ROSENBERGER基站天线风载实验和计算白皮书-绵羊汽车生活记录

1.摘要近年来，跟着科技的飞速发扬，无线转移通讯技巧正在环球规模内疾速实行，为理会决无线转移数据的供需抵触，崭露明确新的频谱带，新的蜂窝技巧（诸如LET）以

近年来，跟着科技的飞速发扬，无线转移通讯技巧正在环球规模内疾速实行，为理会决无线转移数据的供需抵触，崭露明确新的频谱带，新的蜂窝技巧（诸如LET）以及众天线技巧（诸如MIMO）来满意转移数据日益增进的需求。然而这也导致每个基站塔必要挂载更众的天线。并且每个天线都变的尤其的集成化，每个天线中必要安排更众频段的天线。这弗成避免的会导致天线尺寸会越来越大，从而使得天线所受的风载变大。

目前众半的天线罩为矩形截面形式，这种截面形式属于一种钝体形式，当风致风骚过天线罩外貌时，就会出现涡流和滚动的分袂，从而出现丰富的氛围效率力，这种力就会使基站天线出现振动。因为目前众半基站天线主流的修站模子是采用钢布局单管通讯塔，该塔型具备施工半径小、工程占地少、施工进度速等所长，不过也存正在塔身刚度偏低，塔顶水准位移过大的漏洞。基站天线平日装配正在数十米的高空，高空中的风速更大，更容易出现涡激振动。

以是风载是基站天线布局计划的主要参数，同时也确定了塔和隶属撑持布局的配置。它直接影响到天线利用的牢靠性和塔的和平。天线风载的盘算推算精度确定了塔的和平性和经济性评判的牢靠度。Rosenberger正在天线界限垦植众年，很早就认识到风载的主要性，正在减小基站天线的风阻方面也做了许众处事。BASTA V11.1程序法则了新的基站天线风洞试验步骤和盘算推算步骤，Rosenberger也按照BASTA V11.1新程序举行了风洞试验，并从新改良了SPEC中的风载盘算推算步骤。这份白皮书将先容Rosenberger的风洞试验经过以及怎么举行风载改良的。2.风载盘算推算步骤大凡来说，获取天线风载步骤席卷：程序盘算推算，风洞试验，数值模仿3种。2.1 程序盘算推算

按程序盘算推算风载是一种公认的、牢靠的步骤。遵从程序举行盘算推算是通过科学的空洞，捉住题目的厉重影响身分，成立表面模子，然后通过数学东西和步骤求解方程来揭示百般物理局面的内正在秩序。这种步骤受到数学东西和求解步骤的限制，倘若题目的物理性子和界限形式较为丰富，往往只可成立简化的模子，很难得回逼近本质的滚动局面。以是基于程序的盘算推算的风载结果往往是过于的顽固。2.2 风洞测试风洞试验模仿的境遇与产物的本质自然境遇最为形似，以是风洞测试步骤也是3种盘算推算步骤中最正确的步骤。它能正在与所讨论题目全部相通和大致相通的景况下展开讨论处事，结果直观且可托度高，亏欠之处是该步骤试验周期长，试验用度腾贵，而且风洞中流场讯息的获取极度贫穷，以是无法对丰富的滚动局面和闭联机理举行过细深化的讨论。

近年来，盘算推算机软硬件的发扬使得高质地的氛围动力学数值仿真成为了不妨，而且这种步骤也变得越来越普及。相关于古板的风洞试验讨论步骤，CFD步骤具有周期短，本钱低，利用规模广等特质。该步骤可能抑制风洞试验中存正在的洞壁滋扰、支架滋扰、模子弹性变形、流场品德等客观身分的影响。它还可能对全豹流场举行可视化模仿，不妨显现的揭示滚动素质并对下一步的表面说明和试验讨论处事供给勉力的宗旨。以是CFD仿真步骤可能更速，更经济的对天线举行减阻优化计划。然而，数值模仿也有必然的限定性，该步骤是一种离散近似的盘算推算步骤，模仿的精准度上依赖于所选拔的湍流模子和数值求解算法，也依赖于相应的初始要求、界限要求以及数学模子中各参数的经管。

图2 天线CFD仿真总之，这三种盘算推算风载的步骤各有利弊，相辅相成。盘算推算程序中的公式是古人试验秩序的总结，不妨诱导风洞试验讨论和数值模仿；风洞试验是成立运动秩序和表面模子的按照，磨练了程序盘算推算公式和数值模仿结果切实切性和牢靠性；数值模仿巩固了风洞试验的技能，同时也不息雄厚和圆满了讨论天线氛围动力学特色的步骤。Rosenberger并不限定于某一种步骤，3种步骤城市用于计划天线的风载。Rosenberger采用EN1991-1-4来盘算推算天线的风载。针对程序盘算推算过于顽固的题目，采用风洞试验改良程序盘算推算公式。采用CFD仿真步骤来优化减低天线的风载。针对CFD仿真参数必要体会配置的题目，通过与风洞试验的比较，举行仿真步骤的标定，普及仿线.Rosenberger风载盘算推算按照的程序（EN1991-1-4）

盘算推算风载的程序有两个：欧洲程序EN1991-1-4和北美程序ANSI/TIA 222。正在ANSI/TIA 222程序中，天线被当做隶属物，盘算推算风载只探究了平板和圆柱两种天线则探究了天线的圆角和厚度的影响，以是盘算推算的风载会相对正确一点。天线的风载可能采用下式举行盘算推算：

图5 长宽比矫正系数4.基于BASTA合同的风洞测试Rosenberger正在吉林大学风洞试验试验室完工了天线的风洞测试，按照吉林大学所供给的风洞试验讲述完工此章节。该风洞试验室为开式风洞，更吻合自然风的特质，且风洞障碍比低，无需举行障碍比的改良，闭于障碍效应对风洞测试的影响本文正在附录片面举行了周详的阐发。本次风洞测试试验吻合BASTA V11.1中闭于风洞试验的法则。而且除了完工测力试验除外，为了能更好的讨论天线的氛围动力学特色，从而能优化出风阻更低的天线罩，Rosenberger还举行了测压和PIV试验。4.1 测力试验测力天平丈量天线的风载力的厉重装备。本次风洞试验的天平为六分量应变天平。天平传感器和数据采全体系的完全精度优于0.05%F.S.(F.S.:Full Scale，满量程)，确保了丈量结果的精确性。如图6和图7所示，天线装配正在抱杆上，装配支架支撑的抱杆直径为100mm。天线°。天线的底部与风洞底面的之间的隔断为300mm，顶部与抱杆齐平。试验测试风速为150Km/h。因为天线布局的对称性，只必要测试扭转0-180°的数据。守候气流稳固之后起先记实数据，每15°推广一次丈量并记实一组数据，并填充20°角度下的数据。图6 天线与抱杆装配示企图

而本质正在DATASHEET中惟有天线的阻力，以是必要正在试验测得力的根源上扣除抱杆所受的力。为了简单盘算推算天线所受的风载，假设天线和抱杆是两个全部独立的流体力学体系。以是天线的阻力可能通过减去抱杆安放正在不受扰流气流中的阻力来得回。正在分歧角度下，抱杆所暴闪现来的长度也是分歧的。以是依照抱杆所暴闪现来的长度，对每个角度折柳举行经管。试验的天线°角度下，抱杆惟有下面300mm长度闪现天线，于是正在这些角度下，只需将300mm长度抱杆所受的力扣除即可。正在75-105°角度下，抱杆全部暴闪现来，于是正在这些角度下必要将全豹抱杆所受的力全部扣除。则天线正在分歧角度下的力可能遵从下式举行盘算推算：

图8 抱杆分歧映现水平图天线的阻力系数遵从下式举行盘算推算：因为天线正在分歧的风向角下有分歧的投影面积。为了简单盘算推算，同一取正面的迎风面积举行盘算推算。图9闪现了一款天线风洞测试取得的阻力系数图。

对天线罩外貌举行测压时，采用的修设有电子压力扫描阀、塑料套筒、软管和测压钢管。正在丈量天线外貌压强时，正在模子横截面上共配置42个测压点，正在模子侧边圆角过渡处安排了较密的测压点，其他场所安排较寥落的测压点。测压修设连绵如图10所示。

图10 天线风洞测压试验测试结果表诰日线正在正面与反面压强漫衍比拟匀称，而正在圆角过渡和侧面压强转折的则比拟猛烈。正在这些地方，轻微的布局转折，就会导致全豹天线的流场花式爆发改观。以是这些地方也是天线风阻优化的要点区域。这也说明EN1991-1-4程序关于圆角改良的界说显得过分广泛，以是无法合用于原委优化的天线产物。

图11 0°天线 PIV试验PIV又称粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry)，是一种基于两个时候点疾速摄像道理的非接触流场说明技巧，其丈量道理如图12所示。试验经过中，正在流场中散播极少符合的示踪粒子，用脉冲激光片（light sheet）照耀所测流场的切面区域，通过成像记实体系摄取两劣货众次曝光的粒子图像，造成PIV试验图像，正在诈欺图像互闭联步骤说明PIV图像，得回每一小区域中粒子图像的均匀位移，由此确定全豹流场切面上的流体速率。该技巧不光可能丈量流场的速率，并且通过必然的经管可能及时显示流场的讯息。

图13 天线风洞PIV试验图下图闪现了一个天线的测外貌流场的及时滚动景况，从图中可能看出天线侧外貌的流体滚动都是贴着天线罩的，没有崭露回流局面，表明该天线罩没有崭露流体的分袂，吻合流体力学特色，天线所受的风载也较小。

图14 天线侧外貌PIV瞬态流场图相反倘若不符协力学特性的天线罩的流体力学特性该当如图15所示。从图中可能看出流体正在原委天线上端盖之后爆发了分袂，正在上端盖的外貌造成了分袂涡，分袂涡的造成跟随有猛烈的能量调换，以是流体流经端盖时会耗费许众的能量，从而导致滚动的阻力增大，进而导致天线所受的风载也变大。

图15 天线上端盖PIV瞬态流场图Rosenberger通过测力试验测得了分歧截面天线罩的风载，通过测压试验测得了天线罩外貌的压强的漫衍，通过PIV试验可视化了天线罩边际流体的滚动特色，并对此举行了定性和定量的说明。基于这些试验造成了咱们优化天线.Rosenberger风载盘算推算步骤的界说图16-图18闪现了天线盘算推算结果的比较。从图中可能看出EN1991-1-4和ANSI/TIA 222两个程序盘算推算的Cd与试验测得的结果很大的差异，固然EN1991-1-4引入了圆角改良系数，盘算推算风载的精度相对普及了极少，不过如故比风洞试验的结果要大，盘算推算依旧偏于顽固。偏于顽固的程序并不行很好的完婚Rosenberger原委优化后的天线罩产物。

Rosenberger风载的盘算推算步骤和试验测试步骤吻合最新版BASTA V11.1合同央求，并依照风洞测试结果对EN1991-1-4的盘算推算公式举行了改良，全部的改良步骤可能参考上文所述。改良后盘算推算的风载要比从来采用EN1991-1-4盘算推算的要小，这是因为采用程序盘算推算的结果是偏于顽固的，并分歧用于Rosenberger原委氛围动力学优化过的天线解除背部风载，增添最大风载基于最新版BASTA V11.1合同，Rosenberger datasheet中解除天线的背部风载，增添最大风载。6.3 天线罩截面的改观Rosenberger很早就认识到风载的主要性，正在减小基站天线的风阻方面也做了许众处事。正如上文所刻画的，Rosenberger正在风洞中完工了许众测试，这造成了咱们优化天线罩风阻的根源。又基于CFD仿真技巧，对天线举行了风阻优化，而且这些优化的结果也正在风洞中得以验证。天线减阻优化的个中一个机谋是通过改观天线罩的截面形式，使天线罩的形式更吻合流体力学特色，从而到达减阻的主意。Rosenberger对此也举行了深化的讨论，造成了己方特性的天线罩产物。而且将新的讨论收获用于优化老的天线罩截面，有的天线罩原委优化会增添厚度宗旨的尺寸，这是为了使天线罩更吻合流体力学特色，当然这些天线罩也比从来的天线规格书中风载数据的运用表明Rosenberger datasheet中风载数据是基于风洞测试结果盘算推算取得。固然Rosenberger的风洞试验采用了开式风洞，尽量模仿大自然界中的自然风的特质，不过风洞试验到底没有法子全部模仿出的确境遇中风的景况。由于的确境遇中的风并不像风洞中那样褂讪，它不妨是脉动的，而且风的宗旨不妨随时爆发转折。假使自然界的风是褂讪的，风速的巨细也不不妨全部和风洞中的150 km/s的风速全部相通，风速与外地的地形粗陋度、高度、时令等诸众的身分相闭。以是正在本质的工程该当当中，现场工程师该当要认识到datasheet中的风载数据运用的限定性，这些数据只可举动基站天线塔计划的参考数据。现场工程师必要探究基站天线塔所处场所的全部身分，并联结相应的工程表率来评估全豹体系的风载。7.附录7.1 吉林大学风洞试验室先容吉林大学汽车风洞是国内第一个征战的专业汽车风洞。于上个世纪末策划计划，2002年破图动工征战。该风洞可承受百般比例的轿车，卡车等地面车辆的风洞试验。该风洞为启齿回流低速风洞，试验段喷口2.2米高，4米宽，喷口面积8.4平方米，试验段长度8米，最大计划风速60米每秒，气流偏航角0.023°，气流俯仰角0.36°，均匀静压梯度0.004（1/m）。风洞装备了高精度的板滞力解析六分力天平转盘体系，宽带式转移带地面效应模仿体系。

图20 吉林大学风洞布局简图7.2 风洞障碍效应影响风洞试验是讨论天线风载荷的主要机谋，天线举行风洞试验时将必然长度的天线装配正在风洞中。而本质运用的天线长度平日都比拟长，于是正在风洞中测试的天线其长度平日也不该当过短。于是正在举行风洞测试时，正在答应的规模内应将待测天线长度做的尽不妨的长，以获取的确的天线阻力系数。不过这一计划思念往往会受到障碍比的限定。关于试验段截面面积较小的风洞而言，障碍效应不妨是常常面对的题目。障碍效应厉重依赖于模子尺寸和风洞处事段截面尺寸，以还流宗旨的模子投影面积与风洞截面面积的比值，即障碍比为表征。有讨论说明障碍效应对笔直于来流的平板压力系数的偏差不妨高达真值的数倍。可睹障碍效应关于得回精确试验结果的主要性。障碍效应对试验的影响厉重正在于，气流正在流经天线时会出现绕流和尾流，闭式风洞的洞壁管理会使侧面流线和尾流无法自正在扩展，而正在本质大气界限中气流是没有任何管理的。

图21 二维障碍流场示企图大凡法则，障碍比限制正在5%以内可能怠忽试验障碍效应的影响。然而倘若采用本质的天线的风洞测试，这一障碍比的央求简直没有闭式风洞可能到达央求。以是平日会探究采用障碍比改良的步骤来治理这一题目，即正在试验测得的阻力系数的根源上乘以一个缩放系数。正在航空和汽车界限，风洞试验障碍效应的表面改良发扬的比拟成熟，不过这种改良步骤并分歧用于天线障碍效应的改良。由于天线众为钝体布局，尾流较宽，而飞机和汽车的外形众为流线型，尾流较窄。关于天线这种钝体布局必要有一个更为严密化的改良步骤。而障碍效应对开式风洞影响较小，不需举行障碍比改良，可能得回更为精确的阻力系数。以是正在这种景况下，选拔开式风洞举行试验是一个比拟好的选拔。