馬萬壘,楊兵,白海龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

車載4.5m天線碳纖維折疊反射體設(shè)計(jì)

馬萬壘,楊兵,白海龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

車載天線的機(jī)動(dòng)性要求越來越被重視，通過對(duì)車載4.5m天線傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，給出了新型的天線反射體折疊展開與收藏的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。具備優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能的碳纖維復(fù)合材料在新型方案中的應(yīng)用，在提高反射體精度的同時(shí)，還可以降低其重量，為滿足天線機(jī)動(dòng)性要求創(chuàng)造了條件。目前該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在多個(gè)項(xiàng)目中得到了良好應(yīng)用。

天線反射體；碳纖維；機(jī)動(dòng)性；折疊

0 引言

車載衛(wèi)通天線作為衛(wèi)星通信移動(dòng)載體設(shè)備，其機(jī)動(dòng)性使用要求越來越被重視。影響車載天線系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性的因素有：天線展開與收藏性能、載車運(yùn)輸轉(zhuǎn)移能力、設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力等。其中天線的展開與收藏性能是影響整個(gè)車載天線系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性的主要因素。

車載4.5m天線作為車載天線中較大口徑的天線，不同于可以整體收藏的1.8m、2.4m天線，受到公路運(yùn)輸條件的限制，4.5m口徑的天線必須進(jìn)行分塊展開與收藏。如何保證天線使用精度和強(qiáng)度，同時(shí)具備好的機(jī)動(dòng)性能，是天線設(shè)計(jì)時(shí)著重要考慮的技術(shù)問題。碳纖維復(fù)合材料具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，目前在天線產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工中，得到了很好的運(yùn)用，尤其是在移動(dòng)載體天線設(shè)備上的應(yīng)用，優(yōu)勢更加明顯。

1 天線反射體分塊折疊結(jié)構(gòu)方案

車載4.5m天線分塊展開與收藏傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是將反射體拆解成便于人工操作且利于車載運(yùn)輸?shù)牧悴考?。這種方式耗時(shí)較長，反射面裝配精度也不理想。新型的天線反射體折疊展開與收藏結(jié)構(gòu)方案，不再需要大范圍的拆解部件，在滿足運(yùn)輸限制條件的前提下，最小化的改變天線反射體的狀態(tài)，提高了天線機(jī)動(dòng)性。同時(shí)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，很好地保證了天線反射面精度。

車載4.5m天線反射體由反射面和反射體骨架組成。反射面精度的高低直接決定了天線電氣指標(biāo)的優(yōu)劣。反射體骨架是天線的主要受力部件，要求具有較高的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度。其主要作用是支撐固定天線反射面，保證反射面精度的要求。

1.1 折疊反射面設(shè)計(jì)

1.1.1 反射面折疊區(qū)域劃分

天線反射體折疊反射面分成折疊活動(dòng)部分和固定部分。折疊活動(dòng)面板面積越小，運(yùn)動(dòng)包絡(luò)范圍也就越小，重量就越輕，人工可操作性越好。同時(shí)從天線反射面精度的角度出發(fā)，天線的每一次折疊組裝，活動(dòng)面板的再裝配誤差都會(huì)對(duì)整個(gè)天線反射面的精度產(chǎn)生影響。反射面分塊數(shù)量越多，活動(dòng)面板越大，對(duì)精度的影響就越大。因此天線折疊反射面區(qū)域分塊劃分的原則是：在滿足車載公路運(yùn)輸條件的前提下，活動(dòng)面板面積要盡可能小，同時(shí)分塊要對(duì)稱，并且盡量減小分塊數(shù)量。4.5m天線反射面可以劃分成三部分，中間固定面板寬2.4m，是載車平臺(tái)運(yùn)輸不超寬的最大尺寸，兩側(cè)為折疊活動(dòng)面板。如圖1所示。

圖1 天線反射面折疊區(qū)域劃分簡圖

1.1.2 折疊方式的選擇

根據(jù)天線反射面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)面板折疊有兩種方法可以考慮[1]。一是反射面兩側(cè)活動(dòng)面板向中央固定面板內(nèi)折疊。二是反射面兩側(cè)活動(dòng)面板向中央固定面板背面折疊。

方法一是向內(nèi)部折疊，天線反射面兩側(cè)活動(dòng)面板繞折疊轉(zhuǎn)軸向內(nèi)旋轉(zhuǎn)一步折疊到位，優(yōu)點(diǎn)是折疊動(dòng)作簡單，運(yùn)動(dòng)時(shí)所占空間軌跡小。缺點(diǎn)是折疊動(dòng)作時(shí)，整個(gè)側(cè)邊塊約59kg都在旋轉(zhuǎn)軸外部，相對(duì)于是懸臂梁，開始向上折疊時(shí)受到其自重的影響，所需力矩較大，折疊轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)支點(diǎn)跨距較遠(yuǎn)，裝配時(shí)同軸度不好保證。

方法二是向背面折疊，為了充分利用反射面背面的空間，活動(dòng)側(cè)面板的凹面要面向中央固定面板的凸面折疊，這樣在折疊動(dòng)作時(shí)，側(cè)面板就需要先旋轉(zhuǎn)180°，使得其凹面面向中央固定面板的凸面后，再向下折疊收藏。優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用反射面背面的空間，向下折疊時(shí)在自重的作用下所需力矩較小。缺點(diǎn)是不能一步折疊到位，需要先旋轉(zhuǎn)后再折疊，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)所占空間較大。同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸與折疊軸為垂直關(guān)系，整體機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。

綜合考慮后選擇方法一即向反射面內(nèi)折疊來實(shí)現(xiàn)車載4.5m天線反射面的折疊收藏功能。對(duì)于其折疊需要力矩較大的缺點(diǎn)，經(jīng)過核算重量在人工操作可承受的范圍內(nèi)。為了保證折疊運(yùn)動(dòng)軸兩個(gè)支點(diǎn)處安裝的同軸問題，在加工時(shí)嚴(yán)格要求保證零部件的精度，同時(shí)在裝配時(shí)使用專用工裝來保證其裝配精度。

1.1.3 碳纖維面板的加工

折疊反射面分成了三個(gè)區(qū)域，為保證反射面板精度，反射面采用碳纖維復(fù)合材料加工而成。碳纖維復(fù)合材料具有良好的設(shè)計(jì)自由度，可以使天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活，便于設(shè)計(jì)加工異形面板。碳纖維面板面板上下蒙皮使用高強(qiáng)度碳纖維，同時(shí)在天線面板內(nèi)預(yù)埋螺母作為反射體骨架的接口及調(diào)整點(diǎn)。

碳纖維面板加工時(shí)，必須在高精度模胎上加工成型，而模胎加工費(fèi)用高，加工周期長，其成本約占整個(gè)天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的15%～25%，因此天線設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮降低模胎的成本。模胎的加工成本和周期與面積成正比，提高模胎的有效利用率，減少其加工面積，可以降低成本，縮短周期。充分利用天線反射面圓對(duì)稱性以及碳纖維復(fù)合材料良好的可設(shè)計(jì)性，在上述的天線反射面折疊分割方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化分割，圖2是天線反射面最終加工分塊示意圖。天線反射面分割成4種共7塊，天線模胎加工時(shí)只需要加工其中序號(hào)1和序號(hào)2對(duì)應(yīng)分塊模胎，序號(hào)3和序號(hào)4的分塊利用序號(hào)2即可。這樣利用天線反射面的圓對(duì)稱性進(jìn)行分割，最大限度的降低了天線模胎的加工面積，從而有效的縮短了加工周期，降低了成本。

圖2 天線反射面加工分塊示意圖

天線反射面分塊越多，加工裝配累積誤差越多，其整體精度越不好保證。為了解決這一問題，從兩個(gè)方面來采取措施。一是提高單塊反射面板加工精度到σ≤0.15mm(R.M.S)，保證總裝精度σ≤0.35mm(R.M.S)；二是單塊反射面板加工好后，在高精度模胎上先將分塊1和2、分塊3和4按中央固定面板和活動(dòng)側(cè)面板的折疊區(qū)域劃分分別進(jìn)行組裝，分別保證三個(gè)區(qū)域各自的精度，這三個(gè)區(qū)域不用再拆卸和單獨(dú)調(diào)整，總裝時(shí)保證三個(gè)區(qū)域整體裝配精度即可。

1.2 反射體骨架設(shè)計(jì)

天線反射體骨架支撐固定天線反射面，同時(shí)與天線座架連接。天線反射體骨架是由縱向腹板梁、橫向片桁架、斜拉鋼管、俯仰支耳等鋼件整體焊接組成的穩(wěn)定空間封閉桁架體結(jié)構(gòu)?？v向腹板梁采用打彎鋼板，斜拉管采用矩形鋼管，俯仰支板采用厚鋼板。鋼結(jié)構(gòu)保證了骨架的強(qiáng)度，焊接時(shí)靠工裝保證其整體的安裝精度。天線反射體骨架如圖3所示。

為了降低天線裝車高度，充分利用天線自身圓弧曲面的安裝空間，采用了弧形井字形梁的天線骨架結(jié)構(gòu)。將與天線座架接口的俯仰支耳設(shè)計(jì)在距離天線中心1500mm的位置，使天線中心高點(diǎn)位置下沉到天線座架內(nèi)部凹陷，滿足了裝車高度的要求。井字形梁的優(yōu)點(diǎn)在于其分布與天線反射面的分塊方式吻合，背部梁的完整性好，外觀整齊，便于分塊之間的連接，天線的整體剛度好。同時(shí)為了保證天線背架的整體精度，每片縱向、橫向梁均設(shè)計(jì)為與天線的自身曲線貼合。

圖3 天線反射體骨架示意圖

1.3 天線反射體的折疊展開和收藏

在天線反射體折疊展開與收藏時(shí)，折疊動(dòng)作的準(zhǔn)確性與可靠性直接決定了天線反射體能否正常工作。

為滿足天線面工作時(shí)的精度要求，在與反射面中央固定面板和兩側(cè)活動(dòng)面板對(duì)應(yīng)骨架上增加了定位與鎖緊裝置，保證天線反射體折疊展開時(shí)的定位與鎖緊。定位裝置采用錐銷定位來滿足定位精度要求，錐銷進(jìn)入銷孔在起到導(dǎo)向作用同時(shí)，又能起定位作用，錐銷上預(yù)留螺孔，當(dāng)反射面長時(shí)間處于展開工作狀態(tài)時(shí)，可以人工增加螺栓將錐銷定位裝置鎖定，增加使用的可靠性。鎖定裝置采用松不脫螺釘鎖緊的方式來實(shí)現(xiàn)，操作方便快捷。

天線反射體收藏時(shí)，將兩側(cè)的活動(dòng)面板向內(nèi)旋轉(zhuǎn)至內(nèi)部中心后，在對(duì)應(yīng)位置設(shè)置隔振器和鎖緊掛鉤，將兩塊側(cè)面板分別固定鎖緊。

2 與傳統(tǒng)方案的比較

按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的4.5m天線反射體由扇形反射面板和桁架式反射體骨架組成。

天線反射面由12塊相同的扇形面板圓陣列組裝而成。扇形面板均由鋁合金拉伸成型后鉚接成型。桁架式反射體骨架由中心體、輻射梁以及環(huán)向拉桿組成。天線反射體初次加工裝配時(shí)，所有面板裝配到反射體骨架上后，需要對(duì)單個(gè)面板分別進(jìn)行微調(diào)，從而使天線面的總裝精度達(dá)到指標(biāo)要求。在架設(shè)時(shí)需要對(duì)扇形面板、輻射梁等各零部件逐一組裝，耗時(shí)較長，并且受多個(gè)環(huán)節(jié)裝配累積誤差的影響再裝精度也不好保證[2]。

經(jīng)過分析歸納，兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)比情況如表1所示。從表1中可以看出，車載天線所關(guān)心的精度、重量以及機(jī)動(dòng)性指標(biāo)，新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案都要好于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

表1 兩種方案對(duì)比

3 結(jié)束語

車載4.5m天線折疊反射體新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高了車載天線系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性，同時(shí)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，提高了反射面精度，減輕了天線重量，更加符合車載條件使用要求。新型天線折疊反射體如圖4所示。新型方案比傳統(tǒng)方案優(yōu)勢更加明顯。為其他更大口徑的中型車載天線反射體設(shè)計(jì)提供了參考。目前該車載4.5m折疊天線已經(jīng)運(yùn)用于多個(gè)項(xiàng)目。同時(shí)該方案在車載5m Q/Ka頻段的天線設(shè)計(jì)中得到了推廣應(yīng)用。

圖4 4.5m天線折疊反射體示意圖

[1] 馬利華,唐寶富.一種自動(dòng)折疊拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2005,21(6):29-30.

[2] 馬萬壘.2.4米Ka天線輕型化設(shè)計(jì)及力學(xué)分析[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào),2013,30(4):44-49．

Designofcarbonfiberfoldingreflectorforvehicle4.5metersantenna

MAWan-lei，YANGBing，BAIHai-long

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081,China)

The mobility of the vehicle antenna is more and more important.Based on the analysis of traditional structure scheme design of vehicle 4.5 meters antenna，gives the detailed scheme of the new type design of the antenna reflector folding expansion and collection.The application of carbon fiber composite material with excellent structural properties in the new type scheme,can reduce its weight while improving the reflector accuracy,provides condition for the requirements of the antenna mobility.The structural design scheme has been well applied in many projects.

Antenna reflector; Carbon fiber;Mobility; Folding

2017-07-18

馬萬壘(1983-)，男，工程師，主要從事天線機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

1001-9383(2017)03-0029-05

TP821.6

A