某大型对数周期天线的结构设计及力学仿真*

陈应春，宋晓斐

（1. 南京恩瑞特实业有限公司，江苏 南京 211106；2. 南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）

引 言

对数周期天线是一种宽带定向天线，具有频带宽、增益高、定向性好等优点，在侦查、测向、通信、电子对抗和科学观测等方面有着广泛的应用[1–4]。

对数周期天线由多个不同长度和位置的辐射偶极子振子组成。为了保证良好的辐射特性，辐射偶极子振子的长度通常需要大于最低工作频率的二分之一波长，因此频率的高低决定了辐射偶极子振子的长度，也影响了对数周期天线的结构尺寸。对于频率很高的对数周期天线，其结构尺寸有限，辐射偶极子振子长度较短，工程实现的结构形式也较为简单，在结构优化设计中可用手段较多，如可以通过局部焊接、增加绝缘连接板和增加拉紧绳索等手段实现结构设计的优化。但对于频率很低、波长很长的对数周期天线，其辐射偶极子振子很长，自身的结构尺寸也很大，给对数周期天线的结构设计带来很大挑战。

本文以某HF波段的对数周期天线为研究对象，对其进行结构优化设计。采用增加立柱的方式提高整个天线骨架的刚度，采用等刚度设计方法优化辐射偶极子振子的结构尺寸，减轻重量，减小风阻，并进行三维布线设计和现场架设规划。另外，通过力学仿真分析验证了结构设计的合理性。

1 雷达系统组成

某科学观测短波雷达利用电离层不均匀体对电磁波的后向散射特性来探测电离层。该雷达架设在低纬度地区，采用低仰角向东西两个方向发射垂直于地球磁力线的无线电信号，实现几千公里雷达视场中的电离层不均匀结构的监测和研究。该雷达系统主要包括两个主阵列、两个辅助阵列和一个设备舱，如图1所示。主阵列和辅助阵列分别由若干个对数周期天线沿南北向一字排开，面向东西方向，采用一维相扫体制，强制馈电。设备舱内部安装T/R组件机柜、综合机柜和室内配电柜等设备。天线通过射频电缆与设备舱内部设备连接，传输电信号。

图1 雷达系统结构布局示意图

2 天线结构设计需求

某大型对数周期天线的结构设计需要重点考虑以下几个方面：1）天线工作频段在短波范围内，最长辐射振子的长度超过15 m；2）天线俯仰向波束较宽，波束打地后多径影响严重，因此需要对天线进行加高，加高高度超过10 m；3）沿海地区环境恶劣，湿度大，风力大，盐雾腐蚀严重；4）天线结构刚度要求为天线在安装、制造、21 m/s风速及自重等因素综合作用下的尺寸变形≤1 200 mm（工作状态）；5）天线结构强度要求为天线在35 m/s风速及自身重力作用下结构不被破坏；6）天线结构需要轻量化设计，保证整体重量较轻，便于转场运输和现场架设。

3 天线结构设计

天线由塔架、天线骨架、辐射振子（辐射偶极子振子）、集合线、匹配器等组成。塔架将天线整体架高，天线骨架固定在塔架的顶端；多个长短不一的辐射振子按照一定规律固定在天线骨架的相应位置上，并分别与两条集合线连接；两条集合线之间用绝缘体隔绝，并连接匹配器，如图2所示。

图2 天线结构布局示意图

本文根据天线结构设计要求，针对结构设计难点，仅对塔架、天线骨架、辐射振子、三维布线和现场架设进行了描述。

3.1 塔架

塔架用来支撑并架高天线，塔架底部固定在天线地基上，塔架顶部设有固定天线骨架的接口。为了提高塔架的稳定性，在塔架上对称设置多个风绳拉环，用于固定钢丝绳。塔架较高，为了便于生产加工和包装运输，将塔架切分为多段。每一段塔架都采用空间桁架结构，由不同管径的镀锌钢管焊接而成，两端焊接法兰（镀锌钢板），并在法兰上设置定位基准和安装接口，如图3所示。为了适应沿海恶劣环境的要求，塔架焊接加工完成后，需要对其表面热喷锌再做油漆处理。

图3 塔架结构示意图

3.2 天线骨架

天线骨架作为整个天线的主要承力部件，既要保证天线在使用环境下结构不被破坏，又要确保天线能够保持必要的使用精度[5]。天线骨架由2根主梁、2根横梁、1根立柱、4根拉杆等组成，如图4所示。为了减轻重量，更为了降低成本，将主梁简化为1根金属管。该管由多根粗铝管拼接而成，支撑并固定辐射振子，两端有堵头，防止雨水进入。横梁由角铝和铝板焊接而成，2根横梁与2根主梁相连，拼装成一个平面框架结构。考虑到平面框架结构刚性较差，根据理论计算在主梁的特定位置增加1根立柱，以提高天线骨架的整体刚度。立柱由铝管和铝板焊接而成，其顶部也可以用来安装避雷针。拉杆采用铝管制作而成，一端与立柱上端相连，另一端与横梁相连。

图4 天线骨架结构示意图

3.3 辐射振子

对数周期天线的辐射振子数量较多，而且长短不一，最长的辐射振子长度超过15 m，按照一定规律分布在天线骨架上。每一根辐射振子均由两根金属管和一根非金属管组装而成，两根金属管之间不连接，分别和非金属管固定连接成一个整体。金属管采用铝管加工制作，非金属管采用环氧玻璃布棒加工制作，表面胶木化并喷漆保护，既保证了连接刚度，又满足电性能要求，同时也满足沿海的气候环境要求。

较长的辐射振子在自身重力和风阻的作用下，两端变形较大。为了减小端部变形，对其结构进行优化。采用等刚度设计方法将金属管分成几段，离振子中心越远，分段管径越细，保证辐射振子的风阻较小，自身重量也较轻，但刚强度较高。

3.4 三维布线

三维布线技术是根据电气接线图和三维结构模型，使用三维设计软件进行空间立体线缆布设的技术，能很好地解决传统二维布线在准确性、直观性、快捷性等方面的问题[6]，在很多产品设计中均有应用。天线的辐射振子按照一定规律固定在主梁上，集合线固定在辐射振子上方中间位置，采用电缆将若干根辐射振子分别与两根集合线连接起来。电缆和辐射振子、电缆和集合线均采用螺钉连接固定；相邻辐射振子交替错位与两根集合线相连，实现电信号传输；集合线又通过电缆连接到匹配器上，匹配器的另一端通过电缆连接到设备舱内的T/R组件上，如图5所示。通过三维布线方式将辐射振子和集合线的电缆交错连接方式直观地表现出来，便于电装工人现场接线。接线路线清晰，提高了天线的整体美观性。

图5 天线三维布线示意图

3.5 现场架设

对数周期天线尺寸较大，且整体架高很多，现场架设困难较大，主要采用整体吊装法和倒装法。整体吊装法：先在地面把塔架拼装好，整体吊装并固定在天线地基上；然后在地面把天线组装好，整体吊装至塔架顶部并固定好。这种架设天线的方法适用于吊机方便进出的阵地。倒装法：先在地面把天线组装好，然后把塔架自上而下一节一节地装进去，每装进一节，就利用提升架和卷扬机等设备把天线升起一节。这种方法适用于施工场地较小，无法满足吊机进出的阵地。该天线的现场施工场地较大，方便吊机进出，因此采用整体吊装架设天线。

4 天线结构力学仿真分析

天线在工作中会受到风载和自身重力等多种载荷的共同作用，为了使天线在规定环境条件下能正常工作且在恶劣环境条件下不被破坏，需对天线结构的刚度和强度性能进行分析和评价，为天线结构的设计和改进提供技术依据。

4.1 天线结构刚度和强度性能指标

天线结构刚度和强度性能指标为：天线在安装、制造、21 m/s风速及自重等因素综合作用下尺寸变形≤1 200 mm（工作状态）；天线在35 m/s风速及自身重力作用下结构不被破坏。

4.2 有限元模型的建立

本文采用HyperMesh软件建模，采用ANSYS软件计算分析。

4.2.1 坐标系

文中建模、分析所涉总体坐标系如图6所示，X向为天线侧面方向，Y向为天线受风方向，Z向为天线重力方向。

图6 天线的有限元模型

4.2.2 建模单位及材料参数

文中所用建模单位如表1所示，建模所涉材料及其参数如表2所示。

表1 建模单位

表2 材料参数

4.2.3 网格划分

塔架底板和顶板采用壳单元SHELL63单元进行建模；塔架桁架、主梁、横梁、立柱和辐射振子采用BEAM188梁单元来模拟；拉杆采用Link180杆单元来模拟；振子夹和卡箍采用CERIG单元来模拟。划分后的网格模型如图6所示。

4.3 计算及分析

4.3.1 天线结构刚度分析

天线在自身重力和21 m/s风速两种载荷作用下的三向综合变形如图7所示。由图7可知最长辐射振子的两端变形较大，局部最大变形Δ1约为1 070 mm。天线骨架作为整个天线的主要承力部件，其离塔架较远的一端变形较大，局部最大变形为225 mm。

图7 天线结构的三向综合变形（单位：mm）

辐射振子、主梁、横梁和立柱等采用圆管拼装成形，加工及拼装误差Δ2≤30 mm。因此天线在安装、制造、21 m/s风速及自重等因素综合作用下的最大尺寸变形（工作状态）Δ总=Δ1+Δ2≤1 100 mm，满足天线结构刚度要求。

4.3.2 天线结构强度分析

天线结构在自身重力和35 m/s风速两种载荷作用下的应力分布如图8所示。由图8可知最大应力发生在塔架固定底板的固定孔处，约为104 MPa，铝材的最大应力发生在立柱与拉杆连接处，约为42.1 MPa。因此天线中钢材和铝材结构承受的最大应力均小于相应的许用应力，满足天线结构强度要求。

图8 天线的应力分布（单位：MPa）

5 结束语

本文从大型对数周期天线结构设计需求出发，设计了一种简单且易于批产的轻量化天线结构。通过优化天线骨架和辐射振子（变形较大）的结构形式，降低了天线的风阻，提高了天线的总体刚度。通过力学仿真分析，得到天线工作状态最大变形1 200 mm，虽然可以满足使用要求，但还有减小的空间。目前，该天线的辐射振子仅中间位置与天线骨架相连，辐射振子相互间连接较少，导致臂长较长的辐射振子变形较大。因此后续可以通过对辐射振子之间的相互连接进行研究，提高天线的整体刚度，减小天线的整体变形。