鈕，分布如圖3所示，方便用戶使用。

圖2 便攜式天線整體外形結(jié)構(gòu)

圖3 底殼接口和按鈕分布圖

3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在底殼上，由方位、俯仰、極化三部分組成，如圖4所示[4，5]。主要零件包括方位總支架、方位電機(jī)、俯仰左支架、俯仰右支架、俯仰電機(jī)、極化支座、極化電機(jī)、減速機(jī)等。方位、俯仰、極化三軸都采用蝸輪蝸桿形式，傳動(dòng)在斷電或者手動(dòng)情況下可自鎖。中心距都通過(guò)蝸桿移動(dòng)調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)到最佳的嚙合轉(zhuǎn)臺(tái)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)磨損會(huì)大一些，蝸輪材料采用ZCuSn10P1鑄造銅合金，特征是硬度高、耐磨性較好。為了防止氧化，蝸桿材料采用316 L不銹鋼。其他零件使用鋁合金加工，并做本色氧化表面處理。

圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)原則是方位、俯仰、極化的重心和旋轉(zhuǎn)重心重合，可以降低功耗，保證運(yùn)行平穩(wěn)，若做不到重心和旋轉(zhuǎn)中心重合的，兩者之間距離做到最小，并進(jìn)行配重設(shè)計(jì)。為防止意外情況的發(fā)生，方位、俯仰、極化分別安裝硬限位和零位傳感器。硬限位用聚四氟乙烯加工，對(duì)于碰撞有良好的緩沖作用。軟限位開(kāi)關(guān)為霍爾開(kāi)關(guān)，磁感應(yīng)，具有抗干擾強(qiáng)、靈敏度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)主要是輕便型設(shè)計(jì)，下面分別通過(guò)力矩的計(jì)算、角速度和角加速度的計(jì)算以及響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算確定電機(jī)選型。

3.2.1 力矩計(jì)算

裝上減速機(jī)后，系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩為:

Mmax=M1·i.

(1)

其中：Mmax為系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；M1為電機(jī)的扭矩，N·m；i為傳動(dòng)比。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:

M2=m·g·l.

(2)

其中：m為負(fù)載重量，kg；g為重量加速度，m/s2；l為質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的距離，m。

摩擦力矩為:

M3=μ·m·g.

(3)

其中：M3為電摩擦力矩，N·m；μ為摩擦因數(shù)。

電機(jī)的啟動(dòng)力矩為：

MS=M2+M3.

(4)

當(dāng)MS<η·Mmax時(shí)(η為傳動(dòng)效率)，可判斷選型電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)方位負(fù)載。

3.2.2 角速度的計(jì)算

電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速為：

n=60ω360·i.

(5)

其中：n為電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速，r/min；ω為系統(tǒng)設(shè)定最大角速度，(°)/s。

當(dāng)n小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定最大角速度有效。

3.2.3 角加速度及響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算

負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

J=m·l2.

(6)

其中：J為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

裝上減速機(jī)后，系統(tǒng)的允許轉(zhuǎn)矩為:

Mr=MO·i.

(7)

其中：Mr為系統(tǒng)的允許轉(zhuǎn)矩，N·m；MO為電機(jī)的扭矩。

最大角加速度為:

α=Mr-M3J·180π·η.

(8)

其中：α為最大角速度，(°)/s2；M3為摩擦力矩，N·m。

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間t(ms)為：

t=ωα.

(9)

當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于50 ms時(shí)，伺服特性較好。

3.3 天饋設(shè)計(jì)

天饋由單塊、功放、LNB、濾波器等組成。天線能同時(shí)實(shí)現(xiàn)收、發(fā)功能，提高了頻帶利用效率。單塊接收和發(fā)射端分別裝有阻收濾波器和阻發(fā)濾波器，可使端口隔離度達(dá)到85 dB以上。單塊尺寸為330 mm×330 mm×16 mm，具有較高的增益，確保高清圖像及數(shù)據(jù)的傳輸。天饋外設(shè)計(jì)有天線罩，采用復(fù)合材料蜂窩增強(qiáng)玻璃纖維制成，它在機(jī)械性能上應(yīng)該要經(jīng)受住外部惡劣環(huán)境的影響，在電氣性能上還應(yīng)該具有良好的電磁波穿透性[6]。

4 測(cè)試結(jié)果

轉(zhuǎn)臺(tái)裝好后在樓頂進(jìn)行測(cè)試，按壓自動(dòng)對(duì)星按鈕，天線1 min內(nèi)可完成定位、展開(kāi)、跟蹤衛(wèi)星等動(dòng)作。圖5為樓頂對(duì)星后位置圖。

圖5 樓頂對(duì)星后位置圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種拉桿便攜式天線，經(jīng)過(guò)測(cè)試其可在1 min內(nèi)完成定位、展開(kāi)、跟蹤衛(wèi)星，具有體積小、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)星使用時(shí)，不需要安裝，只需打開(kāi)上蓋即可使用，省去了安裝步驟，極大地方便了用戶使用。

分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，拉桿便攜式天線的電氣性能優(yōu)良，跟蹤指向精度穩(wěn)定，具有良好的實(shí)用性,為便攜站的研發(fā)提供了一種新思路。