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ROSENBERGER基站天线风载实验和计算白皮书
2022-01-01 23:05:45· 来源：AutoAero 作者：ROSENBERGER
1.摘要近年来，随着科技的飞速发展，无线移动通信技术在全球范围内快速推广，为了解决无线移动数据的供需矛盾，出现了了新的频谱带，新的蜂窝技术（诸如LET）以
1.摘要
近年来，随着科技的飞速发展，无线移动通信技术在全球范围内快速推广，为了解决无线移动数据的供需矛盾，出现了了新的频谱带，新的蜂窝技术（诸如LET）以及多天线技术（诸如MIMO）来满足移动数据日益增长的需求。然而这也导致每个基站塔需要挂载更多的天线。而且每个天线都变的更加的集成化，每个天线中需要布置更多频段的天线。这不可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。
目前多数的天线罩为矩形截面形状，这种截面形状属于一种钝体形状，当风流过天线罩表面时，就会产生涡流和流动的分离，从而产生复杂的空气作用力，这种力就会使基站天线产生振动。由于目前多数基站天线主流的建站模型是采用钢结构单管通信塔，该塔型具备施工半径小、工程占地少、施工进度快等优点，但是也存在塔身刚度偏低，塔顶水平位移过大的缺点。基站天线通常安装在数十米的高空，高空中的风速更大，更容易产生涡激振动。
因此风载是基站天线结构设计的重要参数，同时也决定了塔和附属支撑结构的设置。它直接影响到天线应用的可靠性和塔的安全。天线风载的计算精度决定了塔的安全性和经济性评价的可靠度。
Rosenberger在天线领域耕耘多年，很早就意识到风载的重要性，在减小基站天线的风阻方面也做了很多工作。BASTA V11.1标准规定了新的基站天线风洞实验方法和计算方法，Rosenberger也依据BASTA V11.1新标准进行了风洞实验，并重新修正了SPEC中的风载计算方法。这份白皮书将介绍Rosenberger的风洞实验过程以及如何进行风载修正的。
2.风载计算方法
一般来说，获取天线风载方法包括：标准计算，风洞实验，数值模拟3种。
2.1 标准计算
按标准计算风载是一种公认的、可靠的方法。按照标准进行计算是通过科学的抽象，抓住问题的主要影响因素，建立理论模型，然后通过数学工具和方法求解方程来揭示各种物理现象的内在规律。这种方法受到数学工具和求解方法的制约，如果问题的物理性质和边界形状较为复杂，往往只能建立简化的模型，很难获得贴近实际的流动现象。因此基于标准的计算的风载结果往往是过于的保守。
2.2 风洞测试
风洞实验模拟的环境与产品的实际自然环境最为相似，因此风洞测试方法也是3种计算方法中最精确的方法。它能在与所研究问题完全相同和大体相同的情况下开展研究工作，结果直观且可信度高，不足之处是该方法实验周期长，实验费用昂贵，并且风洞中流场信息的获取十分困难，因此无法对复杂的流动现象和相关机理进行细致深入的研究。
图1 汽车风洞测试
2.3 CFD仿真
近年来，计算机软硬件的发展使得高质量的空气动力学数值仿真成为了可能，并且这种方法也变得越来越普及。相对于传统的风洞实验研究方法，CFD方法具有周期短，成本低，应用范围广等特点。该方法可以克服风洞实验中存在的洞壁干扰、支架干扰、模型弹性变形、流场品质等客观因素的影响。它还可以对整个流场进行可视化模拟，能够清楚的揭示流动本质并对下一步的理论分析和实验研究工作提供努力的方向。因此CFD仿真方法可以更快，更经济的对天线进行减阻优化设计。然而，数值模拟也有一定的局限性，该方法是一种离散近似的计算方法，模拟的精准度上依赖于所选择的湍流模型和数值求解算法，也依赖于相应的初始条件、边界条件以及数学模型中各参数的处理。
图2 天线CFD仿真
总之，这三种计算风载的方法各有利弊，相辅相成。计算标准中的公式是前人实验规律的总结，能够指导风洞实验研究和数值模拟；风洞实验是建立运动规律和理论模型的依据，检验了标准计算公式和数值模拟结果的正确性和可靠性；数值模拟增强了风洞实验的能力，同时也不断丰富和完善了研究天线空气动力学特性的方法。
Rosenberger并不局限于某一种方法，3种方法都会用于设计天线的风载。Rosenberger采用EN1991-1-4来计算天线的风载。针对标准计算过于保守的问题，采用风洞实验修正标准计算公式。采用CFD仿真方法来优化减低天线的风载。针对CFD仿真参数需要经验设置的问题，通过与风洞实验的对比，进行仿真方法的标定，提高仿真方法的准确性。
3.Rosenberger风载计算依据的标准（EN1991-1-4）
计算风载的标准有两个：欧洲标准EN1991-1-4和北美标准ANSI/TIA 222。在ANSI/TIA 222标准中，天线被当做附属物，计算风载只考虑了平板和圆柱两种天线形式，而EN1991-1-4则考虑了天线的圆角和厚度的影响，因此计算的风载会相对精确一点。
天线的风载可以采用下式进行计算：
图3 无圆角、无自由端流的矩形截面的力系数
图4 有圆角的矩形截面的折减系数
图5 长宽比矫正系数
4.基于BASTA协议的风洞测试
Rosenberger在吉林大学风洞实验实验室完成了天线的风洞测试，依据吉林大学所提供的风洞实验报告完成此章节。该风洞实验室为开式风洞，更符合自然风的特点，且风洞阻塞比低，无需进行阻塞比的修正，关于阻塞效应对风洞测试的影响本文在附录部分进行了详细的阐述。本次风洞测试实验符合BASTA V11.1中关于风洞实验的规定。并且除了完成测力实验之外，为了能更好的研究天线的空气动力学特性，从而能优化出风阻更低的天线罩，Rosenberger还进行了测压和PIV实验。
4.1 测力实验
测力天平测量天线的风载力的主要装置。本次风洞实验的天平为六分量应变天平。天平传感器和数据采集系统的整体精度优于0.05%F.S.(F.S.:Full Scale，满量程)，确保了测量结果的准确性。
如图6和图7所示，天线安装在抱杆上，安装支架支持的抱杆直径为100mm。天线下倾角为0°。天线的底部与风洞底面的之间的距离为300mm，顶部与抱杆齐平。实验测试风速为150Km/h。由于天线结构的对称性，只需要测试旋转0-180°的数据。等待气流平稳之后开始记录数据，每15°执行一次测量并记录一组数据，并补充20°角度下的数据。
图6 天线与抱杆安装示意图
图7 天线风洞测力实验图
而实际在DATASHEET中只有天线的阻力，因此需要在实验测得力的基础上扣除抱杆所受的力。为了方便计算天线所受的风载，假设天线和抱杆是两个完全独立的流体力学系统。因此天线的阻力可以通过减去抱杆放置在不受扰流气流中的阻力来获得。
在不同角度下，抱杆所暴露出来的长度也是不同的。因此根据抱杆所暴露出来的长度，对每个角度分别进行处理。实验的天线在0-60°和120-180°角度下，抱杆只有下面300mm长度露出天线，所以在这些角度下，只需将300mm长度抱杆所受的力扣除即可。在75-105°角度下，抱杆完全暴露出来，所以在这些角度下需要将整个抱杆所受的力完全扣除。则天线在不同角度下的力可以按照下式进行计算：
图8 抱杆不同暴露程度图
天线的阻力系数按照下式进行计算：
由于天线在不同的风向角下有不同的投影面积。为了方便计算，统一取正面的迎风面积进行计算。图9展示了一款天线风洞测试得到的阻力系数图。
图9 不同风向角下天线的阻力系数图
4.2 测压实验
对天线罩表面进行测压时，采用的设备有电子压力扫描阀、塑料套筒、软管和测压钢管。在测量天线表面压强时，在模型横截面上共设置42个测压点，在模型侧边圆角过渡处布置了较密的测压点，其他位置布置较稀疏的测压点。测压设备连接如图10所示。
图10 天线风洞测压实验
测试结果表明天线在正面与背面压强分布比较均匀，而在圆角过渡和侧面压强变化的则比较剧烈。在这些地方，细小的结构变化，就会导致整个天线的流场形式发生改变。因此这些地方也是天线风阻优化的重点区域。这也表明EN1991-1-4标准对于圆角修正的定义显得太过宽泛，因此无法适用于经过优化的天线产品。
图11 0°天线表面压强分布
4.3 PIV实验
PIV又称粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry)，是一种基于两个时间点快速摄像原理的非接触流场分析技术，其测量原理如图12所示。实验过程中，在流场中散播一些适当的示踪粒子，用脉冲激光片（light sheet）照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取两次货多次曝光的粒子图像，形成PIV实验图像，在利用图像互相关方法分析PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定整个流场切面上的流体速度。该技术不仅可以测量流场的速度，而且通过一定的处理可以实时显示流场的信息。
图12 PIV技术测量原理
图13 天线风洞PIV实验图
下图展示了一个天线的测表面流场的实时流动情况，从图中可以看出天线侧表面的流体流动都是贴着天线罩的，没有出现回流现象，说明该天线罩没有出现流体的分离，符合流体力学特性，天线所受的风载也较小。
图14 天线侧表面PIV瞬态流场图
相反如果不符合力学特征的天线罩的流体力学特征应该如图15所示。从图中可以看出流体在经过天线上端盖之后发生了分离，在上端盖的表面形成了分离涡，分离涡的形成伴随有剧烈的能量交换，因此流体流经端盖时会消耗很多的能量，从而导致流动的阻力增大，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通过测力实验测得了不同截面天线罩的风载，通过测压实验测得了天线罩表面的压强的分布，通过PIV实验可视化了天线罩周围流体的流动特性，并对此进行了定性和定量的分析。基于这些实验形成了我们优化天线罩风载的基础。
5.Rosenberger风载计算方法的定义
图16-图18展示了天线风洞实验结果、EN1991-1-4和ANSI/TIA 222计算结果的对比。从图中可以看出EN1991-1-4和ANSI/TIA 222两个标准计算的Cd与实验测得的结果很大的差距，虽然EN1991-1-4引入了圆角修正系数，计算风载的精度相对提高了一些，但是还是比风洞实验的结果要大，计算依然偏于保守。偏于保守的标准并不能很好的匹配Rosenberger经过优化后的天线罩产品。
图16 正向风载
图17 侧向风载
图18 最大风载
图19 抱杆对流场的影响
6.Rosenberger 风载更新说明
6.1 更新风载计算方法
Rosenberger风载的计算方法和实验测试方法符合最新版BASTA V11.1协议要求，并根据风洞测试结果对EN1991-1-4的计算公式进行了修正，具体的修正方法可以参考上文所述。修正后计算的风载要比原来采用EN1991-1-4计算的要小，这是由于采用标准计算的结果是偏于保守的，并不适用于Rosenberger经过空气动力学优化过的天线罩产品。
6.2 取消背部风载，增加最大风载
基于最新版BASTA V11.1协议，Rosenberger datasheet中取消天线的背部风载，增加最大风载。
6.3 天线罩截面的改变
Rosenberger很早就意识到风载的重要性，在减小基站天线的风阻方面也做了很多工作。正如上文所描述的，Rosenberger在风洞中完成了很多测试，这形成了我们优化天线罩风阻的基础。又基于CFD仿真技术，对天线进行了风阻优化，并且这些优化的结果也在风洞中得以验证。天线减阻优化的其中一个手段是通过改变天线罩的截面形状，使天线罩的形状更符合流体力学特性，从而达到减阻的目的。Rosenberger对此也进行了深入的研究，形成了自己特色的天线罩产品。并且将新的研究成果用于优化老的天线罩截面，有的天线罩经过优化会增加厚度方向的尺寸，这是为了使天线罩更符合流体力学特性，当然这些天线罩也比原来的天线罩风阻更低。
6.4 规格书中风载数据的使用说明
Rosenberger datasheet中风载数据是基于风洞测试结果计算得到。虽然Rosenberger的风洞实验采用了开式风洞，尽量模拟大自然界中的自然风的特点，但是风洞实验毕竟没有办法完全模拟出真实环境中风的情况。因为真实环境中的风并不像风洞中那样稳定，它可能是脉动的，并且风的方向可能随时发生变化。即使自然界的风是稳定的，风速的大小也不可能完全和风洞中的150 km/s的风速完全相同，风速与当地的地形粗糙度、高度、季节等诸多的因素有关。因此在实际的工程应该当中，现场工程师应该要意识到datasheet中的风载数据使用的限制性，这些数据只能作为基站天线塔设计的参考数据。现场工程师需要考虑基站天线塔所处位置的具体因素，并结合相应的工程规范来评估整个系统的风载。
7.附录
7.1 吉林大学风洞实验室介绍
吉林大学汽车风洞是国内第一个建设的专业汽车风洞。于上个世纪末规划设计，2002年破图动工建设。该风洞可承担各种比例的轿车，卡车等地面车辆的风洞实验。
该风洞为开口回流低速风洞，实验段喷口2.2米高，4米宽，喷口面积8.4平方米，试验段长度8米，最大设计风速60米每秒，气流偏航角0.023°，气流俯仰角0.36°，平均静压梯度0.004（1/m）。风洞配备了高精度的机械力分解六分力天平转盘系统，宽带式移动带地面效应模拟系统。
图20 吉林大学风洞结构简图
7.2 风洞阻塞效应影响
风洞实验是研究天线风载荷的重要手段，天线进行风洞实验时将一定长度的天线安装在风洞中。而实际使用的天线长度通常都比较长，所以在风洞中测试的天线其长度通常也不应该过短。所以在进行风洞测试时，在允许的范围内应将待测天线长度做的尽可能的长，以获取真实的天线阻力系数。但是这一设计思想往往会受到阻塞比的限制。对于试验段截面面积较小的风洞而言，阻塞效应可能是经常面临的问题。阻塞效应主要依赖于模型尺寸和风洞工作段截面尺寸，以来流方向的模型投影面积与风洞截面面积的比值，即阻塞比为表征。有研究表明阻塞效应对垂直于来流的平板压力系数的误差可能高达真值的数倍。可见阻塞效应对于获得准确试验结果的重要性。阻塞效应对实验的影响主要在于，气流在流经天线时会产生绕流和尾流，闭式风洞的洞壁约束会使侧面流线和尾流无法自由扩展，而在实际大气边界中气流是没有任何约束的。
图21 二维阻塞流场示意图
一般规定，阻塞比控制在5%以内可以忽略实验阻塞效应的影响。然而如果采用实际的天线产品进行1:1的风洞测试，这一阻塞比的要求几乎没有闭式风洞可以达到要求。因此通常会考虑采用阻塞比修正的方法来解决这一问题，即在实验测得的阻力系数的基础上乘以一个缩放系数。在航空和汽车领域，风洞实验阻塞效应的理论修正发展的比较成熟，但是这种修正方法并不适用于天线阻塞效应的修正。因为天线多为钝体结构，尾流较宽，而飞机和汽车的外形多为流线型，尾流较窄。对于天线这种钝体结构需要有一个更为精细化的修正方法。而阻塞效应对开式风洞影响较小，不需进行阻塞比修正，可以获得更为准确的阻力系数。因此在这种情况下，选择开式风洞进行实验是一个比较好的选择。
本期内容是吉林大学课题组团队与罗森伯格合作的成果，如有问题欢迎大家联系我们或者罗森伯格团队。
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