仲崇峰，陳美芳

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

Design of an Antenna Rotating Pedestal System of Vehicle-borne Radar

ZHONG Chongfeng，CHEN Meifang

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

一種車載雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計

仲崇峰，陳美芳

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

Design of an Antenna Rotating Pedestal System of Vehicle-borne Radar

ZHONG Chongfeng，CHEN Meifang

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

摘要：研究了一種二維天線轉(zhuǎn)臺，通過對天線轉(zhuǎn)臺的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和關(guān)鍵技術(shù)的研究，設(shè)計出一套體積小、重量輕、變形小和高精度等特點的天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)?？蔀楦呔溶囕d轉(zhuǎn)臺的設(shè)計提供寶貴的理論和實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：車載雷達；天線轉(zhuǎn)臺；高精度；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TH112.1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)07-0038-03

收稿日期：2015-04-17

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2011BAH24B05)

Abstract：A two-dimensional stabilized platform is introduced in this paper. Based on research on working principles, structural components and key technology, a small volume, lightweight, and high precision antenna pedestal was designed. It can provide a valuable theoretical and practical basis for the design of vehicle-borne stabilized platform.

Key words：vehicle-borne radar; antenna rotating pedestal system; high precision ;system design

0引言

天線轉(zhuǎn)臺是車載雷達系統(tǒng)的重要組成部分。反射面天線是一種非常重要的通訊設(shè)備，但天線反射面積和變形影響信號的接收和發(fā)送，導(dǎo)致信號失真。為減少天線變形，一般采用復(fù)合材料保證天線在大溫度梯度下的天線位置精度[1]。轉(zhuǎn)臺是支撐天線探測目標的裝置,它通過伺服系統(tǒng)，使天線能夠按照預(yù)定的規(guī)律運動或者跟隨目標運動,準確地指向目標,并且通過它精確地測出目標的方向[2]。

該設(shè)計中天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)采用集成設(shè)計，特別是實現(xiàn)了波束波導(dǎo)與轉(zhuǎn)臺的高精度聯(lián)動，減少了微波損耗；同時，天線和轉(zhuǎn)臺通過采用新技術(shù)，提高了系統(tǒng)精度，為后續(xù)同類天線轉(zhuǎn)臺設(shè)計奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。鑒于其獨特結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用前景廣闊。

1系統(tǒng)組成

車載雷達轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的主要任務(wù)是接收外部數(shù)據(jù)引導(dǎo)，精確指向并隨動跟蹤目標，并將高功率微波通過天線輻射至目標處，同時實時反饋天線的指向角度和狀態(tài)信息[3]。天線伺服系統(tǒng)具備自動展開、收裝能力和運輸時的鎖緊機構(gòu)，整個系統(tǒng)與方艙裝載于同一載車平臺上，滿足三級公路運輸要求。

系統(tǒng)安裝于方艙之上，并確保公路運輸不超限。轉(zhuǎn)臺由方位和俯仰機構(gòu)組成，帶動天線實現(xiàn)方位與俯仰兩方向動作，方艙內(nèi)部設(shè)計有伺服控制箱，既可以減少伺服系統(tǒng)的負載，又有利于伺服控制板的防護；在轉(zhuǎn)臺上是天線主面、天線副面和波束波導(dǎo)，天線主面、天線副面聯(lián)接于天線轉(zhuǎn)臺的俯仰機構(gòu)的背架上，通過轉(zhuǎn)臺背架的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)天線俯仰動作，并能夠?qū)崿F(xiàn)天線分系統(tǒng)從工作狀態(tài)到運輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換(或相反動作)。波束波導(dǎo)安裝在俯仰平臺上，俯仰通道通過聯(lián)軸器帶動波束波導(dǎo)轉(zhuǎn)動保證微波波束始終指向天線副面。

2設(shè)計指標要求

天線主鏡面直徑為1 200 mm，副鏡面直徑為200 mm，主副面支臂長為1 000 mm，兩面相對位置偏差小于0.3 mm，兩面精度小于0.07 mm。

轉(zhuǎn)臺滿足：方位無限，俯仰0°～160°；最大角速度為0.261 rad/s；最大角加速度為0.087 rad/s2；天線跟蹤精度為0.001 rad；工作環(huán)境溫度-10～40 ℃。

3天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由天線系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和匯流環(huán)等組成。綜合考慮工作、運輸和維修等多種狀態(tài)的要求，考慮各種設(shè)備的重心位置。通過建模仿真，合理布局，將系統(tǒng)重心位置控制在安全范圍內(nèi)。對設(shè)備布局合理優(yōu)化后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

3.1　天線系統(tǒng)

天線分系統(tǒng)由天線主面、天線副面、副面支架和背架等組成，模型如圖2所示。該天線采用賦形偏饋雙反射面形式。背架作為天線分系統(tǒng)的主承力體，可為主副面、可見光攝像頭提供安裝基礎(chǔ)，并保證天線系統(tǒng)的剛度；副面通過副面支架與背架和主面固聯(lián)，副面支架采用溫度穩(wěn)定好、比強度高的的復(fù)合材料，保證了天線副面的高精度安裝。整個分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、剛強度好、裝配方便快速，滿足整機設(shè)計要求。

圖2　天線系統(tǒng)模型

根據(jù)其面積大，面形精度高的要求，采用下列技術(shù)手段保證其指標。

a.根據(jù)天線所承受最大風(fēng)載荷，經(jīng)過分析計算后，確定面板厚度、主筋條、輔助筋條和圍框等結(jié)構(gòu)參數(shù)。既滿足結(jié)構(gòu)剛強度要求，同時可以減輕重量。

b.天線反射面為鋁合金，經(jīng)過整體成型后采用精密數(shù)控加工方式，精加工預(yù)留安裝、調(diào)試和測量基準，保證其精度滿足設(shè)計要求。

c.天線背架采用鋁合金整體成型后精密數(shù)控加工到所需尺寸，并留出安裝調(diào)試的加工余量，保證焦距精度的可調(diào)整性。

d.主副反射面的表面精度要求較高，在加工過程中，采用多次熱處理去除應(yīng)力，并利用高速銑去除切削變形，保證主副反射面的表面精度。

e.副面支架直接決定副反射面位置的穩(wěn)定性，要求支架具有剛度高、溫度影響小的特點，方案中支架采用線漲系數(shù)低、剛度高的復(fù)合材料進行加工。

f.反射面背筋、天線背架進行優(yōu)化設(shè)計。通過設(shè)計背筋、背架上的減重孔，調(diào)節(jié)天線質(zhì)心的位置，使得天線質(zhì)心離轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸的距離趨近于0。

3.2　轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)

轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)形式采取方位-俯仰型[4]，根據(jù)“精度高、重量輕、負載大”的原則，在進行平臺框架設(shè)計時應(yīng)盡量配平，減小不平衡力矩；減小天線中心與回轉(zhuǎn)軸的距離以減少風(fēng)力矩；減小轉(zhuǎn)動慣量以減小加速力矩。

轉(zhuǎn)臺由交流伺服電機、精密減速機、回轉(zhuǎn)支承、角度傳感器、底座、U型架以及限位機構(gòu)等組成，如圖3所示。因天線要360°工作，通過匯流環(huán)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來分別傳遞方位上下的電信號和射頻信號。為此，在方位底座里設(shè)計了一個匯流環(huán)，實現(xiàn)天線與控制器之間信號的傳輸。

圖3　轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)剖面圖

方位和俯仰軸的驅(qū)動選用交流伺服電機，并配精密減速機，末級傳動采用小齒輪與帶外齒回轉(zhuǎn)支承嚙合。為提高系統(tǒng)的跟蹤精度，用兩套相同的傳動鏈組成雙機傳動鏈來消除由于齒隙和扭剛度帶來的誤差，并在方位通道采用優(yōu)于3.8″的絕對精度的鋼柵傳感器，俯仰通道采用角度分辨率為10″的絕對式角度編碼器。

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1　低膨脹復(fù)合材料

天線副面支架作為天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件，除了具有良好的力學(xué)剛強度，更需具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性。對于高頻段微波信號，天線副面支架較小的位移，就會引起較顯著的電性能變化，因此，為保證優(yōu)異的電性能，必須對天線副面支架構(gòu)件從材料、構(gòu)型、加工工藝進行綜合設(shè)計。

先進樹脂基復(fù)合材料具有重量輕、熱穩(wěn)定、比強度高一系列優(yōu)點，先進復(fù)合材料與常規(guī)金屬材料相比，顯著特點是它的材料可設(shè)計性。先進復(fù)合材料由性能相差極大的纖維材料和基體材料組成，用方向和厚度不同的單層材料復(fù)合而成型。通過零膨脹鋪層設(shè)計可使天線副面支架結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)減小到0～7×10-6以內(nèi)，在溫差25℃范圍內(nèi)，整個副面支架產(chǎn)生0～0.191 6 mm變化。復(fù)合材料和鋁合金材料的特性對比如表1所示。

表1材料性能比較

材料拉伸強度/MPa拉伸模量/GPa比強度/(MPa/(g/cm3))比模量/(MPa/(g/cm3))密度/(g/cm3)鋁合金39372141.325.92.78高強碳纖維/環(huán)氧1471137.3101494.71.45

零膨脹鋪層設(shè)計是確保天線副面支架結(jié)構(gòu)高精度、尺寸穩(wěn)定的關(guān)鍵，采用的鋪層以0°、90°為主，為增強縱向(即0°方向)的剛強度，增加0°鋪層。

采用熱壓罐成型工藝，降低復(fù)合材料內(nèi)部空隙率，提高天線副面支架結(jié)構(gòu)強度。天線副面支架局部減輕孔處，在制造過程中采用預(yù)制補強工藝，確保整個天線副面支架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

4.2　精密跟蹤技術(shù)

傳動鏈上的傳動誤差影響跟蹤精度，尤其在電機換向時，采用雙傳動鏈是消除齒輪間隙，提高系統(tǒng)剛度和精度的有效方法[5]。

但是該傳動系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，雙傳動鏈不可能從結(jié)構(gòu)上完全一致，傳統(tǒng)的控制方式不可避免造成系統(tǒng)的振蕩，所以必須采用新的伺服控制技術(shù)。

采用差速負反饋的智能PI控制結(jié)合速度負反饋的控制算法，可有效地解決雙電機驅(qū)動控制中的差速振蕩問題，該技術(shù)可以提高雙傳動鏈運動的平穩(wěn)性，為實現(xiàn)高精度跟蹤奠定基礎(chǔ)?？刂圃砣鐖D4所示。

圖4　控制原理

4.3　高精度角度檢測技術(shù)

針對系統(tǒng)精度要求，結(jié)合新技術(shù)發(fā)展，在方案中使用鋼柵尺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙通道旋變.該種傳感器具有可靠性高、設(shè)備量小、抗干擾能力強和使用維護方便等優(yōu)點，具體模型如圖5所示。

圖5　高精度傳感檢測裝置

方位高精度角度檢測裝置由高精度傳感器和高精度軸承組成，其中高精度傳感器具有秒級分辨率，并具有良好的防護等級，滿足系統(tǒng)的使用要求；高精度軸承能夠為高精度傳感器提供不大于0.003 mm的徑向安裝精度，從而將角度檢測裝置的測量精度控制在10″內(nèi)，同時高精度軸承還能夠承受徑向力、軸向力和傾覆力矩。方位高精度角度檢測裝置既可以滿足系統(tǒng)方位角度精度要求，還可以承受負載，能夠解決傳統(tǒng)方法中因裝配引入的安裝誤差。

5結(jié)束語

車載天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)是集結(jié)構(gòu)、伺服控制和微波傳輸?shù)葞讉€方面于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。這里提出的天線轉(zhuǎn)臺的設(shè)計方法，特別是基于鋼柵尺的角度檢測，其原理簡單、性能可靠、安裝和拆卸方便，具有精度高、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性好等特點。通過研究，可進一步推動后續(xù)高精度、輕質(zhì)化、高頻段、反射面天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的發(fā)展。

參考文獻：

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