基于圓柱筒支撐緊縮場(chǎng)極坐標(biāo)測(cè)試掃描系統(tǒng)的研制

曹鐵澤，孫安斌，王繼虎

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

緊縮場(chǎng)是緊縮平面場(chǎng)的簡(jiǎn)稱，其英文名稱為CATR(Compact Antenna Test Range)，它能夠?qū)Ⅻc(diǎn)源產(chǎn)生的球面波在近距離內(nèi)變換成為平面波，從而可以在近距離上提供一個(gè)性能優(yōu)良的平面微波測(cè)試區(qū)。對(duì)緊縮場(chǎng)性能鑒定有多種方法，國(guó)際上最通用的方法是探頭掃描法，即用標(biāo)準(zhǔn)探頭直接對(duì)緊縮場(chǎng)測(cè)試區(qū)準(zhǔn)平面波場(chǎng)的幅度和相位進(jìn)行測(cè)試評(píng)估［1］。緊縮場(chǎng)測(cè)試掃描架(以下簡(jiǎn)稱:緊縮場(chǎng)掃描架)用于安裝測(cè)試用探頭天線，保證探頭天線在測(cè)試區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)探頭天線口面處于同一個(gè)平面上。因此，緊縮場(chǎng)掃描架是緊縮場(chǎng)最終性能指標(biāo)檢測(cè)和評(píng)定的重要設(shè)備［2］。

目前緊縮場(chǎng)掃描架的主要結(jié)構(gòu)有兩種，分別是直角坐標(biāo)掃描架和極坐標(biāo)掃描架，其中直角坐標(biāo)掃描架主要用于小型緊縮場(chǎng)的性能檢測(cè)，而極坐標(biāo)掃描架則用于大型緊縮場(chǎng)的性能測(cè)試。通常極坐標(biāo)掃描架以塔式結(jié)構(gòu)為主，為了保證其直線度或平面度，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、不易安裝。隨著緊縮場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展，緊縮場(chǎng)靜區(qū)的尺寸和頻率都在不斷增大和提高，如艾斯特里厄姆航天公司(EADS Astrium)為開展衛(wèi)星的RCS 測(cè)量工作，建立了 CCR20/17，CCR75/60 和CCR120/100 三種型號(hào)的卡賽格侖補(bǔ)償式緊縮場(chǎng)，其靜區(qū)直徑的大小分別為1.3，5，8 m，最高工作頻率分別為400，200，100 GHz［3-4］，這就要求所對(duì)應(yīng)的測(cè)試掃描架的平面度(在行波方向的偏移量)分別為0.008 mm(RMS)，0.015 mm(RMS)和0.03 mm(RMS)。目前國(guó)內(nèi)用于飛機(jī)性能測(cè)試的緊縮場(chǎng)其最高工作頻率要求已經(jīng)達(dá)到75 GHz，為了滿足該類緊縮場(chǎng)性能測(cè)試的要求，本文設(shè)計(jì)了一種帶自動(dòng)補(bǔ)償?shù)母呔葓A柱筒支撐結(jié)構(gòu)緊縮場(chǎng)掃描架，該掃描架克服了純機(jī)械裝置其精度難保證的缺點(diǎn)，同時(shí)滿足了緊縮場(chǎng)靜區(qū)質(zhì)量快速檢測(cè)、掃描架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且安裝方便等要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

圓柱支撐掃描架是為了滿足多種緊縮場(chǎng)靜區(qū)快速檢測(cè)需要而設(shè)計(jì)的極坐標(biāo)掃描架。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是滿足靜區(qū)范圍在3.5 m×3.5 m 內(nèi)、靜區(qū)高度在5 ～8 m 之間、最高工作頻率為75 GHz、相位不平度不大于6°的緊縮場(chǎng)檢測(cè)的需要。

掃描架技術(shù)要求:掃描架一次性掃描范圍為3.5 m×3.5 m，掃描架掃描中心最高高度為8 m，掃描架掃描的平面度的實(shí)時(shí)測(cè)量誤差為0.04 mm。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓柱筒支撐結(jié)構(gòu)極坐標(biāo)掃描架總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，掃描架的主要組成部件有:底座部件，固定支撐部件，斜拉部件，轉(zhuǎn)接支撐部件，自動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，掃描部件，平面度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等。為方便描述，建立全局坐標(biāo)系，正對(duì)來(lái)波方向?yàn)閄 軸正向，豎直向上方向?yàn)閆 軸正向，建立右手坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 圓柱筒支撐極坐標(biāo)掃描架結(jié)構(gòu)圖

掃描架結(jié)構(gòu)具體特點(diǎn)如下:掃描部件導(dǎo)軌采用硬鋁型材導(dǎo)軌作為掃描探頭滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)定位部件，通過(guò)導(dǎo)軌直線度調(diào)整塊來(lái)保證導(dǎo)軌的整體直線度優(yōu)于0.10 mm，導(dǎo)軌在行波方向?qū)ΨQ放置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用導(dǎo)軌下側(cè)放置形式，以實(shí)現(xiàn)重心在行波方向前后對(duì)稱，導(dǎo)軌有效行程3.5 mm。導(dǎo)軌支撐桁架采用硬鋁材料焊接而成，外面支撐板法線與行波方向成155°，以防止電磁波沿原路返回。

主支撐部件和結(jié)構(gòu)采用圓柱支撐方式，以此來(lái)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并通過(guò)粘結(jié)吸波材料減少掃描架自身的RCS(雷達(dá)散射截面面積)值。主支撐結(jié)構(gòu)具有7 m 以上高度，在支撐結(jié)構(gòu)頂端不可避免地會(huì)有較大的撓度，為減少撓度本文采用了斜拉桿并施加預(yù)應(yīng)力方式來(lái)增加結(jié)構(gòu)的整體剛度。轉(zhuǎn)接部件是為適應(yīng)不同高度緊縮場(chǎng)靜區(qū)檢測(cè)需要而配做的圓柱支撐筒。底座部件是支撐掃描架整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，具備水平調(diào)整和方位調(diào)整功能，底部部件主體結(jié)構(gòu)由方鋼焊接而成，最終通過(guò)三塊拼接而成，側(cè)面設(shè)計(jì)有可折疊支架以增加其支撐范圍。

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)掃描架水平工作狀態(tài)與豎直工作狀態(tài)之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換以及保證轉(zhuǎn)向后掃描架探頭平面度的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將蝸輪固定在轉(zhuǎn)向部件中間支撐筒上，支撐筒與掃描架支撐架通過(guò)螺栓連接。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及蝸桿安裝在底座上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)就可驅(qū)動(dòng)掃描架部件轉(zhuǎn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)鎖緊前后螺母施加預(yù)載荷將角接觸軸壓緊來(lái)保證其無(wú)間隙運(yùn)行。在蝸輪副中采用雙螺距漸厚蝸桿傳動(dòng)、在軸承安裝套上安裝調(diào)整套使得蝸桿能夠在蝸桿軸向調(diào)整，以消除蝸輪副的吻合間隙。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.4 掃描架機(jī)械誤差分析［5-8］

按照1.2 所設(shè)計(jì)的掃描架在無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r下引入的平面度誤差包括:轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引入的軸系偏擺誤差、載荷偏心引入的形變誤差、導(dǎo)軌直線度誤差。其中由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引入的軸系偏擺誤差是以下幾項(xiàng)誤差的合成:

1)前角接觸軸承徑向偏擺誤差μ1

設(shè)軸承徑向跳動(dòng)為0.005 mm，前后軸承的跨度l1=360 mm，則該項(xiàng)誤差為

μ1=0.005/l1=1.39×10-5rad=2.86″

1rad=2.06×105(″)

2)后角接觸軸承徑向偏擺誤差μ2

設(shè)軸承徑向跳動(dòng)為0.005 mm，前后軸承的跨度l1=360 mm，則該項(xiàng)誤差為

μ2=0.005×2.06×10/l1=2.86″

3)轉(zhuǎn)軸角接觸軸承安裝處同軸度誤差μ3

設(shè)安裝位置偏差為0.02 mm，前后軸承的跨度l1=360 mm，該項(xiàng)引起的誤差為

μ3=0.02×2.06×105/l1=11.44″

4)前后軸承安裝座軸承安裝孔中心對(duì)安裝連接面的不平行度μ4

設(shè)安裝孔中心位置偏差0.02 mm，前后軸承的跨度l1=360 mm，該項(xiàng)引起的誤差為

μ4=0.02×2.06×105/l1=11.44″

則轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸系引入的總偏擺誤差為

若轉(zhuǎn)軸中心到探頭喇叭在導(dǎo)軌兩端時(shí)的距離l2=1800 mm，該項(xiàng)偏擺引起探頭喇叭在導(dǎo)軌兩端的最大偏移量為

u1=δ× l2/2.06×105=0.15 mm

載荷偏心引入的形變誤差是指掃描部件在喇叭探頭天線及電機(jī)偏心載荷作用下，會(huì)引起探頭喇叭在行波方向的偏移量，經(jīng)有限元計(jì)算分析，其在豎直工作狀態(tài)下引起行波方向最大偏移量為

u2=0.02 mm

導(dǎo)軌直線度誤差是指導(dǎo)軌本體的直線度，采用硬鋁型材導(dǎo)軌作為掃描探頭滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)定位部件，通過(guò)導(dǎo)軌直線度調(diào)整塊可保證導(dǎo)軌的整體直線度優(yōu)于0.10 mm，即

u3=0.10 mm

綜合以上誤差，引起探頭在行波方向的最大偏移量為

u=u1+ u2+ u3=0.27 mm

上述分析表明，在不作補(bǔ)償?shù)那闆r下，掃描架平面度的偏差最大可達(dá)到0.27 mm，遠(yuǎn)不能滿足緊縮場(chǎng)靜區(qū)檢測(cè)要求。

2 緊縮場(chǎng)掃描架平面度補(bǔ)償

由以上分析可知，受到機(jī)械變形及裝配加工精度的限制，緊縮場(chǎng)掃描面上探頭的平面度不能滿足測(cè)試要求，直接影響測(cè)量的幅相精度。一種有效的解決方案是，在保證一定機(jī)械精度的前提下，利用先進(jìn)的激光測(cè)量技術(shù)測(cè)得探頭的實(shí)際空間位置，通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)此位置誤差進(jìn)行補(bǔ)償以修正其相位［9-11］。

平面度補(bǔ)償器主要由旋轉(zhuǎn)激光頭和一維位置敏感探測(cè)器(PSD)組成，如圖3所示。激光發(fā)射器固定在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，PSD 安裝在被測(cè)物上。當(dāng)激光頭以一定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光器發(fā)出的激光能夠掃出一個(gè)理論上的平面。激光照射在PSD 上時(shí)，PSD 便能感知到激光在PSD 上的位置，PSD 上下(如圖3 箭頭方向)移動(dòng)后其感應(yīng)值與之前感應(yīng)值會(huì)產(chǎn)生一定的差值，此值通過(guò)電壓或電流形式表現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)標(biāo)定，其位置移動(dòng)的大小便可求出。旋轉(zhuǎn)激光頭固定安裝，PSD 安裝位置的變化即可測(cè)得。該平面度補(bǔ)償器的指標(biāo)如下:旋轉(zhuǎn)激光器測(cè)量誤差為0.012 mm/m，轉(zhuǎn)速為0.5 ～10 r/s;PSD 測(cè)量誤差為±0.01mm，工作范圍為0.5 ～1.8 m。

圖3 自動(dòng)補(bǔ)償器原理圖

使用時(shí)將旋轉(zhuǎn)激光器安裝在前支撐架端面上且與掃描架轉(zhuǎn)軸同軸的位置，轉(zhuǎn)軸是中空的，旋轉(zhuǎn)激光器可在軸向方向調(diào)整;PSD 安裝在接收天線喇叭安裝座的下端面上;調(diào)整PSD 與旋轉(zhuǎn)激光器的位置，使得旋轉(zhuǎn)激光器發(fā)出的激光接近PSD 中點(diǎn)位置區(qū)域;滑臺(tái)的位置由步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)控制，導(dǎo)軌重復(fù)性定位誤差為±0.02 mm，故滑臺(tái)位置可通過(guò)控制電機(jī)的脈沖數(shù)量來(lái)確定;滑臺(tái)每移動(dòng)一段距離便停下等待喇叭天線接收電磁波數(shù)據(jù)，與此同時(shí)采集PSD 上的數(shù)據(jù)，之后再繼續(xù)移動(dòng)，重復(fù)以上過(guò)程完成一個(gè)工作狀態(tài)的測(cè)試。在水平位置測(cè)試完成后進(jìn)行豎直狀態(tài)下測(cè)試，激光器安裝位置相對(duì)運(yùn)動(dòng)極小可忽略不計(jì)，平面度補(bǔ)償器測(cè)量的平面度值即為掃描架平面度的修正值。該平面度補(bǔ)償器在1.8 m 位置測(cè)量平面度的誤差為0.032 mm，滿足了設(shè)計(jì)要求。

3 靜區(qū)測(cè)試

本試驗(yàn)采用單反射面緊縮場(chǎng)，緊縮場(chǎng)靜區(qū)大小為2.7 m×2.7 m，工作頻率范圍為1 ～40 GHz。采用AgilentN5244A 一體化矢量網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀作為電磁波發(fā)射接收及數(shù)據(jù)處理測(cè)量設(shè)備。以一個(gè)典型的測(cè)試數(shù)據(jù)為例，該組數(shù)據(jù)是在17 GHz 水平極化下測(cè)得的，未作平面度補(bǔ)償所得到的相位如圖4所示，由于相位誤差較大，所得到的測(cè)試結(jié)果無(wú)法對(duì)緊縮場(chǎng)進(jìn)行評(píng)定。將相位的變化曲線(見圖4 中實(shí)線)與導(dǎo)軌水平放置時(shí)導(dǎo)軌探頭在行波方向的偏移量曲線(見圖5)進(jìn)行比較，可以看出兩者的變化趨勢(shì)一致，當(dāng)探頭位置偏移量大時(shí)，則相位誤差也變大。圖4 中，虛線為(理論)相位曲線。

圖4 豎直狀態(tài)水平極化未補(bǔ)償?shù)南辔粩?shù)據(jù)

圖5 導(dǎo)軌探頭在行波(X 軸)方向的偏移量

將通過(guò)平面度補(bǔ)償器測(cè)得掃描架探頭在行波方向上的偏移量轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的相位，并補(bǔ)償?shù)轿⒉ㄊ噶糠治鰞x中，便獲得了靜區(qū)補(bǔ)償后的相位數(shù)據(jù)(見圖6)，可以看出相位誤差明顯減小。由此引入的相位測(cè)量誤差不會(huì)影響對(duì)緊縮場(chǎng)性能進(jìn)行評(píng)定。

圖6 豎直狀態(tài)水平極化補(bǔ)償后的相位圖

通過(guò)本試驗(yàn)，驗(yàn)證了掃描架采用補(bǔ)償方法的可行性，說(shuō)明掃描架探頭機(jī)械位置的平面度可適度放寬，利用先進(jìn)的探測(cè)手段測(cè)得其平面度便可以進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，從而滿足緊縮場(chǎng)靜區(qū)檢測(cè)的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

高精度緊縮場(chǎng)掃描架主要體現(xiàn)在微波接收頭運(yùn)動(dòng)平面具有較高的平面度。本掃描架采用筒式支撐加斜拉桿結(jié)構(gòu)，即簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)又減輕了重量，掃描頭類采用極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，并采用平面度自動(dòng)補(bǔ)償器實(shí)時(shí)測(cè)量接收頭原始位置的平面度，根據(jù)被測(cè)波段的頻率對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償修正。測(cè)試結(jié)果表明掃描架探頭位置平面度檢測(cè)誤差為0.032 mm，靜區(qū)測(cè)試結(jié)果表明，該掃描架能夠滿足最高頻率為75 GHz 緊縮場(chǎng)靜區(qū)的檢測(cè)要求。

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