某大型双耳式车载天线座系统设计*

唐际杰

(桂林长海发展有限责任公司， 广西 桂林 541001)

某大型双耳式车载天线座系统设计*

唐际杰

(桂林长海发展有限责任公司， 广西 桂林 541001)

随着我国国防事业的快速发展，装备结构形式越来越趋向于向大型化和轻型化两极发展。在需要移动式大功率发射的情况下，大型车载天线座系统的设计便成为装备研制的核心内容。为了有效利用设备空间，提高天线座整体的稳定性，同时满足野外车载设备工作的需要，文中从总体布局、结构形式、传动设计、散热及防雨设计等方面对某大型车载天线座系统进行了阐述，实现了工程设计并已交付客户使用。

天线座系统；传动；散热；防雨设计

引 言

大型车载天线座系统设计一直是移动式大功率车载电子设备结构设计的重要组成部分，在需利用定向天线进行方位、俯仰转动时，双耳式天线座凭借其结构紧凑的优点成了此类设计的主要结构形式。但以往设计的天线转台多为分体式结构，天线座存在稳定性差、俯仰轴同心度不高的缺点。为适应某车载设备路况差、天线定位精度高的需要，本文从天线座总体布局、结构形式、传动设计、散热及防雨设计等几个方面对该大型车载天线座系统进行了设计，并进行了流体仿真分析。目前该天线座已投产使用，并取得了很好的应用效果。

1 天线座系统总体设计

1.1 总体布局

该天线座系统由天线座底座、天线座转台、方位传动机构、俯仰传动机构和天线框架等组成。天线座总体布局与所装载的天线、发射组件和电源模块的安装形式有关，因此在设计此类天线座时，首先要根据天线及各类设备的结构形式和重量尺寸进行总体布局。该天线座安装的天线为2个平板阵列天线，并排安装时需要较大的空间；发射组件为14个功放发射单元，连同14个通风散热单元并排安装也需要较大的空间。为充分利用安装空间，采用双耳式天线座结构，天线框架安装于两支耳之间，一面安装2个阵列天线；另一面安装功放发射单元和通风散热单元，天线转台周围多余的空间用于安装进风扇、出风扇和电源模块等。图1为天线座总体布局图。

图1 天线座总体布局

1.2 传动原理

伺服传动原理如图2所示。方位传动和俯仰传动均为电机驱动，方位电机通过方位减速器和方位齿轮机构驱动方位转台，方位同步机通过一级齿轮机构从方位轴上获取同步信号；俯仰电机通过方位减速器和俯仰传动机构驱动天线框架，俯仰同步机通过一级齿轮机构从俯仰轴上获取同步信号。另外，在该产品中，方位要实现±120°转动，在实现舱内设备到天线座的连接电缆进行±120°回转时，设计了螺旋弹簧带动电缆回转的电缆卷绕装置，如图3所示。

图2 天线座伺服传动原理

图3 电缆卷绕装置

2 天线座结构设计

2.1 材料的选择

在确定天线座材料时必须遵循2个原则：天线座本身的强度和刚度满足设计要求[1]；为方便吊装，天线座应尽量轻。根据天线座的承载能力和自身重量设计要求，对铸铝和铸钢进行性能比较。一般工程用铸钢主要应用于大型固定基座，其重量大，加工性能差；铸铝ZL102应用于形状复杂、耐腐蚀、气密性高的薄壁基座，其加工性能好，重量适中。根据比较结果，决定采用铸铝ZL102作为该车载天线座的材料。天线框架材料采用防锈铝板。防锈铝板重量轻，耐腐蚀，综合性能优越。

2.2 结构形式的确定

天线座的结构形式要根据所安装的天线和设备的结构形式、重量和尺寸来确定。该产品使用的天线为双阵列天线，为充分利用安装空间，天线和其他设备均安装在天线框架的前后两面，天线框架做5°～15°的俯仰运动。双耳式天线座安装空间较大，可满足安装要求。天线座上部为转台及俯仰传动区，下部为方位传动区，如图4所示。

图4 双耳式天线座

2.3 结构设计

2.3.1 天线转台结构设计

2.3.1.1 传统双耳式天线转台设计

对于以往高度尺寸较小的钢制双耳式天线转台，传统的设计方式为分体式设计，即先对支耳1、支耳2和安装盘进行单独设计，然后从底部对三者进行螺装设计。该设计的优点是设计简便，加工简单，成本低，但存在整体稳定性和两端俯仰轴同心度差的缺点。车载天线座若长期在路况较差的道路环境下工作，其稳定性就会急速下降，进而影响天线的运行精度。

2.3.1.2 整体式双耳式天线转台设计

根据天线座上安装的设备数量和尺寸大小，该转台的直径达2 m，支耳高1.5 m，受总体重量的限制，转台材质采用密度较小的铝合金材料。为增加天线座整体的稳定性，提高两端俯仰轴的同心度，将转台设计成整体铸造的结构形式。用镗床对两端俯仰孔进行一次性镗孔加工，以保证两端俯仰轴的同心度。天线转台支筋的厚度根据安装设备的尺寸和重量来确定，在天线座转台底部设计加强筋，并进行适当减重和美化处理。设计时，预留好俯仰电机的安装位置。图5为双耳式天线转台结构示意图。

图5 双耳式天线转台结构示意图

2.3.2 底座结构设计

底座为整个天线座系统的关键受力部件，具有承重和安装方位传动件的功能，其结构设计需考虑以下几个方面：

1)根据设备和传动机构的尺寸确定底座的大小；

2)根据整个天线座系统的重量设计底座的厚度，并进行受力分析；

3)预留方位传动机构的安装位置；

4)预留易于操作的维修口、孔；

5)确定布线路径，预留布线位置。

根据以上几个方面确定底座的形状和大小，整个底座分上下2层，上层为方位传动件安装层，下层为对外接口安装层。设计时，对底座进行合理减重，设置传动件维修口，并对外形进行适当的修饰。图6为底座结构示意图。

图6 底座结构示意图

2.3.3 传动设计

传动设计为整个天线座系统的核心，其好坏关系到整个天线座系统的成败。传动设计需从传动形式的确定、电机和减速器的选择、传动件的设计等几个方面来考虑。

2.3.3.1 传动形式的确定

传动形式种类很多，常用的有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等几种。该产品要求传动机构传动效率高，结构紧凑，工作可靠、稳定，寿命长。根据这一特点，方位和俯仰均采用圆柱齿轮传动形式。方位和俯仰传动装置均由电机+减速器一体机、齿轮装置、电气和机械限位装置以及轴承等组成。

2.3.3.2 电机及减速器的选择

1)负载力矩的计算。在确定电机和减速器之前，首先需分别对方位和俯仰负载力矩进行计算(负载力矩一般包括惯性力矩和风力矩)，并对两者取2倍的安全系数，最后得出所需电机的最小功率。

2)电机及减速器选型。根据所需电机的最小功率初选某一型号的电机，再根据所选电机的额定转数和负载转数得出最大减速比，由最大减数比选定减速器、齿轮传动比和总传动比。

3)电机输出功率、力矩的复核。根据电机的额定力矩、总传动比和传动效率，得出最大力矩大于负载力矩即可。当然，若产品应用在海拔高度大于2 000 m的高原，则高度每增加1 000 m，功率大约降低10%。因此，在进行电机实际功率和实际输出力矩的复核时，应考虑相应的损耗。

2.3.3.3 传动件的设计

本项目主要对标准圆柱齿轮传动件进行结构设计。齿轮设计主要考虑齿轮材料、精度和齿数的选择以及齿面强度、齿根弯曲度、分度圆、中心距和齿轮宽度的计算[2]。当然，若技术人员设计经验丰富，也可省去齿面强度和齿根弯曲度的计算。鉴于齿轮末级传动对总的回差影响最大，所以在对末级齿轮进行结构设计时，应使齿轮中心距可调，这样可部分消除齿侧隙[3]。另外，还应对齿轮零部件进行适当的减重。

2.4 散热及防雨设计

2.4.1 散热设计

随着科技的发展，功放单元、微波组件、固态继电器、变压器及各种整流模块等各种电子元器件的集成度越来越高，元器件对周围环境温度的要求也越来越苛刻。为了保证天线座系统各元器件的正常工作，采用热交换器来降低天线座系统的内部温度是很有必要的。

根据该产品的特点，阵列天线和功放单元分别安装在天线框架的两侧。功放单元为最大散热部件，需对它进行散热设计。在进行散热设计时，在天线转台底面设计了3个散热风扇(1个进风风扇，2个出风风扇)。将功放单元和散热片贴合在一起，外设风道和风扇，用风扇对散热单元进行强制散热，增加空气的对流，形成1个一进一出的散热单元。该产品共有14个功放单元，设计了7组散热单元，热风自左向右吹出，与天线转台底面及天线罩形成1个天线散热系统。

天线散热系统的冷热风循环过程为：天线转台进风风扇将方舱内制冷空调的冷风带入天线系统内，天线系统的7组散热单元利用冷风对散热单元进行强制散热，热风通过转台底部的2个出风风扇将其热量强制带出天线罩，使天线罩内部形成1个冷热风交替循环系统，完成冷热风交替。天线系统的散热设计如图7和图8所示，天线罩内部流体分析如图9所示。

图7 天线系统散热布局示意图

图8 单个散热单元结构示意图

图9 天线罩内部流体分析图

2.4.2 防雨设计

为达到防雨和防尘的效果，专门为天线系统设计了天线罩。天线罩采用玻璃钢材料制作，其下部设计有金属安装台阶，在天线转台与天线罩接合面设计有密封圈。通过天线罩、天线转台和密封圈实现天线系统的防雨设计。

3 结束语

在野外复杂道路环境下使用的车载设备对天线座的重量、承载能力、稳定性、俯仰轴同心度等都有较高的要求。工程实践表明，在整体重量相当的情况下，该车载天线座的承重能力、稳定性、俯仰轴同心度等指标跟以往的双耳式天线座相比，有了明显提高，可以替代部分双耳式分体天线座。对于车载大型双耳式天线座，在设计中不仅要考虑其结构布局、传动形式、散热及防雨等，还要考虑天线座结构的加工、装配工艺性和维修性以及天线座内部电缆的卷绕、布线形式和外部的起吊装置等。此外，若在海上、高原等恶劣环境下使用，还要考虑结构件表面的特殊处理及外观涂覆等。总之，只有综合考虑以上因素才能设计出结构美观、性能可靠的天线座系统。

[1] 吴凤高. 天线座结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1975.

[2] 濮良贵, 纪名刚. 机械设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 吴凤高. 雷达天线座结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1973.

唐际杰(1979-)，男，工程师，主要从事军用电子产品结构总体设计工作。

声 明

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Design of a Large Vehicle-borne Double-ear Antenna Pedestal System

TANG Ji-jie

(GuilinChanghaiDevelopmentCo.,Ltd.,Guilin541001,China)

With the rapid development of China′s national defense, the equipment structure develops towards large and lightweight trends. The design of the large vehicle-borne antenna pedestal system becomes the core of equipment development when the mobile high-power transmitter is required. In order to use effectively the space of equipment, improve the stability of the whole antenna pedestal system and to ensure the stable working conditions of the outdoor vehicle-borne equipment, the design of a large vehicle-borne antenna pedestal system is described from the overall layout, the structure form, the transmission design, the heat radiation design and the rainproof design in this paper. This system is completed in engineering design and has been delivered to the customers.

antenna pedestal system; transmission; heat radiation; rainproof design

2015-12-09

TN820.8+2

A

1008-5300(2016)03-0038-04