测向天线展开机构设计

李聪聪

（河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050081）

在无线电导航、电子侦察、电子跟踪和电子对抗等电子系统中，一个很重要的任务是测定目标的方位［1］。为了准确的寻找、跟踪目标需要一种天线实现这个功能，这种天线的波束覆盖要广，能实现这种功能的天线只有测向天。通过几个测向天线可以组成天线阵列，能增大波速的覆盖区域，更准确、快速的寻找、跟踪目标。天线阵列测向天线应用越来越广。作为车载天线由于机动性越来越强，对天线结构的要求也越严格，尤其是天线的尺寸越来越大，对天线的收藏、展开机构的使用就提出了较高的要求。本文将对测向天线展开机构结构分析和设计。

1 展开机构结构分析

测向天线采用五阵源结构形式，天线展开机构主要有固定桁架、多连杆机构、驱动装置、滑块机构、控制系统等组成。驱动装置、滑块机构通过多连杆机构与固定桁架连接而成，通过控制系统来实现天线的收藏、展开。

图1 固定桁架结构示意图

1.1 固定桁架

固定桁架由桁架接头、横撑杆、斜拉杆、安装法兰、腹杆、防护圈、中心架等组成。固定桁架作为多连杆机构中的机架，是天线展开机构的基础，通过安装法兰与电动升降杆连接。中心架、桁架接头、腹杆组成是组成多连杆机构机架的最基本元件，形成5 星放射状结构，但此结构为悬臂结构，端部的变形及根部受力大，尤其在行车状态时，问题更为突出。为改善腹杆的受力状态，在中心架与桁架之间增加了斜拉杆，在两桁架接头之间增加了横撑杆，形成可靠的桁架结构，以满足在运载车辆车行进时的强度要求，结构如图1所示。

1.2 多连杆机构

多连杆机构由大齿圈、机架、连杆Ⅰ、曲柄、连杆Ⅱ、滑块、挺杆、振子等组成。电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿圈绕中心架（机架）转动，连杆Ⅰ推动曲柄转动，使阵元展开或收藏，而连杆Ⅱ拉动滑块在曲柄轴上滑动，使得挺杆带动振子展开或收藏。大齿圈均布5个连杆Ⅰ的连接铰点，从而使得电机驱动大齿圈转动时，大齿圈可以同时带动5套相同的多连杆机构使振子展开（收藏）。结构如图2所示。

图2 多连杆机构结构示意图

1.3 驱动装置

驱动装置由电机安装支架、大齿圈、小齿轮、电机等组成，通过电机安装架与中心架连接，驱动装置由直流电机提供源动力，经两级减速器带动小齿轮转动，从而驱动大齿圈转动，使之成为曲柄摇杆机构的主动件。结构如图3所示。

1.4 滑块结构

天线要求在室外使用，由于与滑块配合的轴没有防护，长期裸露在外面，轴表面会附着灰尘，结构如果不做相关设计，在使用中摩擦阻力会增大，直至使机构无法正常工作。为此滑块内镶有带沟槽的滑动套，这样落在轴上的灰尘会在滑块运动过程中从沟槽内带出，从而保证滑块可长时间在室外使用。滑块结构如图4所示。

图3 驱动装置结构示意图

图4 滑块结构示意图

1.5 控制系统

控制系统主要实现对电机正、反转的控制，以使多连杆机构实现展开、收藏作业。另外系统中还设有设备状态检测、安全保护等功能，具体如下：

安全保护：系统中设有过流保护，保护电机在机构发生异常时，不会因为电流过大而烧毁电机；

设备检测：控制系统在带电的状况下，通过状态指示灯，可以知道天线当前处于何种状态；

过程显示：系统中设有过程指示灯，可以在机构工作过程中了解进程状况。

2 主要技术分析

2.1 工作原理

图5 天线收藏示意图

天线展开机构在固定桁架上通过多连杆机构把驱动装置、滑块机构和五个阵源连接在一起。由控制系统控制电机正、反转，通过多连杆机构、滑块机构实现折臂和阵源的折叠展开，从而实现测向天线的收藏、展开。机构同时还利用蜗轮、蜗杆传动的自锁性，使天线展开机构无论在展开、收藏状态均可长时间保持姿态收藏如图5所示，展开如图6所示。

2.2 定位精度分析

图6 天线展开示意图

在天线展开、收藏时采用限位开关来控制电机的转动。在展开状态时限位开关显示展开到位后通过蜗轮、蜗杆传动的自锁性控制无阵源精确到位，展开后直径可控制在5m 以内，误差达到2mm。在收藏状态时，由于运载车辆要进行机动转移，天线阵源将产生大幅度的颤动，桁架接头受力状态很不理想。为改善桁架接头的受力状态，结构设计时，在振子外盒设计一U 形槽结构，使其在收藏状态可以导入相邻的桁架接头的定位块内，这样在收藏状态时，天线单元形成简支结构，从而改善车行进时桁架接头的受力状态。收藏后直径可控制在2.5m 以内，有效缩小了安装空间。

2.3 材料介绍

在本机构中除中心架、传动元件使用铝合金外，其余元件材料均采用非金属材料，采用非金属材料有两点原因：一是满足电讯要求，二是降低系统重量。

桁架的杆件采用玻璃钢管，主要因为玻璃钢这种材料耐候性能好，弹性模量大，具有很好的刚性，以玻璃钢管做为桁架结构的杆件，既可以保证桁架的刚、强度，同时重量也轻。

桁架接头等存在运动关系的构件均采用聚甲醛制作，聚甲醛不仅具有良好的耐候性而且具有一定的自润滑性，可以使多连杆机构长期保证运动自如，减少日常维护。

3 测向天线展开机构结的“死点”分析

机构的卡死点指当机构运动到某些特殊位置时，机构系统中某个或几个运动件会出现运动方向的不确定性，或者不能运动，该特殊位置也称为机构的奇异性［4］。

测向天线展开机构的展开过程是一个空间运动，它有水平滑动也有垂直升降运动。把两根支撑天线阵子的连杆、横臂与固定框架上的横撑杆看成一个三角形，则测向天线展开机构的展开运动就可以看作一种平面机构来分析。现在通过拓扑图及其矩阵来分析运动参数，测向天线展开机构的拓扑图见图7，测向天线展开机构的闭环矢量图见图8。

图7 展开机构的拓扑图

图8 展开机构的闭环矢量图

由图7、图8可见，测向天线展开机构由一个闭链A－B－C－D－A 组成，其驱动连杆A－B的长度为L1，与辅助支杆L4的转角为Φ1，天线阵子的转角为Φ2。在整个机构中，通过L1长度的改变，从而改变转角Φ1和Φ2的度数。在测向天线展开机构中，各矢量在X轴和Y轴方向的投影代数和为零［4］，有：

式（1）对时间求导，得：

式（2）用矩阵形式表达为：

式（3）是速度矩阵，则：

如果方程（3）有解，则测向天线展开机构在展开、收藏的过程中，对于任意位置Φi，代入A中，都有行列式detA≠0，可以确定该机构在展开、收藏的过程中没有卡死点。

如果测向天线展开机构在展开、收藏的过程中，有一些位置点Φi，有detA＝0。式（3）经过计算无解或者有多个解。可确定，当该机构运动到该位置时，出现卡死点。

由式（3）、（4）可得到角速度方程为：

由式（8）可知，式（7）detA≠0。因此，图2所示的测向天线展开机构在展开、收藏的过程中不会出现卡死点，展开、收藏过程的每一步都具有确定的运动轨迹。

4 结束语

提出了一种新型测向天线展开收藏机构，该机构可以同时展开、收藏多个测向天线单元，它们只用一套伺服驱动系统，在展开、收藏的过程无干涉、无卡死点，运动过程平滑，结构刚度好、重量轻、摩擦阻力小、控制系统简单、操作灵活方便、可靠。通过采用天线展开机构来实现了五阵源天线阵列的展开、收藏，有效地减小了运输空间，为天线运载车辆的机动性提供了有力保证，为测向天线的发展提供了更广阔的空间。

［1］林昌禄，等.近代天线设计［M］.北京：人民邮电出版社，1987.

［2］周朝栋，先天线理论与工程［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1988.

［3］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［4］曹惟庆.连杆机构的分析与综合［M］.北京：科学出版社，2002：10－50.

［5］黄真，赵永生，赵铁石.高等空间机构学［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［6］Masory O，Wang J.Workspace Evalution of Stewart Platforms［J］.ASME，1992，45（12）：337－346.

［7］Gosselin G M，Angels J.The Optimum Kinematic Design of a Planar 3－DOF Parallel Manipulators［J］.ASME.J.of Mechanical Design，1998，110（1）：35－40.

［8］Gosselin G M，Angels J.A Global Performance Index for the Kinematic Optimum of Robotic Manipulator［J］.ASME J.of Mechanism Design，1991，113（3）：220－226.