一种天线同步自动折展装置设计与分析

陆海坤，李聪聪，段艳宾

(中国电子科技集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种天线同步自动折展装置设计与分析

陆海坤，李聪聪，段艳宾

(中国电子科技集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对硬对数周期天线的自动折展问题，提出一种天线同步自动折展装置，并进行相关设计与分析。该装置主要通过转轴、转盘、拉绳的传动，使旋转架带动天线振子转动，以实现各天线振子的收拢或展开；考虑到各天线阵子的同步收展，增设保护装置。通过对装置的受力和误差分析，结果表明在模拟风载作用下不会影响硬对数周期天线的精度。研究内容为实现天线收展过程的自动化，各天线振子的同步收拢，且高效、准确的收展提供了可行性方案。

天线；自动折展；同步收展

天线广泛应用于通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中，是有效地辐射和接受无线电波必不可少的装置[1,2]。由于通讯需要，天线振子的数量多达几十个，对数周期天线的展开尺寸可达数米[3]，在工作状态，所有天线振子完全垂直于主管展开，以最大程度地接收信号；而在非工作状态，所有天线振子则完全平行于主管收拢，以最大限度地减少体积。

天线展开收拢装置多针对伞状天线[4,5]或环状天线[6,7]所设计，针对对数周期天线折展机构的较少。贺献武针对软对数周期天线，采用全软索结构，利用悬索原理实现天线的架设[8]。南晓广运用卷尺思想，实现软振子的收放[9]。而对于硬对数周期天线，目前尚未见到实现自动化应用的报道，故研发能够实现自动收展硬对数周期天线的折展装置具有重要的工程意义和价值。

针对上述存在问题，本文旨在提出一种天线同步自动折展装置[10]，开展结构设计与精度分析，以实现硬对数周期天线的同步收拢与展开，提高硬对数周期天线收拢与展开的效率，保证收拢与展开的准确性，改善手工收拢与展开硬对数周期天线费时费力、无法实现同步、难以保证精度等问题。

1 天线同步自动折展装置结构设计

天线同步自动折展装置处于展开状态时，其最大外形尺寸高为800mm；天线处于收缩状态时，最大外形尺寸高为200mm。天线同步自动折展装置主要由传动系统、高度调节块组成，其收拢结构三维模型如图1所示。其中，传动系统包括电机、减速器、转轴、转盘、拉绳、旋转架、支撑架等；高度调节块一端与支撑架相连，另一端与天线主管固连。

图1 天线收拢结构三维模型1.电机 2.减速器 3.转轴 4.转盘 5.拉绳 6.旋转架 7.高度调节块 8.支撑架 9.夹紧套 10.定位环 11.限位块 12.螺栓 13.转轴座 14.天线振子 15.天线主管

高度调节块具有不同的调节高度，可使各天线振子折叠时相互错开；通过转轴、左右转盘、左右拉绳的传动，使旋转架带动天线振子转动，实现各天线振子的收拢或展开。

工作时，电机正转，经减速器减速后，带动转轴转动，转盘随转轴同步转动，使左侧拉绳张紧回收，右侧拉绳放松伸长，带动旋转架逆时针转动，转过90°后，被左侧限位块卡住，电机停止转动，实现由收拢到展开的变化，其展开结构如图2所示。

当电机反转时，与上述过程相反，旋转架顺时针转过90°后，被右侧限位块卡住，电机停止转动，实现由展开到收拢的变化。

图2 天线展开结构三维模型

在存储、运输、安装等非工作状态，各天线振子在拉绳的张紧下处于收拢状态。

2 天线振子同步收展设计

由于天线振子数量很多，同时打开或收拢时，可能会存在不同步的现象，除了可通过螺栓调节拉绳的松紧、通过楔形块限位外，还设计添加了保护装置，其剖面图如图3所示。

图3 天线振子同步收拢装置剖面图

在转轴上开两个半圆坑，在转盘上开两个螺纹孔，孔中装入滚珠、弹簧和定位珠，通过转动定位珠，可以调节弹簧的力。

在设备正常运转时，滚珠卡在转轴上的圆坑里，转盘和转轴一体同步转动。

当某个天线振子与其它的不同步，或提前转到极限位置时，转轴依旧会在电机驱动下旋转，拉绳会继续收紧，力超过设定值后，滚珠则会压紧弹簧，脱离圆坑，此时转轴继续旋转，而转盘不再旋转。

3 天线同步自动折展装置受力和误差分析

针对硬对数周期天线，其精度是接收信号准确性和实时性的重要保障，故对于所设计的天线同步自动折展装置而言，对其受力和误差分析是确定其精度能否达到要求的先决条件，并且天线在实际工作时各部分的受力不均，作为高精度的机构，对其进行刚度、强度的计算分析是很有必要的。

考虑到实际工作环境，天线所受的载荷一般为自重和风载。其中，自重主要引起的是天线在竖直方向上微小的波动。风载作用在水平天线阵子上，主要表现为垂直于天线面上的载荷；作用在天线主管上，主要表现为水平方向上的载荷。

基于所设计的天线同步自动折展装置，将其展开后的天线三维模型简化后导入ANSYS软件中，模拟现实中的受力情况，以6级风为例，添加载荷进行有限元分析求解，可以得到其对应的应力云图和形变云图，如图4所示。

图4 天线同步自动折展装置有限元分析

通过图4容易看出，天线同步自动折展装置在模拟风载作用下，最大应力点在最长天线振子的根部，应力最大为31.785MPa；最大变形量在最长天线振子的顶部，变形最大为1.7688mm。相对于400mm的天线振子来讲，波动微乎其微，因此不会影响硬对数周期天线的精度。经过实验验证，天线同步自动折展装置在6级风的作用下工作时不会影响硬对数周期天线的精度。

4 结束语

笔者所提出的天线同步自动折展装置具有收拢尺寸小、展开尺寸大、结构轻巧、高可靠性等特点，便于实现天线展开、收拢全过程的自动化，减小操作人员的工作强度，降低操作人员的专业技能要求；此外，采用一体化设计技术实现硬对数周期天线各天线振子同步收拢和展开的功能，可极大地提高系统的快速响应能力，对于新型天线的研制具有一定的指导意义。

[1] 米月英.65m射电望远镜天线结构指向精度分析与设计[J].无线电工程,2014,44(5):60-63.

[2] 梁国，王建.一种共形天线阵支架的结构设计与仿真分析[J].无线电通信技术,2016,42(1):65-68.

[3] 林昌禄.近代天线设计[M].北京：人民邮电出版社，1990.

[4] 马国亮.一种折叠式可展开伞状天线结构骨架及展开方法.中国，CN105846044A.2016.08.10.

[5] 陈务军.伞状可展开天线系统.中国， CN103872422A.2014.06.18.

[6] 李兵.一种构架式空间可展天线展开机构.中国，CN103825098A.2014.05.28.

[7] Qi X, Huang H, Li B, et al.A large ring deployable mechanism for space satellite antenna[J].Aerospace Science & Technology，2016，58：498-510.

[8] 贺献武.一种全自动对数周期天线.中国，CN104332711A.2015.02.04.

[9] 南晓广.一种自动展开收藏的软对数周期天线[J].河北省科学院学报，2013，30(1)：44-47.

[10] 曾达幸, 樊明洲, 李建军, 陆海坤, 蔺占中, 段艳宾, 何其洪, 周挺, 侯雨雷.一种天线同步自动折展装置.中国，201611114423.1.2016.12.07.

An automatic synchronous deployment mechanism of antenna

LU Hai-kun，LI Cong-cong,DUAN Yan-bin

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China)

Aiming at the problem of automatic folding of hard logarithmic periodic antenna, an automatic synchronous deployment mechanism of antenna is put forward, and the related design and analysis is performed.In the mechanism, mainly through the rotating of shaft, turntable and rope, the rotating frame drives the rotation of the antenna oscillator, so as to realize the convergence or expansion of the antenna oscillators.Considering the synchronization of the antenna oscillators, the protection device is added.Through the analysis of the force and error of the mechanism, under the simulated wind load, it will not affect the precision of the hard logarithmic periodic antenna.It is feasible to realize the automation of the process of antenna convergence or expansion, and the synchronous convergence of the antenna oscillators, and efficient and accurate convergence.

Antenna；Automatic folding；Simultaneous development

2017-03-05

陆海坤(1982-)，男，河北滦县人，工程师，主要从事天线机械结构设计.

1001-9383(2017)01-0031-04

TN82

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