波束波导传输系统结构设计及位置检测

郝会乾

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

波束波导是指由一系列顺序排列的曲面镜和平面镜构成的波导结构，它可以将馈源发射的电磁波或反射面天线接收的电磁波通过聚束传播的方式传输。此外，它还具有馈电损耗低、传输距离远、馈源摆放位置不受反射面焦点位置限制、方便对馈源的更换维修等优点［1］。因此，广泛应用于深空探测大口径天线及需要传输大功率电磁波的天线［2］。

波束波导系统最重要的技术约束条件是将波束波导的输入波束对称性的传输到天线反射面的焦点处［3］。因此，波束传输路径上反射镜面的精度对波束波导系统的性能影响很大，而反射镜面的精度又包括反射镜面自身的精度和反射镜面的定位精度。

为了满足波束波导的传输精度，首先要保证反射镜面自身有足够高精度；其次，还要保证反射镜面位置准确。一般反射镜面都是通过机密数控机床一体加工成型，而反射镜面的定位精度则是通过调整复杂的调整机构来实现的。在调整反射镜面位置时，要借助一套完整的检测设备，在此，介绍一种基于光学原理的检测方法。

笔者以某车载7.3m波束波导天线为例，对波束传输系统的结构设计和位置检测进行论述。

1 波束传输系统的组成

波束波导传输系统由频率选择面、两个曲面反射镜面及一个平面反射镜面组成，如图1所示。当天线用于发射功能时，发射馈源发射的电磁波，通过频率选择面的透波，两个曲面反射镜面、平面反射镜面的反射，传输到空中。当天线用于接受功能时，空中的电磁波经过平面反射镜面、两个曲面反射镜面及频率选择面的反射，传输到接收馈源。

图1 波束波导传输系统

2 波束传输系统的结构设计

波束波导7.3m天线要实现方位±90°、俯仰0～90°范围内转动，并能实现装车要求。为了保证波束传输的要求和节省设计空间，在设计时，将第一与第二反射镜面中间波束布置成方位轴，第二与第三反射面的中间波束位置布置成俯仰轴，波束传输系统实际布置如图2所示。

图2 波束波导传输系统布置图

波束波导传输系统的结构包括基础支撑结构、支撑结构、反射镜面本身等部分组成。

基础支撑结构主要由方位圆筒和俯仰箱两部分组成。方位圆筒是频率选择面、接收馈源、发射馈源、第一反射面的安装基础。它是由钢板、槽型钢等焊接成型，焊后去应力加工。波束传输系统各组成部分的相互位置通过高精度数控机床加工的位置基准来保证，各位置基准间的相互位置通过严格的尺寸公差和位置公差来控制。俯仰箱是第二和第三反射面的安装基础，其结构组成形式和加工方法与方位圆筒类似，在此不再赘述。

支撑结构包括频率选择面支撑结构、反射面支撑结构等，各支撑结构的结构形式类似，因此，以第一反射镜面支架为例进行说明。为了使支架有足够的刚度及调整检测方便，第一反射面支架由热轧圆管和热轧厚钢板焊接成型，焊后去应力加工，如图3所示。反射镜面的位置是由沿XYZ三个方向的移动及绕XYZ三个方向的转动等六个自由度确定。支架下止口与方位圆筒定位配合，斜面上的止口与第一反射面及标校镜配合，通过两个止口配合来确定反射面三个方向移动的问题。

图3 第一反射镜面支架

通过调整支架下安装端面与方位圆筒的配合间隙来调整绕XY方向的转动，通过支架自身绕支架下方的止口的转动来调整绕Z三个方向的转动。在这里的调整都是通过调整顶丝、垫铜箔等方法来进行的微量调整。此外斜面上还标有十字交叉线，用于定位第一反射面自身的朝向。

反射面选用硬铝材质，通过数控一体加工成型，加工分粗加工和精加工两个步骤，粗加工完成后，进行去应力退火，然后进行精加工。以第一反射面为例，介绍反射镜面的设计思路，第一反射面结构如图4所示。

反射面正面为部分抛物面的曲面，四周有四个连接螺栓孔与反射面支架连接，背面为平面，平面上有定位止口与支架配合，正面曲面与背面平面的位置关系以及定位止口与曲面的位置关系严格保证。此外反射面的四周有确定方向的刻线，反射面装配时，反射面的刻线要与支架斜面上的十字交叉线重合。

图4 第一反射面

此外，由于车载平台存在颠簸震动等环境因素，因此在结构设计时，除满足波束传输系统的精度外，还重点考虑了结构的可靠性。采用了减少调整环节、减小调整范围以及零部件装配调整好以后配装销钉等措施，保证了结构的可靠性。

3 波束传输系统的位置检测

由于反射镜面是一个铝材质的曲面，位置不好检测，在此，采用光学原理，通过基准转换的思路对反射镜面的位置来进行检测和调整。设计了一个反射镜，它与反射面有相同的定位基准，检测调整位置时，把反射镜安装与反射镜面支架上，位置调整好以后，把反射镜用反射镜面换下，即可以实现把反射镜面固定在理论的位置上。反射镜外框用钢件加工，中间镶玻璃块。反射镜定位止口与反射镜面支架的止口配合，玻璃块中心标有十字线，十字线交点与定位止口中心重合，镜面表面与反射镜支架配合面到玻璃表面的距离通过研磨保证，除保证此两个平面的尺寸外，还要保证严格的平行度。反射镜的结构如图5所示。

图5 反射镜结构图

反射镜位置检测时，在发射馈源位置中心固定准直光管，用机加工保证光管的光轴与波束的电轴重合，在第一个反射镜面的位置固定反射镜支架及带有十字刻线的反射镜，在方位轴中心固定一个目标点，调整反射镜面支架，使得光管的十字交点、反射镜的中心交点和目标点重合，就认为第一个反射镜位置调整到位。依次类推，在俯仰轴位置固定目标点，调整第二个反射镜面，在俯仰箱波束中心体位置固定目标点，调整第三个反射镜面。等光路调通后，用反射镜面换下反射镜，就认为反射镜面被固定在正确的位置。

4 总结

本文提出了一种新的波束波导传输系统的结构设计方案和位置检测方案，按此方法设计的波束传输系统，可以保证整个波束传输偏离中心位置0.5mm，在经过跑车等试验后，波束没有产生偏离，达到了当初的设计目的，能够满足天线电气的要求。

［1］F.Manshadi.The S/X－Band Microwave Feed System for NASA’s First Beamwaveguide Antenna［C］.Aerospace Applications Conference，1996.Proceedings，1996IEEE.

［2］石俊峰，马汉清，赵交成.波束波导传输系统与天线设计 ［J］.火控雷达技术，2012，（3）.

［3］杨可忠.特殊波束面天线技术 ［M］.北京：人民邮电出版社，2009.