谈某型天线的结构设计

王　建

摘要：文章根据某型天线的结构特点和使用要求，从材料优选、工艺防护、结构防护、隔离防护、散热、风载等方面出发，介绍了该天线的结构设计思路，阐述了设计中采取的主要措施和结构形式以及天线支臂、中心体、放大器等关键零部件的结构设计方法。

关键词：天线结构设计；锁定装置；散热；风载

中图分类号：TN821文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0027-02

天线广泛应用于各种无线电设备中，形式多样，种类繁多。根据天线的用途、工作状态、使用环境、结构形式和体积的不同，在进行设计时需要考虑的侧重点也不相同。

某型天线为框天线，主要由底座、放大器、中心体、中心杆、支臂以及馈线等组成。天线外形如图1所示：

根据设计输入，对于该天线的结构设计主要有以下几点要求：（1）为了方便天线运输、架设和撤收，天线支臂要求可以张开、闭合；（2）在对天线进行测试时，天线中心体相对底座可以自由转动；（3）要求天线具有防水、防霉、防盐雾能力，即“三防”；（4）要求天线在十二级风（风速不低于32.6m/s）时能够正常工作。

根据以上要求，在天线设计过程中，主要对以下几个方面进行了考虑：

一、天线支臂

为了减轻天线重量并保证支臂具有一定的强度，同时提高天线的抗腐蚀能力，天线支臂选用标准铝型材经过加工而成。

设计输入要求天线支臂可以张开、闭合，即支臂可以围绕支座轴转动。这可以通过在支臂上安装可以滑动的锁定装置来解决。锁定装置与支臂形成滑动副连接，与水平支撑杆形成转动副连接。在锁定装置上安装螺纹压板，通过螺纹压板的旋入和旋出来控制锁定装置在支臂上的锁紧状态，保证锁定装置可以停留在支臂限位板以上的任意位置。

天线支臂及锁定装置安装图如图2所示。

在天线初样中，同样是装上了锁定装置和水平支撑杆，但是天线装配完成后支臂沿垂直于水平支撑杆方向有较大的晃动，虽然理论上这仍然是一个静定系统。经过分析，我们认为，这主要是由于天线支臂过长，支臂转轴处安装间隙比较大造成的。

在天线正样设计中，我们改进了支臂转轴处的结构形式，将原来的单转轴安装方式改为一个转动轴和一个锁紧轴，对天线支臂采取了两点锁定的方式。通过天线正样来看，很好地解决了支臂晃动的问题。

二、中心体

通过在天线中心体和底座安装板之间安装中心转轴，中心体四周安装四块压板，可以实现中心体的转动。但是天线中心体和底座安装板均为金属材料，在转动时产生的相对磨擦会破坏金属板的涂覆层，进而会产生金属腐蚀，影响天线使用。

我们通过在天线中心体与底座安装板之间安装尼龙垫板，使得天线中心体相对于底座可以在摩擦力很小的情况下自由转动。

在天线初样中同样出现了天线中心体相对于天线底座晃动的问题。这主要是由于安装了尼龙垫板后，中心体与底座之间有0.5mm的转动间隙。我们通过在中心体和底座之间增加四个紧固螺栓解决了这个问题。

三、三防

从技术可实现性、经济性考虑，产品三防主要有以下几种类型的防护措施：材料优选，工艺防护，结构防护，隔离防护等。在该天线的设计中，我们主要针对这几点进行了考虑：

（一）材料优选

在设计中，金属零件需要选择耐腐蚀好的材料，两种材料之间的组合装配要注意选择能相互接触的金属，防止产生电化学腐蚀。

该天线中心支杆选用无缝钢管，底座为热轧钢板焊接形式，均进行热浸锌处理，其余主要结构件全部采用防锈铝，可以提高三防能力并有效地减轻天线主体重量。

非金属材料选用耐高、低温性能好，吸湿性低，透湿性小，抗霉菌性能好，具有所需的机械强度、绝缘强度、阻燃性能的材料。

（二）隔离防护

天线放大器为该天线的核心部件，主体结构为屏蔽盒，屏蔽盒外面安装插座等。

对于天线放大器来说，密封是防止潮气及其它腐蚀性介质长期影响的有效办法。该天线放大器在结构设计中采用全密封形式，电子器件安装在屏蔽盒内，盖板通过密封条和螺纹连接将屏蔽盒与外部大气环境隔离。

（三）工艺防护

天线上的所有金属零件，都经过表面处理后涂覆保护性底漆、面漆。转轴等活动部分以及紧固件采用不锈钢材料。

天线放大器印制板电装完成后喷涂三防漆，放大器安装时屏蔽盒内部整体灌装有机硅凝胶，所有接插件安装时抹密封胶。

（四）结构防护

在结构设计上，所有零件应避免积水，并尽量消除或减少缝隙、死角结构，防止水、灰尘和盐雾的沉积。

除天线放大器外，天线支臂等天线结构尽量采用开放式，避免采用气密的结构，并开设适当的通风排气孔，以避免湿气的积聚。

对于暴露在大气中的易发生腐蚀的部位，加大零件厚度；对于易腐蚀损坏的零件，从结构上保证易于维修、更换。

所有这些，将很好地改善天线的抗腐蚀性能。

四、热设计

由于天线需要在室外恶劣条件下连续工作，放大器能否顺利散热就非常重要。

为了提高设备可靠性，放大器散热采用自然冷却方式，增大印制板与屏蔽盒之间的接地面积，在大功率元件上安装散热块，通过热传导和热辐射方式将设备热量传导到屏蔽盒外壳上。

屏蔽盒外壳为铝合金材料，加工成肋板结构，有效地降低了设备工作温度,提高了天线单元的可靠性。

五、抗风能力

天线在结构自重、外载荷的作用下，在温度变化、装配误差等其他因素的影响下，要发生结构变形。结构变形势必影响到天线的电性能和结构的稳定性。因此，天线结构必须具有足够的强度和刚度。

该天线为中心对称式框天线。主体结构为底座、中心杆、四根支臂。天线底座通过M10螺栓安装在天线基座上，中心杆通过M6螺栓安装在天线底座上。天线的中心杆为主要结构件，承受着主要的风阻力矩。如图1所示，在天线的中心杆和四个下框之间通过环氧层压玻璃拉杆连接，形成由铰接三角形组成的稳定的空间几何不变系统。

要分析天线的强度和刚度，需要抓住结构受力的主要因素和主要部分，对天线载荷分析进行分析、简化。

在工作时，天线各部分均处于锁紧静止状态，没有加速度，因此惯性载荷可以忽略。因此，考虑到该天线的使用状态和使用环境，所受载荷大致有：风载，自重载荷，温度应力及变形等。

天线支臂为铝合金材料，自重很轻，结构自重载荷引起的变形与风载引起的变形相比，非常小，可以认为忽略不计。

本天线形式为框天线，对由于温度变化产生导致的天线变形不敏感，故温度应力及变形可以忽略不计。

露天工作的天线，风载是必须要考虑的。风载主要与天线的结构特性、强度有关。对于本天线来说，可以认为风对结构是一种静力作用，即风载为静载。

风载荷可以通过公式计算，计算公式为：F=CFqA

其中CF为风力系数，q为动压，A为物体的特征面积。

q=1/2pv²

将各组数据代入公式，得：总风荷F=125.01kg。

经过分析，我们认为，整个天线结构的最薄弱环节为天线上板与天线下板相连接的6×M6螺栓。对于粗牙螺纹的M6（4.8级）螺栓，单个螺栓保证载荷为6230N，远大于天线所受到的风载。

为了提高天线工作安全系数，在中心杆上方安装拉绳，固定在天线周围的三个拉绳基座上，保证了天线稳定工作。

六、结论

由于采取了以上措施，满足了设计要求，有效地保证了该天线的研制工作顺利进行。

该天线在设计过程中完全采用了三维软件设计，设计过程中产品的实际形状真实可见，可以及时与用户协调修改，给设计工作以强有力的支持，降低了产品开发成本，缩短了开发周期。

参考文献

[1]王健石，吴克全，吴传志．电子设备结构设计手册[M]．北京：电子工业出版社，1993．

[2]朱钟淦，叶尚辉．天线结构设计[M]．北京：国防工业出版社，1980．

[3]机械设计手册[M]．北京：化学工业出版社，1987．

作者简介：王健（1974－），男，河北石家庄人，中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师，研究方向：电子设备结构设计。