新型單反射面緊縮場數(shù)控饋源支架系統(tǒng)

譚龍慶，羅紅宇，李東升

（北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

緊縮場［1］采用精密反射器，將點源產(chǎn)生的球面波在近距離內(nèi)變換為平面波，從而滿足遠場測試要求［2］，可用于飛機、導(dǎo)彈、坦克等的雷達散射截面（RCS）、機載天線性能及衛(wèi)星整星測試，尤其應(yīng)對隱身戰(zhàn)斗機的隱身性能檢測和高性能雷達等重要環(huán)節(jié)。

單反射面緊縮場作為常用緊縮場設(shè)計方案，其主要由暗室、吸波材料、高精度旋轉(zhuǎn)拋物面反射器、高精度轉(zhuǎn)臺、低反射支架和饋源系統(tǒng)等組成。根據(jù)單反射面緊縮場的工作原理，饋源相位中心必須應(yīng)精確定位在高精度反射面的旋轉(zhuǎn)拋物面焦點處，且饋源按指定偏饋角放置。隨著緊縮場測試頻率不斷提高和靜區(qū)尺寸的不斷擴大，對饋源定位精度要求越來越高，饋源支架對緊縮場靜區(qū)電性能的影響逐漸增加［3］。

在北京航空航天大學(xué)研制的某緊縮場系統(tǒng)中，饋源系統(tǒng)具有單饋源（單一饋源且相位中心位于旋轉(zhuǎn)拋物面焦點）和雙饋源（兩饋源相位中心對稱位于旋轉(zhuǎn)拋物面焦點兩側(cè)）兩種工作模式，并且需要頻繁更換饋源的水平極化狀態(tài)和垂直極化狀態(tài)。使用雙饋源時不同頻段的饋源要求兩饋源間距不同，還需要饋源實現(xiàn)定速旋轉(zhuǎn)運動。目前國外林肯實驗室已經(jīng)研制出全自動饋源支架，可實現(xiàn)饋源自動切換和饋源極化狀態(tài)的自動切換等功能［4］。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，在更換饋源、改變饋源極化狀態(tài)、調(diào)整饋源間距等操作時，饋源相位中心應(yīng)始終位于旋轉(zhuǎn)拋物面焦點位置或?qū)ΨQ位于焦點兩側(cè)，同時可精確反饋饋源旋轉(zhuǎn)角度信息，因此需研制一種新型的數(shù)控饋源支架，以提高饋源相位中心定位精度，進而保證緊縮場整體電氣性能，以滿足其高剛度、高強度、饋源定位高精度和饋源位置調(diào)整靈活及旋轉(zhuǎn)運動等設(shè)計需求，同時減少支架自重和自身截面散射。本文針對以上需求，對數(shù)控饋源支架系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 機械系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

饋源支架總體結(jié)構(gòu)由下層底座、饋源支架主體、饋源偏饋角調(diào)整機構(gòu)和饋源旋轉(zhuǎn)單元組成，如圖1所示。下層底座與地面通過地腳螺栓固定，可以調(diào)節(jié)饋源支架整體的高度以及下層底座與饋源支架主體安裝面的水平。下層底座與饋源支架主體通過螺栓鎖緊固定，四周設(shè)計有調(diào)整機構(gòu)，方便精確調(diào)整饋源支架主體的位置，以實現(xiàn)饋源相位中心的定位。利用可拆式饋源偏饋角調(diào)整機構(gòu)可實現(xiàn)在保證饋源相位中心位置不變的情況下對饋源偏饋角的調(diào)節(jié)。饋源支架主體安裝有高精度線性滑軌。饋源旋轉(zhuǎn)單元主要由饋源安裝法蘭、旋轉(zhuǎn)平臺、旋轉(zhuǎn)單元安裝板組成，三者通過螺釘緊固相連，并安裝在饋源支架主體的導(dǎo)軌滑塊上，實現(xiàn)沿導(dǎo)軌橫向移動，如圖2所示。饋源旋轉(zhuǎn)單元可根據(jù)使用需求調(diào)節(jié)間距，實現(xiàn)單饋源的相位中心定位在旋轉(zhuǎn)拋物面焦點位置或雙饋源的相位中心定位在焦點的兩側(cè)。綜合考慮定位精度、傳動效率和機構(gòu)體積等因素，旋轉(zhuǎn)平臺采用蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，由伺服電機驅(qū)動。配合微波同軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)微波線纜不受力、不纏繞、不打結(jié)，以避免影響微波信號。為了減少自身截面散射，除在饋源附近按一定要求布置吸波材料外，還專門設(shè)計了擋板，以便粘附吸波材料。

1.2 饋源偏饋角調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

在完成饋源相位中心定位后，需要在保持饋源相位中心不變的情況下，對偏饋角進行精確調(diào)整。在饋源支架的安裝側(cè)板上設(shè)計以饋源相位中心為圓心的圓弧滑動軌道，并將安裝饋源的安裝架通過滾動軸承嵌入軌道中。利用絲杠機構(gòu)實現(xiàn)精確調(diào)整，調(diào)整過程平穩(wěn)、整體結(jié)構(gòu)受力均勻。調(diào)整完成并利用螺栓鎖死饋源支架后，可以將調(diào)整機構(gòu)拆下，增大饋源支架后部的操作空間，也降低了饋源支架的自身截面反射?？刹鹗狡伣钦{(diào)整機構(gòu)如圖3所示。

圖1 饋源支架機械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)

圖3 可拆式偏饋角調(diào)整機構(gòu)

1.3 饋源支架機械系統(tǒng)輕量化設(shè)計

完成饋源支架的整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計后，利用三維設(shè)計軟件建立其三維模型，并進行運動仿真分析，保證運動行程內(nèi)各零件不干涉，并對部分承力構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計和強度校核，采用SolidWorks軟件中的Simulation插件進行靜力分析以保證工作負載下其定位精度滿足使用要求。以饋源旋轉(zhuǎn)單元安裝板為例，經(jīng)過尺寸和材料優(yōu)化后，在重量相對整體不銹鋼板降低80%的情況下，安裝板的強度和剛度都滿足設(shè)計要求，其分析結(jié)果如圖4所示。

通過建立簡化的饋源支架模型，有限元分析得到其在工作載荷下的靜力變形為0.01mm，由此可知饋源相位中心定位誤差主要來源于饋源支架的裝配誤差，饋源支架設(shè)計滿足使用要求。

圖4 饋源安裝板靜力分析結(jié)果

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

饋源支架運動控制采用成熟的PLC控制系統(tǒng)，利用NC（Numerical Control）運動控制模塊和PTP（Point to Point）控制技術(shù)實現(xiàn)伺服電機的精準運動，以保證饋源在實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動中運行平穩(wěn)、響應(yīng)迅速。為方便使用，在提供現(xiàn)場觸摸屏控制操作的同時，為PLC控制系統(tǒng)增加EIP（Ethernet/IP）通信模塊，以實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的遠程控制，方便在控制室通過遠程控制軟件實現(xiàn)饋源旋轉(zhuǎn)運動控制，并將饋源支架的運動控制集成到緊縮場綜合測試平臺中。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

饋源旋轉(zhuǎn)運動控制即伺服電機速度和位置控制，利用高性能PLC控制系統(tǒng)附加NC控制模塊實現(xiàn)。饋源旋轉(zhuǎn)原點位置的建立利用接近開關(guān)信號和旋轉(zhuǎn)補償值完成，當(dāng)饋源繞其軸線旋轉(zhuǎn)到指定位置后會觸發(fā)接近開關(guān)，采集該信號后，饋源會減速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)采集到編碼器的Z相信號后停止，并設(shè)定該位置為饋源零點位置。遠程通訊利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)，具有穩(wěn)定可靠、通訊距離長、通訊速率高、抗干擾性好等特點?？刂葡到y(tǒng)硬件構(gòu)成如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

饋源支架軟件系統(tǒng)設(shè)計采用服務(wù)器/客戶端模式，將PLC作為底層運動控制核心，通過觸摸屏進行人機交互并完成所有控制操作，遠程控制軟件利用工業(yè)以太網(wǎng)連接PLC的EIP模塊接口，作為PLC的客戶端實現(xiàn)遠程控制。

PLC控制程序采用梯形圖編寫，以模塊化編程方式，根據(jù)不同運動控制和功能分成8個子基本模塊，并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)使用要求編寫實際應(yīng)用控制程序。PLC程序模塊分組如圖6所示。

圖6 PLC程序模塊分組

在控制程序中，利用自鎖和互鎖結(jié)構(gòu)保證控制系統(tǒng)正確完成運動指令并自動排除誤操作。雙軸同步運動利用PLC的2ms定時中斷實現(xiàn)，每2ms運行一次中斷程序，根據(jù)1號軸的編碼器反饋值變化增量控制2號軸運動。由于饋源支架使用的伺服電機的響應(yīng)時間在5ms左右，使用2ms定時中斷完全滿足同步控制要求。

為方便測量操作，編寫了一套基于C＃高級編程語言、WPF界面開發(fā)技術(shù)和歐姆龍公司的FinsGateway通訊驅(qū)動的遠程控制軟件，利用工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠程控制饋源支架。遠程控制界面如圖7所示。

圖7 遠程控制界面

3 系統(tǒng)裝調(diào)

根據(jù)饋源在緊縮場系統(tǒng)中的使用需求，對饋源支架的性能指標做了如下要求：饋源中心定位精度為±0.1mm；饋源旋轉(zhuǎn)跳動精度為±0.1mm；饋源旋轉(zhuǎn)角度精度為±0.1°。

現(xiàn)場安裝饋源支架時，借助激光跟蹤儀實現(xiàn)對饋源相位中心的高精度定位，單饋源模式饋源相位中心實際測量坐標值如圖8所示，其中旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點為坐標系原點。以導(dǎo)軌為測量基礎(chǔ)測量饋源安裝法蘭盤的旋轉(zhuǎn)跳動誤差，實際測量值為±0.05mm，滿足設(shè)計要求。

圖8 單饋源相位中心位置坐標

4 結(jié)論

本文研制的高精度、高可靠性、自動化的新型數(shù)控饋源支架系統(tǒng)具有以下特點：開發(fā)了可拆式偏饋角調(diào)整機構(gòu)，并利用滾動軸承降低摩擦力，方便調(diào)節(jié)；增加了饋源高精度旋轉(zhuǎn)功能，實現(xiàn)測量中單極化饋源極化方式的自動轉(zhuǎn)換及饋源連續(xù)旋轉(zhuǎn)功能；提供了現(xiàn)場和遠程兩種控制方式，方便使用。

經(jīng)現(xiàn)場裝調(diào)精度測試及實際使用效果表明，本文研制的新型數(shù)控饋源支架的定位精度和運動精度達到設(shè)計指標和使用要求，其不僅保證了饋源相位中心位置的準確性，還提高了緊縮場測試效率，增加了測試方式。

［1］Olver A D.Compact antenna test ranges［G］//Proceeding of the Seventh International Conference on Antennas and Propagation.［s.l.］：［s.n.］，1991：99-108.

［2］何國瑜.電磁散射的計算和測量［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］全紹輝.一個高性能單反射面緊縮場［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003，29（9）：767-769.

［4］Micheal W Shields，Alan J Fenn.A new compact range facility for antenna and radar target measurements［J］.Lincoln Laboratory Journal，2007，16：382-390.