船用鞭状接收天线结构设计与实现

2013-03-05郭金宝李文超

电波科学学报 2013年6期

董墨李丹郭金宝李文超

（1.中国电子科技集团公司第30研究所，四川成都610041；2.中国电波传播研究所，河南新乡453003）

引言

随着我国海洋事业的发展，如何不断提高维护海洋环境权益的能力，实现建设“海洋强国”的战略目标，对海洋舰船短波通信系统提出了更高更新的要求，而舰船平台载体上可供安装天线的空间有限，对天线的尺寸要求很高.短波有源鞭状天线以其特殊的结构形式及可适应于海洋环境工作要求的特性，对远程通讯、雷达、侦收、监视等系统可建立和完成多类不同的通信功能.

短波舰船有源鞭状接收天线的结构组成形式，是鼎成了鞭状天线与有源腔体的结合，二者的溶融，使天线所能行使的功能更加完善.

1 方案选择与设计

依据舰船鞭状天线高度，在考虑有源腔体的情况下，天线有两种形式可供选择：一种是自立式鞭状天线；另一种是带拉线的鞭状天线.自立式鞭状天线优点是：占地面积小，安装方便.缺点是为了保证强度及稳定性，天线振子尺寸较大，天线重量较重且风力作用下振子偏摆较大.带拉线的鞭状天线优点是重量轻、稳定性好.缺点是拉锚占地面积大，拉线影响人员通行，金属拉线对电气有影响，绝缘拉线耐候性差、寿命短，安装架设麻烦.

1.1 方案选择

考虑到天线安装在舰船桅区，安装场地有限，天线形式确定为自立式，且天线振子长度控制在6m之内.

有源腔体作为鞭状天线的底部支撑体，适当的腔体体积结构既能固定鞭状振子，又能保护有源电路正常工作，通过理论承重计算后，选择腔体高度240×240×600mm.

1.2 天线结构组成形式

天线由振子、底座两部分组成.其结构效果三维图如1所示.

图1 有源鞭状天线结构图

2 振子结构设计及选材分析

2.1 振子结构设计

依据方案的选定，天线振子总高6m.振子结构设计采用由6节振子（管状）连接而成，为减轻重量，振子从下至上为变直径设计，直径逐渐变小.

振子外径从下至上从Ф50mm逐渐变小到Ф16 mm，每段长控制在1m左右.振子两端焊有接头，一端接头为外螺纹，另一端为内螺纹.振子通过螺纹连接，为提高天线的防振、抗摆幅性能，连接螺纹选用自锁性能更好的细牙螺纹.这样的结构设计［1］有以下优点：

1）铜具有很好的导电性能和耐蚀性（海洋大气环境下平均腐蚀速度不超过2.9μm·a-1），振子表面镀铜可以保证各段振子之间良好的电气连接，从而保证了天线的电气性能.同时，由于铜层的防护，振子的耐蚀性大大提高，解决了普通钢耐蚀性差的问题.

2）将各段振子的长度控制在1m～1.2m之间，不仅便于包装、运输，更有利于加工和电镀铜处理.

3）振子之间、振子与底座之间通过［2］细牙螺纹连接，细牙螺纹较粗牙螺纹自锁性更好，提高了天线的防振性能.

2.2 振子选材分析

振子可选材料有2A12T4铝管和20＃热轧无缝钢管.铝管重量轻，强度与钢管接近，但其弹性模量（E＝71GPa）远小于钢管的弹性模量（E＝206 GPa），在风力作用下，铝管的偏摆远大于钢管的偏摆，硬铝管接头连接处加工（焊接）困难，可靠性难以保证；硬铝在海洋大气环境下，实际防腐性能并不理想.所以，振子材料选用钢管较为合理.

2.3 底座结构设计及选材

天线底座由盒体、绝缘子、防雨罩、铰链、装在盒体内的电路及电缆座和电源座等构成［3］.

盒体由盒身、上法兰、下法兰、底盖、操作窗组成.盒身用厚4～5mm的钢板焊接而成.上、下法兰与盒身围焊，上法兰用于安装陶瓷绝缘子，底座通过下法兰安装在舰船上.底盖上装有电缆座、电源座、有源电路等.底盖距离下法兰70～80mm，能有效防止雨水.筒身侧面设计有操作窗，便于内部部件的连接.

绝缘子选用高频瓷绝缘子，表面上棕釉.绝缘子与上法兰安装处、压盘与绝缘子接触处垫有铅垫或橡胶垫，铅垫或橡胶垫既能避免绝缘子因局部不平整受力不均匀而损坏，还能起到密封的作用.防雨罩能防止雨水在绝缘子表面连成整体而降低绝缘强度.

铰链可单向折倒90°，有利于安装，在环境风力超过设计风速时，还可将天线振子折倒后固定，防止天线损坏.

铰链一端设计有外螺纹与振子连接，一端通过螺装及灌装环氧树脂与绝缘子固定，这样的设计能有效地防止雨水、盐雾及霉菌的倒入，有效提高密闭性.

材料选择用Q235-B热轧无缝钢板焊接而成.

3 结构力学计算及分析

3.1 环境基本数据［2，4］

天线体在使用环境下，主要载荷为风载荷，按风速ν＝45m／s计算［1］；基本风压

风压高度变化系数μz＝1.38—按A类地面粗糙度、高度10m处选取；体型系数μs＝1—圆柱形结构，因μzω0d2＜0.02，按较大值计算；

风振系数βz＝1.8—按《高耸结构设计规范》GBJ135-90，按桅杆悬臂端选取；风荷载

3.2 短波有源鞭状天线力学计算

3.2.1 基本数据

振子总高6m.

初步设计材料选用20＃无缝钢管，振子共分6段，每段长约1m，从下至上尺寸为Ф50mm×5 mm、Ф40mm×4mm、Ф32mm×3.5mm、Ф25mm×3mm、Ф20mm×2mm、Ф16mm×2mm.20＃无缝钢管的强度极限σb＝400MPa、屈服极限σs＝250MPa、弹性模量E＝206GPa.

振子结构力学模型图如图2所示.

图2 振子结构力学模型图（长度单位：mm）

各段振子基本数据见表1.

表1 各段振子基本数据

3.2.2 振子强度校核

第六段根部弯矩

第一段根部弯矩

最大应力

安全系数

各段强度计算数据见表2所示.

表2 各段振子强度计算数据

3.2.3 风力作用下振子最大偏摆［5-6］

各段振子按悬臂梁计算，用叠加法计算各段的最大挠度和转角［2，4-5］.

第六段受均布风荷q6的作用.

第五段受均布风荷q5、第六段产生的集中力q6×1、第六段产生的弯矩q6×1×0.5.其它各段依此类推.

受均布载荷时：

受集中载荷时：

受弯矩作用时：

各段计算数据见表3所示.

表3 振子各段偏摆计算数据

振子顶端最大偏摆

3.2.4 自振周期计算理论分析［7］

式中：g为重力加速度g＝9.8N／m2；δst为重力作用下的静变形.

用前面所用的程序，将风荷改变为自重载荷，计算振子水平放置时的静变形δst＝0.1 363m得到

4 结果复核及分析

4.1 结果复核

上述初始数据用ansys计算［8-10］，得振子最大节点应力为247MPa，最大位移fmax＝0.819 08m，自振频率f＝1.900 1Hz.最大节点应力误差为1.654MPa，最大偏摆误差仅0.012 52m，强度及挠度计算方法及结果正确；自振频率计算误差的原因，由节点变形选择参数误差引起.只要船体的自谐振频率点远远偏离与天线体的谐振频率，天线即可工作正常.

图3和图4分别为该有源鞭天线节点应力云图和节点位移云图.表4中数据为该天线的前10阶频率.图5和图6分别为该有源鞭天线的第1阶振型图和第5阶振型图［5］.