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天線結(jié)構(gòu)
用于電子、通信和機械工程的結(jié)構(gòu)
基本信息
| 中文名 | 天線結(jié)構(gòu) |
| 外文名 | antenna structure |
| 應(yīng)用學(xué)科 | 電子工程、通信工程、機械工程 |
| 結(jié)構(gòu)分類 | 塔桅結(jié)構(gòu)和反射體結(jié)構(gòu) |
| 分類 | 線天線和面天線 |
| 定義 | 天線本身和支持天線的結(jié)構(gòu)物 |
收起
結(jié)構(gòu)型式
天線結(jié)構(gòu)具有多種型式。天線可分為線天線和面天線兩大類。在結(jié)構(gòu)型式上有塔桅結(jié)構(gòu)和反射體結(jié)構(gòu)兩大類。面天線的工作波長較短，精度要求較高。反射面精度是天線的一個重要問題。
塔桅結(jié)構(gòu)
塔桅結(jié)構(gòu)分為拉線式桅桿結(jié)構(gòu)和自立式塔架兩種。
桅桿天線桿身的穩(wěn)定靠纖繩來維持。因為有纖繩支撐，桅桿可以較細，重量較輕。移動式桅桿天線的桿身常由若干節(jié)組裝而成，架設(shè)時可一節(jié)節(jié)升起，運輸時則拆成長度不大的若干節(jié)。桅桿不僅用于支持天線，有時桿身也作為發(fā)射體。
自立式塔架（是截面為正多邊形（正三角形、正方形、六邊形、八邊形）的空間桁架結(jié)構(gòu)，截面尺寸一般隨高度而變化，可根據(jù)受力情況決定合理的曲線外形。塔架通常用來支持天線，如微波天線塔、廣播電視天線塔、雷達天線塔等。
反射體結(jié)構(gòu)
反射體天線結(jié)構(gòu)也有多種型式，反射面一般是拋物面，外形有的是圓拋物面，有的是切割拋物面（矩形或橢圓形截面）。小口徑反射體常采用薄殼結(jié)構(gòu)，適當(dāng)加一些加強筋。對于尺寸較大的天線，則要有主力骨架來支持反射面板，通常是桁架結(jié)構(gòu)。圓拋物面天線的主力骨架常采用輻射狀結(jié)構(gòu)，由若干條輻射梁和環(huán)組成。非圓截面天線的主力骨架常采用格狀結(jié)構(gòu)。
框架式結(jié)構(gòu)
為了獲得更高的方向性，常將若干相同的天線單元以一定的排列方式組成天線陣。將幾個天線單元排成一直線，就成為線陣。將許多天線單元排列在一個平面上，就組成面陣。面陣列式天線的結(jié)構(gòu)型式多為框架式結(jié)構(gòu)。
反射面型式
四種形式簡介
反射面有四種型式：①實體反射面；②打孔金屬板；③網(wǎng)狀反射面；④柵條反射面。應(yīng)根據(jù)電性能和機械性能的要求選擇反射面的型式。實體反射面電性能好，反射效率高，但風(fēng)阻大，重量大。波長3厘米以下的多采用實體反射面。其余三種反射面重量和風(fēng)阻都小，但會漏過一些功率，因而對孔的尺寸、網(wǎng)格尺寸和柵條間隔有一定限制。例如，在金屬板打圓孔時，對孔徑和孔距均有要求，圓孔直徑必須小于圓波導(dǎo)最低模的截止直徑──
，一般取為
(
為波長)，借以保證漏過功率足夠小，而柵條的中心距必須小于半波長。實體、打孔金屬板和網(wǎng)狀反射面對各種極化波均可使用，而柵條反射面只適用于線極化，極化方向應(yīng)與柵條平行。實體反射面和打孔金屬板常由鋁板經(jīng)壓力加工成形，也可用玻璃鋼或碳纖維增強塑料，表面噴涂金屬或鋪銅絲網(wǎng)。網(wǎng)狀反射面由金屬絲編織而成。柵條反射面可用金屬絲、金屬圓管或金屬板條平行地排列構(gòu)成。
反射面公差
根據(jù)公式可知，隨著表面誤差
的增大，增益急劇下降。因此，必須限制表面誤差。表面公差應(yīng)根據(jù)電性能要求和生產(chǎn)的經(jīng)濟性來折衷決定。公差太大，電性能變壞；公差太小，則制造困難且結(jié)構(gòu)笨重，因此應(yīng)取一合適的數(shù)值。一般取均方根誤差為
。表面公差的數(shù)值與天線大小無關(guān)，而僅與工作波長有關(guān)；波長越短，精度要求越高。工作在毫米波段的天線要求有很高的表面精度。產(chǎn)生表面誤差的原因有制造誤差、載荷引起的變形誤差、安裝調(diào)整誤差等。確定總的表面公差后，即可按一定比例規(guī)定各項誤差的指標(biāo)。為了使反射體天線在載荷作用下的變形不超過允許值，天線結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度。剛度要求常是天線結(jié)構(gòu)的主要矛盾，特別是工作波長較短、尺寸較大的天線，設(shè)計時首先要滿足剛度要求。
設(shè)計要求
設(shè)計天線結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)考慮下列問題：
①確定反射面型式；
②確定反射體主力骨架的型式和具體結(jié)構(gòu)；
③確定天線結(jié)構(gòu)的材料及制造工藝方案；
④分析天線所受的載荷，計算天線結(jié)構(gòu)的強度和剛度；
⑤對反射體表面精度進行論證；
⑥確定天線表面精度檢測方案；
⑦確定天線的架設(shè)和運輸方案。
一個合理的天線結(jié)構(gòu)應(yīng)該是重量小，又能滿足強度和剛度的要求。為此，必須對天線結(jié)構(gòu)進行精確的力學(xué)分析。這可以利用有限單元法，借助計算機算出天線各點的變形和各構(gòu)件的應(yīng)力。為了得到最優(yōu)設(shè)計，可采用最優(yōu)化方法，由計算機自動尋優(yōu)。
保型設(shè)計
直徑幾十米的大型毫米波天線，由于表面精度要求很高，制造時首先遇到的問題是結(jié)構(gòu)本身重量所引起的變形會遠遠超出精度的要求。減小自重變形，不能靠增加桿件截面尺寸來解決。因為增大了截面，剛度雖然增大，但自重也隨之增大，自重變形仍不能減小。為了解決這個矛盾，V.赫爾納于1967年提出了保型設(shè)計的概念，即適當(dāng)?shù)卦O(shè)計一天線結(jié)構(gòu)，使變形后的反射面仍為一拋物面，但頂點、軸線和焦距與原拋物面不同，即從一個拋物面變?yōu)榱硪粋€拋物面。采用保型設(shè)計，可以完全消除自重變型的影響，只要調(diào)節(jié)輻射器的位置，使其位于新的焦點上即可。在選擇合適的結(jié)構(gòu)布局后，運用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法，以桿件截面積和結(jié)點坐標(biāo)作為設(shè)計變量，可以求得保型設(shè)計。研制大型精密天線結(jié)構(gòu)所遇到的技術(shù)難題，除了自重變形之外，還有對溫度變形的控制、高精度面板的加工，以及整個反射面精度的檢測等。
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