摘要
随着科学技术的发展，移动通讯技术已进入到了5G时代，5G基站天线也达到了很大规模。目前的5G基站天线多安装在抱杆上，它受到的主要载荷是风载。为了使抱杆所受载荷在其承受范围以内，天线阵的尺寸不能过大，这严重制约了天线振子数量的增加，从而影响天线的性能。本文打破了传统的整体封装形式，对每一个天线振子进行单独封装，设计并加工了一种低风阻大规模阵列天线。主要设计过程及分析结果如下： （1）在天线振子尺寸确定的前提下，设计天线罩的气动外形。通过仿真分析比较7种常见外形结构的阻力系数，得到水滴造型（流线造型）阻力系数最小，仅为0.082。当天线罩按阵列排布时，需要综合考虑阻力系数与迎风面积对风阻的影响，经过比较之后将中间长方体两端四棱锥造型作为天线罩的初步外形方案，并对其外形进行改进。改进过后的造型迎风面积没有改变，阻力系数比改进前减小了16%，将改进后的造型作为天线罩的最终外形方案。 （2）考虑到材料的透波性能和加工成本，本文选择聚乳酸（PLA）作为天线罩的材料，成型工艺为熔融沉积造型技术（FDM）。经过电性能测试，发现其介电常数与损耗角正切随填充率的增大而增大，说明填充率越低，透波性能越好。经过力学性能测试，发现其弹性模量随填充率的增大而增大，泊松比随填充率的增大而降低，说明填充率越高，力学性能越好。天线罩的入射角在16°-63°范围内，平均入射角为39°。天线的工作频段为3.4-3.6 GHz，中心频率为3.5 GHz。经过透波性能校核与力学性能校核，最终确定天线罩为壁厚2 mm的等壁厚薄壁结构，材料为填充率为100%的PLA。 （3）完成阵列天线的结构设计并对其在不同迎风角下进行风阻分析，研究其风阻随迎风角的变化规律。结果表明，当迎风角为180°时，风阻最大，为135 N；当迎风角为90°时，风阻最小，为40 N。对比传统封装形式，本文设计的阵列天线能有效降低风阻。当迎风角为0°时，风阻降低效果最明显，降低了32%。经过静力学分析，发现其在任意迎风角下，最大应力均出现在安装结构上，最大形变均出现在阵列上部的天线罩上。最大应力为60.335 MPa，最大形变为1.5337 mm，应力与形变均在可以接受的范围内。经过模态分析，得到阵列天线前六阶模态的振型与固有频率，发现前两阶振型对天线电性能几乎没有影响，后四阶振型可能会对天线电性能产生影响。 （4）完成阵列天线零部件的加工与装配，得到实物模型。对实物模型在不同迎风角下进行风洞试验，测量其阻力系数与应力分布，分析误差产生的原因。实验结果与仿真结果在趋势走向上基本吻合，验证了仿真的正确性。
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