天線結構

天線本身和支持天線的結構物。為使天線具有所要求的電性能並能安全工作，必須有正確的結構設計。這就要合適地選擇材料、結構形式和各部分尺寸，使其滿足電性能要求；天線重量輕而又具有足夠的強度和剛度，能適應各種環境條件，同時便於製造、運輸和架設。

基本介紹

• 中文名：天線結構
• 外文名：antenna structure
• 定義：天線本身和支持天線的結構物
• 分類：線天線和面天線
• 結構分類：塔桅結構和反射體結構
• 套用學科：電子工程、通信工程、機械工程

結構型式

天線結構具有多種型式。天線可分為線天線和面天線兩大類。在結構型式上有塔桅結構和反射體結構兩大類。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。

塔桅結構

塔桅結構分為拉線式桅桿結構和自立式塔架兩種。

桅桿天線桿身的穩定靠縴繩來維持。因為有縴繩支撐，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組裝而成，架設時可一節節升起，運輸時則拆成長度不大的若干節。桅桿不僅用於支持天線,有時桿身也作為發射體。

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）的空間桁架結構，截面尺寸一般隨高度而變化，可根據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。

反射體結構

反射體天線結構也有多種型式，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）。小口徑反射體常採用薄殼結構，適當加一些加強筋。對於尺寸較大的天線，則要有主力骨架來支持反射面板，通常是桁架結構。圓拋物面天線的主力骨架常採用輻射狀結構,由若干條輻射梁和環組成。非圓截面天線的主力骨架常採用格狀結構。 　

框架式結構

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。面陣列式天線的結構型式多為框架式結構。

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網狀反射面；④柵條反射面。應根據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，但風阻大,重量大。波長3厘米以下的多採用實體反射面。其餘三種反射面重量和風阻都小，但會漏過一些功率，因而對孔的尺寸、格線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，圓孔直徑必須小於圓波導最低模的截止直徑──λ/1.7，一般取為λ/3～λ/10(λ為波長)，藉以保證漏過功率足夠小，而柵條的中心距必須小於半波長。實體、打孔金屬板和網狀反射面對各種極化波均可使用，而柵條反射面只適用於線極化，極化方向應與柵條平行。實體反射面和打孔金屬板常由鋁板經壓力加工成形，也可用玻璃鋼或碳纖維增強塑膠，表面噴塗金屬或鋪銅絲網。網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成。

反射面公差

反射體天線的表面誤差會影響電性能，使增益降低和旁瓣升高。增益降低係數η與表面均方根誤差ε的關係可由魯策公式表示：

式中G為有表面誤差時的增益;G₀為無表面誤差時的增益；λ為工作波長；ε為表面誤差(半光程差)的均方根值。
根據公式可知，隨著表面誤差ε/λ的增大，增益急劇下降。因此，必須限制表面誤差。表面公差應根據電性能要求和生產的經濟性來折衷決定。公差太大，電性能變壞；公差太小,則製造困難且結構笨重,因此應取一合適的數值。一般取均方根誤差為λ/16～λ/64。表面公差的數值與天線大小無關，而僅與工作波長有關；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。產生表面誤差的原因有製造誤差、載荷引起的變形誤差、安裝調整誤差等。確定總的表面公差後，即可按一定比例規定各項誤差的指標。為了使反射體天線在載荷作用下的變形不超過允許值，天線結構必須具有足夠的剛度。剛度要求常是天線結構的主要矛盾，特別是工作波長較短、尺寸較大的天線，設計時首先要滿足剛度要求。

設計要求

設計天線結構，一般應考慮下列問題：

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構；

③確定天線結構的材料及製造工藝方案；

④分析天線所受的載荷，計算天線結構的強度和剛度；

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確定天線的架設和運輸方案。
一個合理的天線結構應該是重量小，又能滿足強度和剛度的要求。為此，必須對天線結構進行精確的力學分析。這可以利用有限單元法，藉助計算機算出天線各點的變形和各構件的應力。為了得到最優設計，可採用最最佳化方法，由計算機自動尋優。

保型設計

直徑幾十米的大型毫米波天線，由於表面精度要求很高，製造時首先遇到的問題是結構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.赫爾納於1967年提出了保型設計的概念，即適當地設計一天線結構，使變形後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，即從一個拋物面變為另一個拋物面。採用保型設計，可以完全消除自重變型的影響，只要調節輻射器的位置，使其位於新的焦點上即可。在選擇合適的結構布局後，運用結構最佳化設計的方法，以桿件截面積和結點坐標作為設計變數，可以求得保型設計。研製大型精密天線結構所遇到的技術難題，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。