某型信标天线结构设计

2016-09-06创新者

中国科技信息 2016年7期

创新者：廉佳

某型信标天线结构设计

创新者：廉佳

本文介绍了某型信标天线的设计方案，详细阐述了该信标天线的结构设计，并针对设计中的难点给出了详细的解决方法，最终设计出了满足技术要求的信标天线。

信标天线是无线电导航系统中不可或缺的设备，主要接收地面信标发射机发出的高频水平极化波信号，为飞机提供着陆引导信息，从而保障飞机的安全着陆。在某型信标天线新研过程中，通过多次仿真试验和修改天线关键部位的尺寸，确定了一组能够满足指标的天线参数。本次研制过程将这些关键部分尺寸参数和结构特性作为约束来设计天线内部结构，同时考虑装配、环境振动、冲击等对天线接收的稳定性的影响，最终确定出了一套理想的天线结构方案。

组成及工作原理

当前，基本是采用的电小天线来作为机载信标接收机，也就是相对于天线的波长，天线的尺寸是非常小的。此时，天线就可以被看做是一个辐射非常小的电感器、电容器或者是这两者通过某种方式组合在一起的组合体，然后运用加载的方式来实现天线的小型化。在信标天线中通常都是使用的比较突出的水平振子所组成的，这种水平振子运用加载性负载来实现长度的缩短。天线安装在飞机机身的下部，具有最大辐射方向垂直向下的方向图。其原理结构如图1所示，天线主要由耦合环、辐射杆和容性负载组成。调整耦合环的高度和宽度可以达到阻抗耦合匹配的目的。辐射杆的全长小于四分之一中心频率波长，它的前端连接容性负载，容性负载是一个可调电容结构，这也是本天线设计的重点和难点。

信标天线辐射主要集中在一个较为狭窄的、和地面垂直的圆锥范围之内。所以，在设计的时候都是采用的一种非对称振子天线，并将其臂弯成一个直角，形成了一个倒L形天线，让信标天线能够具备有垂直向下的心脏形方向图，其心脏形方向图的构成主要由非对称振子天线上电流分布所产生的场强的幅值和相位的不同来实现的。

设计难点及加工方法

在天线结构设计中，天线顶部的辐射杆用于接收无线电信号，零件不但长度长而且重量要求轻，在设计中如何在保证杆类零件强度的前提下减轻重量和如何加工杆类零件是主要的技术难点。天线右端的容性负载是一个50Pf的可调电容，指标要求可变电容必须在振动条件下稳定工作，不影响天线的接收性能。在设计初期市场上无法找到合适的同轴电容，因为一般的电容尺寸太大，而且无法满足产品的抗振动要求。对辐射杆的高可靠性和重量要求、同轴电容的高精确度和高稳定性，是设计中很难解决的问题。本次研制工作，通过相关设计制作出了符合要求的辐射杆和同轴电容。

图1　天线原理示意图

同轴电容设计

同轴电容由一根金属圆柱和一个与它同轴的金属圆柱壳组合而成，当两柱间距比其长度小得多时，两柱间的电场呈均匀辐射形状。在方案设计中，采用双层同轴电容及内外嵌套式设计提高同轴电容的电容值，减小同轴柱间间隙，使电场均匀分布，同时通过移动内部同轴柱上下位置来微调电容值。

根据电容计算公式C=ε×S/4πkd ，计算出同轴电容各项尺寸参数，最终设计将d取值为0.5mm，这就对结构设计提出了很高的要求。

通过设计电容底座和电容盖板，将电容外套和同轴柱安装在电容底座上，用电容端盖固定，中间垫绝缘垫片保证电容外套和同轴柱的绝缘性。通过提高电容底座上安装电容外套和同轴柱的将精度和同轴度来保证电容间隙为0.5mm。绝缘垫片和电容盖板采用非金属材料来保证电容内外柱很好的保证了电容的绝缘性。通过在电容柱上设计螺纹，依靠螺距旋转移动来调整同轴电容的电容值，实现微调设置。

辐射杆设计

辐射杆为天线设计的主要部分，辐射杆的形状、重量、材料关系到天线的整体性能，经过多次计算和测试最后确定了辐射杆的材料、壁厚、长度，并确定辐射杆形状为抛物线旋转形，这样的设计保证了辐射杆的高强度、低重量。

辐射杆形状复杂、壁薄，普通的加工方法无法加工。因此在设计后期，采用拉伸模具加工零件。拉伸模具的设计采用带压料板的一次拉伸成型方式，通过计算铜材拉伸变形程度较大，拉伸后边缘容易起皱，在拉伸板料上端设计压料板，压料板通过四根螺栓与上模固定，中间夹设橡胶板，在冲压时压料板先将板料四周压住，然后凸模下移将板料拉伸成型。