一種雙頻天線俯仰連動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬萬壘

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

一種雙頻天線俯仰連動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬萬壘

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

天線座架的俯仰機(jī)構(gòu)帶動天線反射面做俯仰運(yùn)動，是滿足天線通信性能要求的重要部件。通過對傳統(tǒng)0.9m KaKu雙頻平板陣列天線俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，確定了雙頻平板天線新型俯仰連動機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。新型俯仰連動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，可操作性好，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，能有效解決現(xiàn)有天線俯仰機(jī)構(gòu)存在的不足，目前該新型機(jī)構(gòu)已經(jīng)在多個站型的天線上得到了應(yīng)用，效果良好。

俯仰機(jī)構(gòu)；連動；雙頻天線；結(jié)構(gòu)

隨著衛(wèi)星通信相關(guān)行業(yè)需求的不斷增加，衛(wèi)星通信技術(shù)獲得了快速發(fā)展。衛(wèi)通天線作為衛(wèi)通系統(tǒng)不可或缺的組成部分，其使用功能從靜中通到動中通，安裝平臺從固定站到車載、船載、機(jī)載等都有了快速發(fā)展。天線常用的通信頻段以 Ku、Ka、C、X等頻段的應(yīng)用較為廣泛，為了更好的滿足實(shí)際通信需求，一套天線常常覆蓋兩個或多個通信頻段，也就是雙頻或多頻天線。

天線座架主要功能是支撐固定天線反射面，其中天線座架的俯仰機(jī)構(gòu)帶動天線做俯仰運(yùn)動，是滿足天線通信性能要求的重要部件,尤其在機(jī)載或車載動中通雙頻天線的設(shè)計(jì)中，俯仰機(jī)構(gòu)的重要性尤為突出?，F(xiàn)有的機(jī)載或車載雙頻天線兩個天線反射面俯仰運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)多采用兩個天線面分別單獨(dú)驅(qū)動控制的方式，但在實(shí)際工程使用中，受到重量、安裝空間等一些因素影響，存在可實(shí)現(xiàn)性差，加工制作成本高，伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)繁瑣等多種不足。新型雙頻天線俯仰連動機(jī)構(gòu),一個電機(jī)可以同時驅(qū)動控制兩個天線面連動，其結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，加工制作成本低，伺服驅(qū)動控制簡便，可靠性高，能有效解決現(xiàn)有傳統(tǒng)天線俯仰機(jī)構(gòu)存在的不足。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)以某機(jī)載0.9m KaKu雙頻平板陣列天線為例，對天線座架俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，進(jìn)而確定其俯仰連動式天線座架設(shè)計(jì)方案。

1.1 傳統(tǒng)俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

傳統(tǒng)雙頻平板陣列天線座架俯仰機(jī)構(gòu)主要由俯仰支架、俯仰軸、俯仰驅(qū)動電機(jī)、俯仰齒輪、支座、機(jī)械限位等組成。

俯仰支架是整個俯仰機(jī)構(gòu)支撐和固定的基礎(chǔ)，加工時綜合考慮天線的使用精度、強(qiáng)度、重量、三防性能以及可加工性等因素，選用5A06防銹鋁板型材數(shù)控銑加工而成。

俯仰軸作為天線陣面俯仰運(yùn)動的回轉(zhuǎn)中心，是主要的承力件，選用綜合力學(xué)性能較好的40Cr圓鋼進(jìn)行加工，再進(jìn)行調(diào)制和氮化等處理后，可以很好的滿足使用要求。俯仰軸與俯仰支臂的支撐固定采用圓錐滾子軸承，可承受徑向力和軸向力，能夠滿足天線支撐的需要。

俯仰驅(qū)動鏈采用圓柱齒輪副來實(shí)現(xiàn)，齒輪傳動具有效率高、傳動平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、可調(diào)節(jié)齒隙等優(yōu)點(diǎn)。俯仰齒輪同樣采用綜合力學(xué)性能較好的40Cr鋼板加工而成。俯仰驅(qū)動電機(jī)采用maxon系列60W組合電機(jī)來驅(qū)動，經(jīng)過齒輪副傳動后，俯仰驅(qū)動輸出的最大轉(zhuǎn)速為18.9r/min，輸出最大力矩為31.7N·m，可以滿足天線面的俯仰運(yùn)動要求。俯仰驅(qū)動電機(jī)通過偏心套與俯仰支架連接固定，偏心套可以調(diào)整俯仰驅(qū)動鏈齒輪副的配合齒隙，從而保證傳動的平穩(wěn)性。由于兩個陣列天線面分別進(jìn)行驅(qū)動控制，所以就需要兩套獨(dú)立的俯仰驅(qū)動電機(jī)和齒輪傳動副，調(diào)整配合齒隙時也需要分別進(jìn)行調(diào)整。

支座將俯仰軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞到平板陣列天線，同樣采用40Cr鋼板加工而成，可以滿足其實(shí)際使用中的受力。

為了保證天線0～90°俯仰運(yùn)動的安全性，俯仰機(jī)構(gòu)增加俯仰機(jī)械限位。實(shí)際使用時機(jī)械限位通常采用具有一定減震作用的橡膠塊，但考慮到橡膠塊容易老化，壽命短，并且機(jī)械限位是起預(yù)防保護(hù)的作用，實(shí)際使用頻次很低，因此俯仰機(jī)械限位采用防銹鋁材質(zhì)，避免限位老化后失效問題。

按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的雙頻平板天線座架俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。兩個陣列天線面使用俯仰驅(qū)動鏈來分別進(jìn)行驅(qū)動，需要兩個驅(qū)動電機(jī)，兩個驅(qū)動鏈?zhǔn)窍嗷オ?dú)立的，運(yùn)動時互不影響，但需要分別調(diào)整齒隙。當(dāng)天線陣面作用到俯仰軸的力矩較大時，必須對兩個俯仰軸力矩分別進(jìn)行配平，以改善整個機(jī)構(gòu)的受力狀況，從而達(dá)到理想的使用狀態(tài)。

a)正面

b)背面圖1 傳統(tǒng)俯仰機(jī)構(gòu)外形圖

1.2 新型俯仰連動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

新型俯仰連動機(jī)構(gòu)是在傳統(tǒng)雙頻天線俯仰機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化改進(jìn)，將兩個相互獨(dú)立的驅(qū)動鏈進(jìn)行了合并，只需要一個俯仰驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)組成包括俯仰支架、俯仰軸、俯仰驅(qū)動電機(jī)、俯仰齒輪、支座、機(jī)械限位、連桿、連桿軸、支臂等，其結(jié)構(gòu)外形如圖2所示。

連動機(jī)構(gòu)的工作原理是以俯仰支架、俯仰齒輪、連桿以及支臂通過俯仰軸和連桿軸連接組成平行四邊形連動機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)動作時俯仰支架作為平行四邊形的一條長邊固定，驅(qū)動電機(jī)與俯仰齒輪嚙合傳動，將動力傳遞到俯仰齒輪，俯仰齒輪作為平行四邊形的一條短邊，為平行四邊形連動機(jī)構(gòu)提供動力。俯仰齒輪帶動連接Ka頻段天線的支座1繞俯仰軸1轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了Ka頻段天線的俯仰運(yùn)動。連桿是平行四邊形另一條長邊，俯仰齒輪同時通過連桿將運(yùn)動傳遞到支臂，支臂作為平行四邊形的另一條短邊，帶動連接Ku頻段天線的支座2繞俯仰軸2轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了Ka頻段天線的俯仰運(yùn)動。支座1在運(yùn)動時在運(yùn)動極限位置與限位塊接觸，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。其中連桿運(yùn)動時主要承受軸向的拉或壓應(yīng)力，選用5A06系列防銹鋁板加工就可以滿足使用要求，連桿軸和支臂作為主要的受力支撐件采用40Cr鋼加工而成。

新型俯仰連動機(jī)構(gòu)可以使Ka與Ku兩個頻段天線面同時做俯仰運(yùn)動，轉(zhuǎn)到速度相同，方向相反，兩個天線面夾角固定為天線俯仰運(yùn)動要求角度范圍上下限的差值。兩個頻段天線面只需要一個驅(qū)動電機(jī)通過一個驅(qū)動鏈來驅(qū)動，并且只調(diào)整一次齒隙，兩個俯仰軸需要配平時，配平其中一個即可。機(jī)構(gòu)更加簡便，可操作性更好。

a)正面

b)背面圖2 新型俯仰連動機(jī)構(gòu)外形圖

1.3 兩種設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)比較

傳統(tǒng)俯仰機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是兩個天線面各自獨(dú)立運(yùn)動互不影響，一個驅(qū)動電機(jī)發(fā)生故障無法工作時，不影響另外一個天線面的正常工作。缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)需要兩套齒輪嚙合傳動鏈，兩個驅(qū)動電機(jī)，所占空間大，成本高，可操作性不好，對應(yīng)伺服驅(qū)動控制程序較繁瑣。

新型俯仰連動機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是一個驅(qū)動電機(jī)通過一個傳動鏈同時帶動兩個天線面，結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，可操作性好，重量比傳統(tǒng)方案可減輕約1.1Kg，同時伺服驅(qū)動控制程序相對簡單。缺點(diǎn)是整個俯仰機(jī)構(gòu)一起連動，如果驅(qū)動電機(jī)發(fā)生故障，則兩個天線面都不能正常工作。

這兩種俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但相比較而言新型俯仰連動機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)較多，并且對于其缺點(diǎn)，在實(shí)際使用中可以選用可靠性較高的俯仰驅(qū)動電機(jī)來進(jìn)行彌補(bǔ)。因此綜合考慮新型俯仰連動機(jī)構(gòu)各方面的實(shí)用性都較高，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行使用。

2 機(jī)構(gòu)受力分析

新型俯仰連動機(jī)構(gòu)是對傳統(tǒng)俯仰機(jī)構(gòu)的簡化改進(jìn)，機(jī)構(gòu)各部分的受力狀況也相應(yīng)發(fā)生了變化。俯仰驅(qū)動電機(jī)作為機(jī)構(gòu)的動力輸出來源，由原來的兩個俯仰驅(qū)動電機(jī)分別各自驅(qū)動兩個天線面，變?yōu)橐粋€俯仰驅(qū)動電機(jī)同時驅(qū)動兩個天線面，俯仰驅(qū)動電機(jī)的輸出力矩是否足夠，對其所需力矩進(jìn)行比較分析是很有必要的。

a) 傳統(tǒng)方案

b) 連動方案

驅(qū)動電機(jī)未工作時，兩種機(jī)構(gòu)自由狀態(tài)下受力簡圖如圖3所示，其中M1和M2分別為Ka和Ku頻段天線面對俯仰軸的力矩，F(xiàn)1和F2為連動機(jī)構(gòu)的連桿所受的軸向力，h為F1和F2到俯仰軸的力臂。在不考慮摩擦力的前提下有，F(xiàn)1=M1/h，F(xiàn)2=M2/h。

對于傳統(tǒng)方案俯仰機(jī)構(gòu)而言，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時俯仰電機(jī)需要滿足的條件是驅(qū)動力矩不小于M1和M2中較大的一個，即：M傳統(tǒng)電機(jī)≥[ M1，M2]max。

對于新型俯仰連動方案，當(dāng)F1>F2時，Ka天線面下轉(zhuǎn)，Ku天線面上轉(zhuǎn)；當(dāng)F1

兩種機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時需要的電機(jī)驅(qū)動力矩進(jìn)行比較，可以看出二者之間的關(guān)系為：M傳統(tǒng)電機(jī)≥M連動電機(jī)。所以新型俯仰連動機(jī)構(gòu)盡管一個驅(qū)動電機(jī)同時驅(qū)動兩個天線面，但相對來說機(jī)構(gòu)需要的驅(qū)動力矩反而較小，完全可以滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)對驅(qū)動力矩的要求。并且連動機(jī)構(gòu)是一個整體，零部件關(guān)聯(lián)度比較高，受力也比較均勻，穩(wěn)定性好，對滿足其強(qiáng)度剛度要求也是很有利的。新型俯仰連動機(jī)構(gòu)方案應(yīng)用到實(shí)際是可行的。

3 結(jié)束語

新型俯仰連動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，受力狀況好，加工制作成本低，伺服驅(qū)動控制簡便，能有效解決現(xiàn)有傳統(tǒng)俯仰機(jī)構(gòu)存在的不足。對機(jī)載0.9m KaKu雙頻平板陣列天線俯仰連動機(jī)構(gòu)的可行性進(jìn)行分析，為后續(xù)其他站型雙頻平板天線俯仰連動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了切實(shí)可行的參考方案。

[1] 孫桓，陳作模．機(jī)械原理(第六版)[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[2] 馬萬壘，張立軍，等. 一種雙頻天線俯仰連動機(jī)構(gòu).中國，實(shí)用新型，專利號：ZL201520972184.8. 2016.5.

[3] 成大先，王德夫，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,第3卷[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

The design of a dual-band antenna pitch linkage mechanism

MA Wan-lei

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The pitch mechanism of antenna pedestal drives the antenna reflector to be pitching motion, which is an important part to satisfy the antenna communication performance. Based on the analysis of structure design scheme of the traditional 0.9 meter KaKu dual-band planar array antenna, to determine the detailed design scheme of new pitch linkage mechanism. The new pitch linkage mechanism has the advantages of simple structure, low cost, good operability, light weight and so on, can effectively solve the problems of existing antenna pitch mechanism, the new mechanism has been applied on multiple station antenna, the effect is good.

Pitch mechanism; Linkage; Dual-band antenna; Structure

2017-02-11

馬萬壘(1983-),男，河北懷安人，工程師，主要從事天線機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

1001-9383(2017)01-0057-05

TP821.6

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