高精度調(diào)整技術(shù)在大型天線陣面上的應用研究*

方紅梅，鐘劍鋒，徐文華，保 宏

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 西安電子科技大學， 陜西 西安 710071)

引 言

隨著現(xiàn)代雷達越來越趨于高集成、高精度、大型化的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的剛性連接方式很難滿足精度要求，迫切需要尋求一種新的解決途徑。與此同時，綜合考慮雷達的使用需求及制造成本，分塊拼裝成為必然趨勢。通過安裝自動調(diào)整機構(gòu)來實現(xiàn)超大口徑天線陣面保型已經(jīng)成為未來發(fā)展的主要手段。如美國GBT 110 m ×100 m口徑天線將整個陣面分割為兩千多個小陣面，采用2 209個作動器實現(xiàn)大仰角下陣面保型[1]。上海65 m射電望遠鏡主反射面被分割為一千多個小塊，通過主動面調(diào)整技術(shù)補充因重力、溫度等因素帶來的反射面變形，使天線在所有的觀測頻率上都能獲得最高的接收效益。本文提出的多自由度精細調(diào)整機構(gòu)，旨在實現(xiàn)天線陣面位置和姿態(tài)的多自由度調(diào)節(jié)，在一定范圍內(nèi)抵消裝配加工環(huán)節(jié)造成的固定誤差，并進一步實現(xiàn)不同俯仰狀態(tài)下的精度調(diào)節(jié)，補償因重力、溫度等因素造成的呈周期性變化的變形，從而提高天線陣面精度，滿足雷達系統(tǒng)對天線陣面的精度要求[2]。

1 研究平臺構(gòu)建

1.1 研究平臺的系統(tǒng)組成

本文以某型雷達為依托，選取天線陣面的典型分塊進行研究。與Stewart并聯(lián)機構(gòu)的基本構(gòu)型一致，研究平臺的主體包含3大組成部分：承力骨架、天線陣面以及兩部分之間的調(diào)整機構(gòu)，分別對應Stewart并聯(lián)機構(gòu)的定平臺、動平臺以及兩個平臺之間的可變撐桿，如圖1所示。

調(diào)整機構(gòu)有2大功能：對安裝面板進行支撐和固定；對安裝面板進行精細調(diào)節(jié)，使天線反射面達到所要求的平面精度。調(diào)整機構(gòu)和承力骨架及天線陣面之間通過胡克鉸/球鉸連接，實現(xiàn)不同角度的自適應調(diào)節(jié)。

圖1 Stewart機構(gòu)及研究平臺主體對照圖

除了由天線陣面構(gòu)建形成的平臺主體之外，研究平臺還包括專用控制器、數(shù)據(jù)測量和處理系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 研究平臺的系統(tǒng)組成

1.2 調(diào)整機構(gòu)設計選型

高精度調(diào)整機構(gòu)作為研究平臺的重要組成部分，其設計選型有以下幾個難點：

1)機構(gòu)鉸接點位置和天線陣面的具體結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，且直接影響整體結(jié)構(gòu)的力學性能；

2)機構(gòu)兼具天線陣面的結(jié)構(gòu)支撐及精度調(diào)整功能，尋找合適的機構(gòu)參數(shù)難度很高；

3)天線陣面在不同俯仰角度下的機構(gòu)間隙直接影響調(diào)整精度。

考慮采用不同的方法解決上述問題。天線陣面在重力作用下產(chǎn)生變形，并隨著6個支點位置變化。對于支點位置的選取，采用多離散變量優(yōu)化算法，按以下幾個步驟對其進行優(yōu)化[3]：

1)根據(jù)天線陣面的具體結(jié)構(gòu)，結(jié)合調(diào)整機構(gòu)的分布進行優(yōu)化，確定機構(gòu)支點位置；

2)分析得到機構(gòu)支桿的原始長度和最大載荷，從而指導機構(gòu)選型；

3)根據(jù)機構(gòu)參數(shù)進行機構(gòu)合理性分析和誤差分析；

4)采購并裝配，構(gòu)建研究平臺系統(tǒng)；

5)對天線陣面的不同俯仰工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，得到一系列數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)表格；

6)天線陣面工作時進行精度補償。

研究平臺的調(diào)整機構(gòu)布局如圖3所示，圖中的小十字符號表示骨架縱橫梁交叉點的幾何中心。

圖3 調(diào)整機構(gòu)布局投影圖

2 研究平臺的指標分析

2.1 研究平臺的誤差分析

天線陣面受自重、風載等外載荷的作用，其表面必然產(chǎn)生誤差，使實際形狀偏離其理想設計形狀。要想保證天線陣面獲得較高的結(jié)構(gòu)精度，在傳統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)設計過程中就需要將各級誤差層層分配并嚴格加以控制，從而達到能實現(xiàn)的最高精度，但往往需要付出過高的代價。因此，在工程中應根據(jù)相控陣天線的主要性能指標，分別對天線在各個方向的精度提出經(jīng)濟性的要求[4-5]。

在大口徑平面的機械加工、陣面分塊的拼接、自重和環(huán)境溫度變化等因素影響下，要保證很高的陣面精度，這給天線陣面的結(jié)構(gòu)設計帶來了極大的挑戰(zhàn)。

若按照傳統(tǒng)的硬連接模式，則天線陣面的平面精度分配見表1。天線陣面整體平面精度為1.6 mm。

表1天線陣面平面精度分配(硬連接) mm

序號誤差環(huán)節(jié)加工拼裝重力溫度平面度數(shù)值1天線單元0.10———0.102安裝面板0.200.60.350.300.803陣面骨架0.501.00.800.151.40

從表1中的數(shù)據(jù)不難看出，最終獲得的平面精度難以滿足高頻段天線陣面的使用要求(≤1mm)。引入精細調(diào)整機構(gòu)之后，可大大減少影響天線陣面平面度的誤差環(huán)節(jié)，有效提高天線陣面的平面精度。

引入調(diào)整機構(gòu)后，天線陣面的精度分配見表2。天線陣面整體平面精度為0.6 mm。

表2天線陣面平面精度分配(調(diào)整) mm

序號誤差環(huán)節(jié)加工拼裝重力溫度平面度數(shù)值1天線單元0.1———0.12安裝面板—0.40.350.30.63陣面骨架—————

綜合考慮各種因素對天線陣面平面度影響的敏感度和工程實現(xiàn)的難易程度，對研究平臺主體試驗陣面的各環(huán)節(jié)精度進行表3所示的分配。試驗陣面整體平面精度為0.9 mm。

表3試驗陣面精度分配mm

序號影響因素平面度數(shù)值備注1天線單元溫度、重力變形0.5仿真優(yōu)化2安裝面板制造誤差0.3制造精度控制3陣面骨架裝配誤差0.5調(diào)整機構(gòu)調(diào)整4測量誤差0.1

2.2 研究平臺的有限元分析

為了進一步驗證調(diào)整機構(gòu)對試驗陣面整體結(jié)構(gòu)的剛度貢獻，對陣面進行有限元模型分析，分為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°這7個工況進行分析。

為了使有限元分析結(jié)果更趨近于真實，在進行每個工況下的有限元分析時，將該工況下位姿平衡時各個支腿的受力作為預應力加入到有限元模型中，該預應力的大小在Stewart機構(gòu)分析時得到。分析數(shù)據(jù)見表4，其中有限元模型和仰天工況(90°)的變形云圖如圖4所示。

表4各工況數(shù)據(jù)匯總表mm

工況原始面正向最大位移原始面負向最大位移擬合面正向最大位移擬合面負向最大位移擬合面平面度RMS0°11.022-11.3490.3438-0.22700.102215°10.111-11.7470.3390-0.15780.077030°8.511-11.3450.4670-0.13330.071645°6.332-10.1710.5633-0.13720.090760°3.720-8.3020.6211-0.22250.120175°0.856-5.8680.6367-0.34020.148490°0.572-4.8560.6088-0.43480.1704

圖4 有限元模型和仰天工況變形云圖

從上述數(shù)據(jù)可以看出，在0°～90°角度范圍，天線陣面擬合平面度≤0.18 mm，擬合面相對于原始理論面的最大位移≤0.5 mm。

3 試驗過程與記錄

3.1 試驗步驟

研究平臺的精細調(diào)整試驗按以下步驟進行：

1)建立模型，復核研究平臺系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的累積誤差；

2)計算得到調(diào)整機構(gòu)期望的工作空間；

3)結(jié)合研究平臺主體天線陣面安裝要求，進行調(diào)整機構(gòu)選型；

4)分析調(diào)整機構(gòu)工作空間的奇異性；

5)將調(diào)整機構(gòu)裝配到位；

6)進行平臺主體天線陣面姿態(tài)調(diào)節(jié)，測量不同姿態(tài)下的調(diào)整精度；

試驗對應的控制流程如圖5所示。

圖5 試驗控制框圖

3.2 試驗記錄和結(jié)論

驅(qū)動天線陣面作不同俯仰角度的轉(zhuǎn)動，利用專用控制器使調(diào)整機構(gòu)的幾個支桿呈現(xiàn)不同的伸縮長度，實現(xiàn)天線陣面的精細調(diào)整[6-7]，并實時測量天線陣面預設采樣點的實際坐標數(shù)據(jù)，從而得到不同俯仰角度下天線陣面的精度[8]。試驗記錄見表5。

表5 研究平臺驗收表

試驗結(jié)果表明，針對大型天線陣面(質(zhì)量4 t、外形近似5 m × 5 m)，連續(xù)調(diào)整范圍為-2.5～2.5 mm(可根據(jù)需要進一步擴大)，位置精度在0.18 mm以內(nèi)，指向角度精度在0.25 mrad以內(nèi)。

根據(jù)上述試驗過程及記錄的數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：

1)加裝高精度調(diào)整機構(gòu)可以有效提高天線陣面多姿態(tài)、多自由度精度；

2)調(diào)整精度滿足高頻段大型天線陣面的工作要求；

3)可形成各個工況下的測量數(shù)據(jù)庫，進行實時調(diào)整，實現(xiàn)更高的精度要求；

4)可結(jié)合天線陣面的實際結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的調(diào)整機構(gòu)構(gòu)型，滿足適裝性要求；

5)在此基礎上結(jié)合電指標測試，可進一步降低系統(tǒng)誤差，獲得更高的作用精度。

4 結(jié)束語

本文研究的高精度調(diào)整機構(gòu)能夠滿足大型天線陣面的高精度調(diào)節(jié)要求，在天線陣面的誤差空間內(nèi)進行精細調(diào)整，釋放加工、裝配環(huán)節(jié)的部分精度要求，從而獲得更高的經(jīng)濟效益和精度目標。

本文為天線陣面的高集成、大型化提供了一種全新的思路，可作為一項共性技術(shù)，廣泛應用于各種頻段、多種結(jié)構(gòu)口徑(尤其是分布式)天線陣面中，在今后的巨型相控陣雷達的研制、深空探測等領(lǐng)域都有著積極的工程指導意義[9]。

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