X-Y型天線座構(gòu)型設(shè)計*

李建軍，賈彥輝

(中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

X-Y型天線座構(gòu)型設(shè)計*

李建軍，賈彥輝

(中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

文中研究了天線座的工作原理及結(jié)構(gòu)特征，由于A-E型天線座存在天頂?shù)母櫭^(qū)，致使其無法完成過頂目標(biāo)的跟蹤任務(wù)。X-Y型天線座將天線的跟蹤盲區(qū)轉(zhuǎn)移到X軸的兩端，即地平線上，因此可滿足天線跟蹤過頂目標(biāo)的任務(wù)要求。同時，結(jié)合實際工程應(yīng)用，提出了幾種不同構(gòu)型的X-Y座架型式，以及各自的技術(shù)指標(biāo)及適用范圍。文章面向?qū)嶋H任務(wù)進行機構(gòu)設(shè)計，研究內(nèi)容對于X-Y型天線座架設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

X-Y型天線座；A-E型天線座；跟蹤盲區(qū)

引 言

天線座作為天線的支撐與定向裝置，在伺服系統(tǒng)控制下，引導(dǎo)天線準(zhǔn)確地捕獲和跟蹤目標(biāo)，其機械性能直接影響到天線的射頻特性及伺服功能[1]。

傳統(tǒng)的天線座多為方位-俯仰(A-E)型結(jié)構(gòu)，由2個相互垂直的轉(zhuǎn)軸(A軸、E軸)組成，A軸為鉛垂?fàn)顟B(tài)，E軸位于A軸上方，呈水平狀態(tài)[2]。通過兩軸的轉(zhuǎn)動，使得天線波束覆蓋整個空域。

A-E型天線座跟蹤目標(biāo)時，當(dāng)目標(biāo)仰角趨近于90°時，方位角速度趨近于無窮大。由于A軸速度不可能無限增加，因此，A-E型天線座跟蹤目標(biāo)時不可避免地存在盲區(qū)。為完成目標(biāo)的過頂跟蹤，引入了X-Y型天線座結(jié)構(gòu)[3]。

1 X-Y型天線座工作原理

X-Y型天線座也有2個轉(zhuǎn)軸(X軸、Y軸)，兩軸都是水平配置，互相垂直，Y軸位于X軸之上。這種類型的天線座也有盲區(qū)，但是不在天頂，而在X軸的兩端，即地平線上，如圖1所示。

X軸的角速度由目標(biāo)在Y方向的運動引起，其大小取決于目標(biāo)與X軸之間的距離，即：

(1)

式中：θ為Y軸角度(朝天為0°)；R為天線與目標(biāo)間距離；Vs為目標(biāo)線速度。

天線跟蹤目標(biāo)過頂時，θ=0°，X軸的角速度最??；在跟蹤靠近地平線的目標(biāo)時，X軸的角速度最大。它的兩個軸只需轉(zhuǎn)動±90°，就能夠覆蓋整個空域。因此不需要高頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、滑環(huán)或電纜卷繞裝置。

如圖2所示，軌道高度為300km的圓軌道極軌衛(wèi)星，已知其線速度Vs=7.72km/s，O為地球球心；G為天線位置；S0為目標(biāo)地平點；S1為目標(biāo)任意點。

圖2 天線與目標(biāo)位置關(guān)系圖

當(dāng)目標(biāo)位于S0時，θ=90°，X軸的角速度趨向于無窮大，天線不能跟蹤目標(biāo)。由于天線在低仰角時存在地面多徑效應(yīng)，為了很好地接收目標(biāo)信號，地面站天線一般要求工作仰角為3°以上，這就正好避開了X-Y型天線座的跟蹤盲區(qū)。

當(dāng)目標(biāo)位于任意位置S1時，根據(jù)ΔS1GO中三角函數(shù)關(guān)系可得：

已知Re=6 378 km，h=300 km，仰角3°時θ=87°，計算得R=1 673 km。

將R代入式(1)可得ωX=5°。

因此，與A-E型相比，X-Y型天線座既具備了跟蹤過頂目標(biāo)的能力，又大大降低了兩軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)速。

2 X-Y型天線座構(gòu)型設(shè)計

2.1 全配重構(gòu)型

X-Y型天線座結(jié)構(gòu)不緊湊，重量較大，因為兩根轉(zhuǎn)軸都不與地面垂直，如果轉(zhuǎn)動部分的重心不在轉(zhuǎn)軸上，就會產(chǎn)生不平衡力矩。傳統(tǒng)的X-Y型天線座兩軸都需要配重，所以體積、重量大，兩軸的間距大，轉(zhuǎn)動慣量也大。下面以X頻段5.4 m X-Y型天線為例介紹。

5.4 m X-Y型天線包括反射體、X軸裝置、Y軸裝置、底座4部分，如圖3所示。

圖3 全配重X-Y型天線

結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)如下：

1)X、Y軸運動范圍：-90°～90°；

2)X、Y軸驅(qū)動速度：0.01～5 °/s；

3)X、Y軸驅(qū)動加速度：0.01～5 °/s2。

Y軸裝置采用叉臂方箱結(jié)構(gòu)，位于X軸上端。隨著X軸的轉(zhuǎn)動，Y軸的姿態(tài)在水平與垂直方向不斷改變，如圖4所示。

圖4 Y軸裝置示意圖

在U形叉臂中間安裝高頻箱，其中容納天線高頻系統(tǒng)。高頻箱上端面與天線連接，尾部安裝配重，用以平衡天線反射體相對Y軸的不平衡力矩。由于配重相對于Y軸力臂較短，因此，所需配重較多。

叉臂的跨距和高度取決于高頻箱的體積和Y軸的位置，驅(qū)動、限位、鎖定及測角機構(gòu)分別位于左右叉臂之中。

Y軸與U形叉臂固定，高頻箱兩側(cè)通過圓錐軸承與Y軸連接。叉臂兩端各安裝一套驅(qū)動機構(gòu)，同時驅(qū)動高頻箱兩側(cè)的齒輪，使得高頻箱帶動天線作Y軸運動。

X軸裝置采用掛臂方箱結(jié)構(gòu)，用于支撐5.4 m天線反射體以及Y軸裝置，如圖5所示。

圖5 X軸裝置示意圖

方箱內(nèi)容納X軸裝置部分的驅(qū)動、限位、鎖定及測角機構(gòu)，X軸由2個半軸頭組成，分別通過圓錐軸承與方箱兩側(cè)相連。在X軸兩側(cè)安裝掛臂，掛臂上端面與Y軸裝置連接，下端安裝配重，用以平衡天線反射體及Y軸裝置相對X軸的不平衡力矩。

方箱下平面固定在底座上，內(nèi)部容納X軸裝置的驅(qū)動、限位、鎖定及測角機構(gòu)。X軸與方箱固定，左、右掛臂通過圓錐軸承安裝在X軸兩側(cè)。掛臂上端面與Y軸裝置連接，下端安裝配重，用以平衡天線反射體及Y軸裝置相對X軸的不平衡力矩。

驅(qū)動機構(gòu)共2套，同時驅(qū)動左、右掛臂的大齒輪，實現(xiàn)Y軸裝置及天線做X軸運動。

如圖4所示，Y軸高度4 560 mm，X軸高度3 000 mm，天線回轉(zhuǎn)直徑9 880 mm，總重量10 900 kg，兩軸驅(qū)動功率各為3 000 W。

該構(gòu)型天線座兩軸均需配重，天線座體積及重量較大，轉(zhuǎn)動慣量大，剛度低，因此運動速度、加速度受限，天線快速響應(yīng)能力較差。由于兩軸均為平衡狀態(tài)，因此，驅(qū)動功率較低。

2.2 無配重構(gòu)型

由于全配重X-Y型天線的尺寸和重量較大，制約了產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用。為了降低重量，減小工作空間，本節(jié)介紹一種無配重X-Y型天線構(gòu)型。

仍以X頻段5.4 m天線為例，其結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)同上，天線包括反射體、X軸裝置、Y軸裝置、底座4部分，如圖6所示。

圖6 無配重X-Y型天線

X軸裝置和Y軸裝置結(jié)構(gòu)相同，正交安裝，主要包括電機、減速機、末級齒輪弧、支臂、碼盤、限位機構(gòu)等零部件，如圖7所示。

圖7 X(Y)軸裝置示意圖

X(Y)軸為整體軸，兩端通過圓錐軸承支撐在支臂左右。末級齒輪弧安裝在X(Y)軸中間。電機、減速機安裝在支臂底部，輸出小齒輪與末級齒輪弧嚙合，組成閉合的驅(qū)動機構(gòu)。在X(Y)軸的一側(cè)安裝碼盤，實時輸出X(Y)軸角度信號。

X軸裝置的支臂底平面固定在底座上，Y軸裝置的支臂底平面支撐天線，兩軸的末級齒輪弧平面連接固定，軸線垂直相交。

此時，Y軸裝置的電機、減速機位于支臂上部，工作時，末級齒輪弧與Y軸固定不動，驅(qū)動系統(tǒng)帶動支臂及天線繞著末級齒輪弧圓周滾動，實現(xiàn)天線做Y軸運動。

X軸裝置的電機、減速機位于支臂下部。工作時，驅(qū)動機構(gòu)及支臂固定不動，X軸與末級齒輪弧轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)Y軸裝置及天線做X軸運動。

該構(gòu)型的5.4 m X-Y型天線X(Y)軸均沒有配重，天線工作在偏心狀態(tài)。為保證天線能夠反向自鎖，高速級采用蝸輪減速機，利用其自鎖功能保證天線安全工作。直齒輪副位于傳動鏈末級，精度高，加工、裝配質(zhì)量容易保證。

如圖7所示，由于無配重，該構(gòu)型天線的體積和重量較原來大幅度減小。Y軸高度3260mm，X軸高度3 000 mm，天線最大回轉(zhuǎn)直徑7 300 mm，總重量3 800 kg，兩軸驅(qū)動功率各為6 000 W。

由于傳動鏈采用了蝸輪蝸桿副，因此該構(gòu)型天線運動速度、加速度受限，天線快速響應(yīng)能力較差。由于兩軸均工作在偏心狀態(tài)，因此驅(qū)動功率較大。

2.3X軸虛軸構(gòu)型

某船載X-Y型天線對于體積、重量、驅(qū)動功率的要求都比較嚴格。為了補償船搖帶來的角度偏差，要求天線運動速度、加速度較高，需要兩軸全方位平衡。上述兩種構(gòu)型均不能滿足使用要求，因此設(shè)計了全配重X軸虛軸構(gòu)型。

仍然是X頻段5.4 m天線，其結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)同上。天線包括反射體、X軸裝置、Y軸裝置、底座4部分，如圖8所示。

圖8 全配重虛軸X-Y型天線

X軸裝置主要包括圓弧滾道、滾輪支架、壓緊滾輪、導(dǎo)向滾輪、減速機、電機、碼盤、機電限位裝置等零部件，如圖9所示。

圖9 X軸裝置

滾輪支架固定在底座上，其上安裝5對上下布置的壓緊滾輪，對X軸裝置的圓弧滾道進行支撐定位；另有2對左右布置的導(dǎo)向滾輪對圓弧滾道進行導(dǎo)向，防止其左右偏擺。滾輪既承受徑向力，又能承受由于滾道的左右偏擺引起的軸向力。

電機通過減速機驅(qū)動圓弧滾道背面的齒輪，從而帶動圓弧滾道作X軸旋轉(zhuǎn)。圓弧滾道的幾何軸心即為X軸，它是一個虛軸。

Y軸裝置包括箱體、大齒輪、左右軸頭、配重、減速機、伺服電機、碼盤、機電限位裝置等零部件，如圖10所示。

圖10 Y軸裝置

Y軸裝置的中心箱體通過左右軸頭支撐在X軸裝置的圓弧滾道上，箱體的上平面與天線相連。伺服電機通過減速機驅(qū)動Y軸大齒輪，從而帶動中心箱體和天線一起做Y軸旋轉(zhuǎn)。在Y軸的右軸頭上安裝碼盤，實時輸出天線座Y軸角度信號。

天線在X軸=0°，Y軸=0°狀態(tài)，X、Y軸距離安裝底平面約為3 000 mm。天線最大回轉(zhuǎn)半徑為6 600 mm，總重量4 500 kg，兩軸驅(qū)動功率各為3 000 W。

該構(gòu)型天線座兩軸全方位平衡，X、Y軸垂直相交，因此，傳動鏈不需要自鎖。天線體積、慣量、驅(qū)動功率大大降低。重量較無配重構(gòu)型稍大，遠低于全配重構(gòu)型。因此，天線可滿足較高的運動速度、加速度要求。

3 結(jié)束語

由于A-E型天線座架存在天頂?shù)母櫭^(qū)，不能滿足任務(wù)需求，從而引出了X-Y型天線座架。分析了X-Y型天線的工作原理及使用范圍，根據(jù)天線的應(yīng)用需求，詳細介紹了X-Y型天線的3種不同構(gòu)型，并從體積、重量、功耗等方面加以比較。研究內(nèi)容緊密結(jié)合工程實際，對于X-Y型天線工程化設(shè)計具有重要的理論指導(dǎo)意義。

[1] 吳鳳高. 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1975.

[2] 成大先. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[3] 張燕. 過頂跟蹤的天線座設(shè)計方法[J]. 無線電工程, 1997, 27(4): 37-39.

李建軍(1970-)，男，高級工程師，主要研究方向為天伺饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

賈彥輝(1984-)，男，工程師，主要研究方向為天伺饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)分析。

Configuration Design of X-Y Style Antenna Pedestal

LI Jian-jun，JIA Yan-hui

(The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

This article studies the working theory and structure character of antenna pedestal. Because of the zenith tracking blind zone, A-E style antenna pedestal could not satisfy the tracking demand. X-Y style antenna pedestal moves the blind zone to the two sides ofXaxis (the horizon), therefore satisfying the tracking demand. According to the project applications, several different configurations of X-Y style pedestals are proposed, including their specifications and applicability. The design in this article is project-oriented, therefore its results have important guidance meaning for the design of X-Y style pedestals.

X-Y style antenna pedestal; A-E style antenna pedestal; tracking blind zone

2014-03-06

TN820.8+2

A

1008-5300(2014)05-0037-04