什么是天线结构?

什么是天线结构?

[拼音]：tianxian jiegou

[外文]：antenna structure

天线本身和支持天线的结构物。为使天线具有所要求的电性能并能安全工作，必须有正确的结构设计。这就要合适地选择材料、结构形式和各部分尺寸，使其满足电性能要求；天线重量轻而又具有足够的强度和刚度，能适应各种环境条件，同时便于制造、运输和架设。

天线结构的型式

天线结构具有多种型式。天线可分为线天线和面天线两大类。在结构型式上有塔桅结构和反射体结构两大类。面天线的工作波长较短，精度要求较高。反射面精度是天线的一个重要问题。

塔桅结构分为拉线式桅杆结构和自立式塔架两种。桅杆天线（图1）杆身的稳定靠纤绳来维持。因为有纤绳支撑，桅杆可以较细，重量较轻。移动式桅杆天线的杆身常由若干节组装而成，架设时可一节节升起，运输时则拆成长度不大的若干节。桅杆不仅用于支持天线，有时杆身也作为发射体。自立式塔架（图2）是截面为正多边形（正三角形、正方形、六边形、八边形）的空间桁架结构，截面尺寸一般随高度而变化，可根据受力情况决定合理的曲线外形。塔架通常用来支持天线，如微波天线塔、广播电视天线塔、雷达天线塔等。

反射体天线结构也有多种型式，反射面一般是抛物面，外形有的是圆抛物面，有的是切割抛物面（矩形或椭圆形截面）。小口径反射体常采用薄壳结构，适当加一些加强筋。对于尺寸较大的天线，则要有主力骨架来支持反射面板，通常是桁架结构。圆抛物面天线的主力骨架常采用辐射状结构，由若干条辐射梁和环组成（图3）。非圆截面天线的主力骨架常采用格状结构（图4）。

为了获得更高的方向性，常将若干相同的天线单元以一定的排列方式组成天线阵。将几个天线单元排成一直线，就成为线阵。将许多天线单元排列在一个平面上，就组成面阵。面阵列式天线的结构型式多为框架式结构。

反射面的型式

反射面有四种型式：

（1）实体反射面；

（2）打孔金属板；

（3）网状反射面；

（4）栅条反射面。应根据电性能和机械性能的要求选择反射面的型式。实体反射面电性能好，反射效率高，但风阻大，重量大。波长3厘米以下的多采用实体反射面。其余三种反射面重量和风阻都小，但会漏过一些功率，因而对孔的尺寸、网格尺寸和栅条间隔有一定限制。例如，在金属板打圆孔时，对孔径和孔距均有要求，圆孔直径必须小于圆波导最低模的截止直径──λ/1.7，一般取为λ/3～λ/10(λ为波长)，借以保证漏过功率足够小，而栅条的中心距必须小于半波长。实体、打孔金属板和网状反射面对各种极化波均可使用，而栅条反射面只适用于线极化，极化方向应与栅条平行。实体反射面和打孔金属板常由铝板经压力加工成形，也可用玻璃钢或碳纤维增强塑料，表面喷涂金属或铺铜丝网。网状反射面由金属丝编织而成。栅条反射面可用金属丝、金属圆管或金属板条平行地排列构成。

反射面公差

反射体天线的表面误差会影响电性能，使增益降低和旁瓣升高。增益降低系数η与表面均方根误差ε的关系可由鲁策公式表示：

η=G/G0=exp[-(4πε/λ)2]

式中G为有表面误差时的增益;G0为无表面误差时的增益；λ为工作波长；ε为表面误差(半光程差)的均方根值。

根据公式可知，随着表面误差ε/λ 的增大，增益急剧下降。因此，必须限制表面误差。表面公差应根据电性能要求和生产的经济性来折衷决定。公差太大，电性能变坏；公差太小，则制造困难且结构笨重，因此应取一合适的数值。一般取均方根误差为λ/16～λ/64。表面公差的数值与天线大小无关，而仅与工作波长有关；波长越短，精度要求越高。工作在毫米波段的天线要求有很高的表面精度。产生表面误差的原因有制造误差、载荷引起的变形误差、安装调整误差等。确定总的表面公差后，即可按一定比例规定各项误差的指标。为了使反射体天线在载荷作用下的变形不超过允许值，天线结构必须具有足够的刚度。刚度要求常是天线结构的主要矛盾，特别是工作波长较短、尺寸较大的天线，设计时首先要满足刚度要求。

天线结构设计

设计反射体天线结构，一般应考虑下列问题：

（1）确定反射面型式；

（2）确定反射体主力骨架的型式和具体结构；

（3）确定天线结构的材料及制造工艺方案；

（4）分析天线所受的载荷，计算天线结构的强度和刚度；

（5）对反射体表面精度进行论证；

（6）确定天线表面精度检测方案；

（7）确定天线的架设和运输方案。

一个合理的天线结构应该是重量小，又能满足强度和刚度的要求。为此，必须对天线结构进行精确的力学分析。这可以利用有限单元法，借助计算机算出天线各点的变形和各构件的应力。为了得到最优设计，可采用最优化方法，由计算机自动寻优。

直径几十米的大型毫米波天线，由于表面精度要求很高，制造时首先遇到的问题是结构本身重量所引起的变形会远远超出精度的要求。减小自重变形，不能靠增加杆件截面尺寸来解决。因为增大了截面，刚度虽然增大，但自重也随之增大，自重变形仍不能减小。为了解决这个矛盾，V.赫尔纳于1967年提出了保型设计的概念，即适当地设计一天线结构，使变形后的反射面仍为一抛物面，但顶点、轴线和焦距与原抛物面不同，即从一个抛物面变为另一个抛物面。采用保型设计，可以完全消除自重变型的影响，只要调节辐射器的位置，使其位于新的焦点上即可。在选择合适的结构布局后，运用结构优化设计的方法，以杆件截面积和结点坐标作为设计变量，可以求得保型设计。研制大型精密天线结构所遇到的技术难题，除了自重变形之外，还有对温度变形的控制、高精度面板的加工，以及整个反射面精度的检测等。