波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及位置檢測(cè)

郝會(huì)乾

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

波束波導(dǎo)是指由一系列順序排列的曲面鏡和平面鏡構(gòu)成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它可以將饋源發(fā)射的電磁波或反射面天線接收的電磁波通過聚束傳播的方式傳輸。此外，它還具有饋電損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、饋源擺放位置不受反射面焦點(diǎn)位置限制、方便對(duì)饋源的更換維修等優(yōu)點(diǎn)［1］。因此，廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)大口徑天線及需要傳輸大功率電磁波的天線［2］。

波束波導(dǎo)系統(tǒng)最重要的技術(shù)約束條件是將波束波導(dǎo)的輸入波束對(duì)稱性的傳輸?shù)教炀€反射面的焦點(diǎn)處［3］。因此，波束傳輸路徑上反射鏡面的精度對(duì)波束波導(dǎo)系統(tǒng)的性能影響很大，而反射鏡面的精度又包括反射鏡面自身的精度和反射鏡面的定位精度。

為了滿足波束波導(dǎo)的傳輸精度，首先要保證反射鏡面自身有足夠高精度；其次，還要保證反射鏡面位置準(zhǔn)確。一般反射鏡面都是通過機(jī)密數(shù)控機(jī)床一體加工成型，而反射鏡面的定位精度則是通過調(diào)整復(fù)雜的調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在調(diào)整反射鏡面位置時(shí)，要借助一套完整的檢測(cè)設(shè)備，在此，介紹一種基于光學(xué)原理的檢測(cè)方法。

筆者以某車載7.3m波束波導(dǎo)天線為例，對(duì)波束傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和位置檢測(cè)進(jìn)行論述。

1 波束傳輸系統(tǒng)的組成

波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)由頻率選擇面、兩個(gè)曲面反射鏡面及一個(gè)平面反射鏡面組成，如圖1所示。當(dāng)天線用于發(fā)射功能時(shí)，發(fā)射饋源發(fā)射的電磁波，通過頻率選擇面的透波，兩個(gè)曲面反射鏡面、平面反射鏡面的反射，傳輸?shù)娇罩?。?dāng)天線用于接受功能時(shí)，空中的電磁波經(jīng)過平面反射鏡面、兩個(gè)曲面反射鏡面及頻率選擇面的反射，傳輸?shù)浇邮震佋础?/p>

圖1 波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)

2 波束傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波束波導(dǎo)7.3m天線要實(shí)現(xiàn)方位±90°、俯仰0～90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)裝車要求。為了保證波束傳輸?shù)囊蠛凸?jié)省設(shè)計(jì)空間，在設(shè)計(jì)時(shí)，將第一與第二反射鏡面中間波束布置成方位軸，第二與第三反射面的中間波束位置布置成俯仰軸，波束傳輸系統(tǒng)實(shí)際布置如圖2所示。

圖2 波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)布置圖

波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、反射鏡面本身等部分組成。

基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)主要由方位圓筒和俯仰箱兩部分組成。方位圓筒是頻率選擇面、接收饋源、發(fā)射饋源、第一反射面的安裝基礎(chǔ)。它是由鋼板、槽型鋼等焊接成型，焊后去應(yīng)力加工。波束傳輸系統(tǒng)各組成部分的相互位置通過高精度數(shù)控機(jī)床加工的位置基準(zhǔn)來(lái)保證，各位置基準(zhǔn)間的相互位置通過嚴(yán)格的尺寸公差和位置公差來(lái)控制。俯仰箱是第二和第三反射面的安裝基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)組成形式和加工方法與方位圓筒類似，在此不再贅述。

支撐結(jié)構(gòu)包括頻率選擇面支撐結(jié)構(gòu)、反射面支撐結(jié)構(gòu)等，各支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式類似，因此，以第一反射鏡面支架為例進(jìn)行說(shuō)明。為了使支架有足夠的剛度及調(diào)整檢測(cè)方便，第一反射面支架由熱軋圓管和熱軋厚鋼板焊接成型，焊后去應(yīng)力加工，如圖3所示。反射鏡面的位置是由沿XYZ三個(gè)方向的移動(dòng)及繞XYZ三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)等六個(gè)自由度確定。支架下止口與方位圓筒定位配合，斜面上的止口與第一反射面及標(biāo)校鏡配合，通過兩個(gè)止口配合來(lái)確定反射面三個(gè)方向移動(dòng)的問題。

圖3 第一反射鏡面支架

通過調(diào)整支架下安裝端面與方位圓筒的配合間隙來(lái)調(diào)整繞XY方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過支架自身繞支架下方的止口的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)整繞Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。在這里的調(diào)整都是通過調(diào)整頂絲、墊銅箔等方法來(lái)進(jìn)行的微量調(diào)整。此外斜面上還標(biāo)有十字交叉線，用于定位第一反射面自身的朝向。

反射面選用硬鋁材質(zhì)，通過數(shù)控一體加工成型，加工分粗加工和精加工兩個(gè)步驟，粗加工完成后，進(jìn)行去應(yīng)力退火，然后進(jìn)行精加工。以第一反射面為例，介紹反射鏡面的設(shè)計(jì)思路，第一反射面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

反射面正面為部分拋物面的曲面，四周有四個(gè)連接螺栓孔與反射面支架連接，背面為平面，平面上有定位止口與支架配合，正面曲面與背面平面的位置關(guān)系以及定位止口與曲面的位置關(guān)系嚴(yán)格保證。此外反射面的四周有確定方向的刻線，反射面裝配時(shí)，反射面的刻線要與支架斜面上的十字交叉線重合。

圖4 第一反射面

此外，由于車載平臺(tái)存在顛簸震動(dòng)等環(huán)境因素，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足波束傳輸系統(tǒng)的精度外，還重點(diǎn)考慮了結(jié)構(gòu)的可靠性。采用了減少調(diào)整環(huán)節(jié)、減小調(diào)整范圍以及零部件裝配調(diào)整好以后配裝銷釘?shù)却胧?，保證了結(jié)構(gòu)的可靠性。

3 波束傳輸系統(tǒng)的位置檢測(cè)

由于反射鏡面是一個(gè)鋁材質(zhì)的曲面，位置不好檢測(cè)，在此，采用光學(xué)原理，通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的思路對(duì)反射鏡面的位置來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整。設(shè)計(jì)了一個(gè)反射鏡，它與反射面有相同的定位基準(zhǔn)，檢測(cè)調(diào)整位置時(shí)，把反射鏡安裝與反射鏡面支架上，位置調(diào)整好以后，把反射鏡用反射鏡面換下，即可以實(shí)現(xiàn)把反射鏡面固定在理論的位置上。反射鏡外框用鋼件加工，中間鑲玻璃塊。反射鏡定位止口與反射鏡面支架的止口配合，玻璃塊中心標(biāo)有十字線，十字線交點(diǎn)與定位止口中心重合，鏡面表面與反射鏡支架配合面到玻璃表面的距離通過研磨保證，除保證此兩個(gè)平面的尺寸外，還要保證嚴(yán)格的平行度。反射鏡的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 反射鏡結(jié)構(gòu)圖

反射鏡位置檢測(cè)時(shí)，在發(fā)射饋源位置中心固定準(zhǔn)直光管，用機(jī)加工保證光管的光軸與波束的電軸重合，在第一個(gè)反射鏡面的位置固定反射鏡支架及帶有十字刻線的反射鏡，在方位軸中心固定一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)整反射鏡面支架，使得光管的十字交點(diǎn)、反射鏡的中心交點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)重合，就認(rèn)為第一個(gè)反射鏡位置調(diào)整到位。依次類推，在俯仰軸位置固定目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)整第二個(gè)反射鏡面，在俯仰箱波束中心體位置固定目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)整第三個(gè)反射鏡面。等光路調(diào)通后，用反射鏡面換下反射鏡，就認(rèn)為反射鏡面被固定在正確的位置。

4 總結(jié)

本文提出了一種新的波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和位置檢測(cè)方案，按此方法設(shè)計(jì)的波束傳輸系統(tǒng)，可以保證整個(gè)波束傳輸偏離中心位置0.5mm，在經(jīng)過跑車等試驗(yàn)后，波束沒有產(chǎn)生偏離，達(dá)到了當(dāng)初的設(shè)計(jì)目的，能夠滿足天線電氣的要求。

［1］F.Manshadi.The S/X－Band Microwave Feed System for NASA’s First Beamwaveguide Antenna［C］.Aerospace Applications Conference，1996.Proceedings，1996IEEE.

［2］石俊峰，馬漢清，趙交成.波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)與天線設(shè)計(jì) ［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2012，（3）.

［3］楊可忠.特殊波束面天線技術(shù) ［M］.北京：人民郵電出版社，2009.