用于可重構(gòu)天線的高精密作動(dòng)器研究 ①

江水東，侯仰青，柏宏武，2，曹子龍

(1.航天躍盛(杭州)信息技術(shù)有限公司上海分公司，上海 200240；2.浙江大學(xué) 工程師學(xué)院，杭州 310000)

0 引言

現(xiàn)代通訊中，隨著雷達(dá)和通訊系統(tǒng)的不斷發(fā)展，天線數(shù)量越來(lái)越多。為了減少天線的數(shù)量及其引起的互相干擾，要求單天線發(fā)揮多功能的作用。平面反射陣天線[1-3]是相控陣天線的另外一種形式，工作模式靈活多變，能夠?qū)崿F(xiàn)快速賦形、波束掃描、多波束形成，有望承接空間監(jiān)測(cè)及追蹤等任務(wù)。當(dāng)前普遍使用和應(yīng)用的天線主要包括反射面天線技術(shù)和相控陣天線技術(shù)。然而，它們的輻射性能、掃描速度、基本結(jié)構(gòu)、體積、功耗、制備成本等都存在一定的差異。

拋物面反射器大質(zhì)量，相控陣天線效率低等問(wèn)題難以解決。自19世紀(jì)90年代，平面反射陣天線引起廣泛的關(guān)注和研究。作為一種新的天線技術(shù)，它具有高增益、高效率和高性能的特點(diǎn)，未來(lái)可應(yīng)用于深空探測(cè)、空間遙感、星際通訊以及其他領(lǐng)域。該天線技術(shù)結(jié)合了拋物面天線和相控陣天線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用空間饋源技術(shù)以及單元相位靈活可調(diào)，具有輻射效率高、低功耗、大掃描角度、單元相位易調(diào)、重量輕、成本低以及控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)波束靈活掃描以及獲得較高天線的效率或增益，要求反射陣天線的每個(gè)天線單元相位獨(dú)立可控。旋轉(zhuǎn)天線單元或改變單元的相對(duì)位置，可以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)各天線單元獨(dú)立可控，每個(gè)單元都需要一個(gè)執(zhí)行器。當(dāng)前單元相位調(diào)節(jié)主要有旋轉(zhuǎn)單元、改變單元尺寸大小、改變單元垂直距離及改變單元貼片的相對(duì)介電常數(shù)四種形式。本文重點(diǎn)研究基于旋轉(zhuǎn)單元的相位調(diào)節(jié)方法。

本文采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)天線單元，為了實(shí)現(xiàn)360°全相位調(diào)節(jié)，需要執(zhí)行器能夠在0°～180°或±90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。考慮集成度和空間限制，要求執(zhí)行器具有較小的體積和較輕的重量。由于陣列單元數(shù)量較多，散熱也將成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，要求執(zhí)行器具有較低的功耗。傳統(tǒng)的執(zhí)行器有很多致命缺點(diǎn)，因此不能用于反射陣天線上，例如傳統(tǒng)電磁電機(jī)[4-5]具有較大的體積、較大的質(zhì)量、較高的功耗以及較多的控制線?；谛螤钣洃浐辖鹦D(zhuǎn)執(zhí)行器[6-8]需要較長(zhǎng)的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間，導(dǎo)致較低的旋轉(zhuǎn)速度。電激活聚合物[9-10]具有較大的體積，且旋轉(zhuǎn)角度較大時(shí)，需要大激勵(lì)電壓。廣泛使用的超聲馬達(dá)[11-15]，盡管它們具有較小的體積，較低的輸入電壓(功耗)，但是具有轉(zhuǎn)速低且要求高性能的伺服系統(tǒng)。本文提出了一種針對(duì)該反射陣天線技術(shù)而開發(fā)的一款體積小、重量輕、功耗低、響應(yīng)速度快以及控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的執(zhí)行器，解決了當(dāng)前執(zhí)行器響應(yīng)速度慢、功耗高、控制系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題。

1 精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

本文研究的相位調(diào)節(jié)作動(dòng)器是基于壓電雙晶片和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。壓電材料具有電致響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，與齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)組合后能夠輸出較大的角度位移。由于壓電雙晶片在電激勵(lì)條件下，通過(guò)壓電材的彈性形變實(shí)現(xiàn)位移量輸出，撤銷外激勵(lì)電壓時(shí)，雙晶片能夠恢復(fù)到激勵(lì)前的位置。因此在相位調(diào)節(jié)過(guò)程中不需要復(fù)雜的伺服系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)高精度相位調(diào)節(jié)。

當(dāng)激勵(lì)電壓或電流施加到壓電材料上時(shí)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)[16-19]，能夠快速發(fā)生變形，且壓電材料形成的壓電片具有一定的剛度，因此選擇壓電材料用于制備執(zhí)行器的主動(dòng)單元。本文設(shè)計(jì)了基于杠桿放大機(jī)制的壓電執(zhí)行器，基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。它主要包括壓電雙晶片、微齒輪、扇形齒輪、輸出軸及軸承等。壓電雙晶片作為懸臂梁結(jié)構(gòu)，它能夠提供輸出軸旋轉(zhuǎn)時(shí)需要的力和位移。當(dāng)電壓加載到雙晶片上時(shí)，雙晶片的尾端會(huì)產(chǎn)生一定的撓度，如圖1(b)所示。微型齒輪和扇齒用于將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且扇形齒輪起杠桿作用，用于將小位移放大。

(a)執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)

為了提高結(jié)構(gòu)剛度以及減小或消除因受力不平衡引起的齒輪間嚙合間隙和卡齒，設(shè)計(jì)了具有對(duì)稱雙晶片結(jié)構(gòu)的執(zhí)行器，如圖1(c)所示。與雙晶片尾端相連接的齒條，通過(guò)齒輪傳動(dòng)的方式將雙晶片尾端的線性直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。尾端齒條的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒輪的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)之前研究[20]，雙晶片尾端上下位移輸出量與它自身的長(zhǎng)度呈正比關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)齒輪的分度圓直徑確定后，雙晶片的長(zhǎng)度就決定了齒輪的旋轉(zhuǎn)角度。為了獲得較大的輸出角度，需要雙晶片具有較大的上下位移輸出量及較小的齒輪分度圓直徑。考慮制備及裝配成熟度，采用了分度圓直徑為2.5 mm的齒輪。對(duì)于X波段反射陣天線單元，為了提高天線單元的輻射效率，天線單元在陣面X和Y方向上單元間距為18 mm。為了有效的增加雙晶片的長(zhǎng)度，執(zhí)行器在陣列單元之間采用對(duì)角安裝，采用這種方法后，執(zhí)行器的有效長(zhǎng)度增大到22 mm。

使用有限單元法計(jì)算了雙晶片尾端的上下位移量輸出，結(jié)果如圖1(b)所示。為了保證壓電片的使用壽命，輸入電壓被限制在150 V范圍內(nèi)。當(dāng)輸入激勵(lì)電壓為150 V時(shí)，尾端輸出位移達(dá)到145 μm。同樣，可以采用有限單元法計(jì)算雙晶片作動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)分布，如圖2所示，在加載上述電壓載荷下，最大應(yīng)力達(dá)到120 Mpa，該應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。

圖2 最大電壓載荷下雙晶片的應(yīng)力場(chǎng)分布

當(dāng)雙晶片尾端輸出145 μm時(shí)，微齒輪的旋轉(zhuǎn)角度為6.65°。為了獲得±90°旋轉(zhuǎn)角度，雙晶片尾端小位移需要放大，通過(guò)計(jì)算放大倍數(shù)為13.5，為了保證旋轉(zhuǎn)角度，采用了14倍的放大倍數(shù)。如圖3所示，位移放大機(jī)構(gòu)由齒輪及扇齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

圖3 旋轉(zhuǎn)角度放大機(jī)構(gòu)

通過(guò)有限單元法計(jì)算了執(zhí)行器的響應(yīng)時(shí)間。如圖4所示，執(zhí)行器的輸出角度響應(yīng)時(shí)間為0.15 s。為了提高角度輸出速度，設(shè)計(jì)了對(duì)稱多層雙晶片作為執(zhí)行器的執(zhí)行單元。

圖4 單層對(duì)稱式執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)間計(jì)算

通過(guò)有限單元法計(jì)算了壓電片層數(shù)與響應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系，如圖5(a)所示，雙晶片層數(shù)越多響應(yīng)時(shí)間越短，4層時(shí)響應(yīng)時(shí)間為60 ms。如圖5(b)所示，輸出位移隨著層數(shù)的增加而略有減少，另外，雙晶片層數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器體積變大，因此，設(shè)計(jì)了3層雙晶片結(jié)構(gòu)的執(zhí)行器。如圖6所示，執(zhí)行器的輸出位移與激勵(lì)電壓呈現(xiàn)線性比例關(guān)系，執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中最大應(yīng)力為120 Mpa，分布在雙晶片與連接板交叉處，應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。設(shè)計(jì)執(zhí)行器外殼用于保護(hù)雙晶片及運(yùn)動(dòng)傳遞系統(tǒng)免于破壞、提供輸出軸位置定位，且作為PZT共負(fù)電極。最終，執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為如圖7所示的結(jié)構(gòu)，基本尺寸為150 mm×10 mm×15 mm。

(a)位移與電壓之間的關(guān)系

圖7 執(zhí)行器基本結(jié)構(gòu)

2 高精度制備與裝配

采用精密加工工藝和MEMS工藝實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行器的制備。雙晶片由PZT和GFRC組成，GFRC材料具有較高的剛度、絕緣以及低密度等特性可被用于雙晶片的制備。PZT與GFRC通過(guò)載銀導(dǎo)電膠實(shí)現(xiàn)黏接。其中銀層通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備。PZT和GFRC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)激光刻蝕的方式實(shí)現(xiàn)。

(a)制備流程

執(zhí)行器的制備和裝配工藝如圖8(a)所示，主要分為8個(gè)步驟：步驟1中，通過(guò)上述工藝制備雙晶片；步驟2中，銅材料具有較好的導(dǎo)電性且易于成型，被用于制備執(zhí)行器的外殼。由于雙晶片的輸出位移量較小，使用傳統(tǒng)機(jī)加工工藝在外殼上制備雙晶片夾槽會(huì)出現(xiàn)加工面不垂直，以及加工過(guò)程中由于高溫而引起的塑形形變，會(huì)引起對(duì)稱雙晶片與外殼的后續(xù)裝配精度不高，導(dǎo)致裝配的執(zhí)行器出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。通過(guò)不斷摸索以及嘗試，使用慢走絲方式能夠?qū)崿F(xiàn)夾槽的高精度加工；步驟3中，齒輪通過(guò)銑齒機(jī)實(shí)現(xiàn)制備，輸出軸及螺栓分別通過(guò)走心機(jī)及微型精密機(jī)床完成制備；步驟4中，在PZT電極上焊接銅導(dǎo)線；步驟5中；完成雙晶片與齒條的裝配；步驟6中，將裝配好的雙晶片和直齒條黏接到執(zhí)行器殼體上。初始使用螺栓和壓塊的方式實(shí)現(xiàn)雙晶片與外殼的連接，然而雙晶片的位置中心受到螺栓力的影響比較大，難以得到保證。后續(xù)采用導(dǎo)電膠、結(jié)構(gòu)固化膠以及安裝工裝實(shí)現(xiàn)雙晶片與外殼的高精度裝配；步驟7中，通電實(shí)現(xiàn)多次往復(fù)擺動(dòng)，目的是去除裝配應(yīng)力，避免直接安裝后終端輸出軸左右往復(fù)旋轉(zhuǎn)角度大小不等。步驟8中，裝配其他剩余部件，最終裝配完成的執(zhí)行器如圖8(b)所示，最終尺寸為50 mm×10 mm×15 mm。

3 位移響應(yīng)測(cè)試

對(duì)制備完成的執(zhí)行器進(jìn)行性能測(cè)試。如圖9(a)所示，搭建的測(cè)試裝置由量角器和指針構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)角度和輸入電壓測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，0～150 V間隔10 V的輸入電壓施加到執(zhí)行器上。圖中黃色線為一組電壓控制器，紅色為另外一組。它們被連到電源的正極，執(zhí)行器殼體被連接到電源的負(fù)極。當(dāng)交替施加直流電壓到其中的一組導(dǎo)線，執(zhí)行器指針能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。標(biāo)定數(shù)據(jù)為三次測(cè)量數(shù)據(jù)平均值。測(cè)試結(jié)果如圖9(b)所示，旋轉(zhuǎn)角度和輸入電壓之間的關(guān)系近似線性，旋轉(zhuǎn)角度隨著電壓的增加而變大，當(dāng)輸入電壓為150 V時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到100°。同時(shí)，當(dāng)相同電壓加載到另外一組導(dǎo)線上時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度會(huì)達(dá)到-100°。因此，交替給不同組導(dǎo)線施加電壓時(shí)，執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度會(huì)達(dá)到±90°范圍。如圖9(c)所示，平均值與三組值的最大偏差角度為2°，遠(yuǎn)高于X波段3比特45°的角度精度要求。

(a)測(cè)量裝置

快速相機(jī)用于測(cè)量執(zhí)行器的角度輸出響應(yīng)時(shí)間。如圖10所示，執(zhí)行器未帶負(fù)載條件下，當(dāng)輸入電壓為150 V時(shí)，執(zhí)行器的角度響應(yīng)時(shí)間為8 ms。因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度低于±100°時(shí)，角度響應(yīng)時(shí)間會(huì)低于8 ms。通過(guò)扭矩=角加速度*轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，換算執(zhí)行器角度響應(yīng)過(guò)程中的平均輸出轉(zhuǎn)矩為1.8 N·mm。

圖10 執(zhí)行器角度響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

4 結(jié)論

本文主要講述了一種可用于圓極化可重構(gòu)反射陣波束掃描天線的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。設(shè)計(jì)了基于雙晶片的具有齒輪傳動(dòng)機(jī)制及杠桿放大機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器。雙晶片提供驅(qū)動(dòng)力和位移，齒輪傳動(dòng)機(jī)制將雙晶片尾端的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，杠桿放大機(jī)制將小位移放大。根據(jù)天線單元的空間尺寸，設(shè)計(jì)及優(yōu)化后的執(zhí)行器基本尺寸為50 mm×10 mm×15 mm。采用精密機(jī)械加工工藝實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行器的制備，并完成了各零部件之間的裝配。對(duì)制備的執(zhí)行器進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果顯示輸入電壓與輸出位移之間近似線性關(guān)系。對(duì)兩組雙晶片交替施加激勵(lì)電壓時(shí)，執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到±100°，滿足單元貼片相位調(diào)節(jié)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的要求，且與有限單元法分析相一致。采用多次測(cè)量取平均值的方式進(jìn)行執(zhí)行器角度——輸入電壓標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)值中與多次測(cè)量值之間的最大偏差為2°，遠(yuǎn)小于角度精度要求。執(zhí)行器負(fù)載為指針的情況下，輸入 電 壓 為 150 V時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度100°需要8 ms，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度越小需要的時(shí)間越短。對(duì)于安裝單元貼片后的執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)間會(huì)做進(jìn)一步研究。

因此，開發(fā)的基于雙晶片的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器具有較小的體積、較大的旋轉(zhuǎn)角度、較快的響應(yīng)時(shí)間，可被應(yīng)用于大角度波束掃描天線。