新型单反射面紧缩场数控馈源支架系统

谭龙庆，罗红宇，李东升

（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）

0 引言

紧缩场［1］采用精密反射器，将点源产生的球面波在近距离内变换为平面波，从而满足远场测试要求［2］，可用于飞机、导弹、坦克等的雷达散射截面（RCS）、机载天线性能及卫星整星测试，尤其应对隐身战斗机的隐身性能检测和高性能雷达等重要环节。

单反射面紧缩场作为常用紧缩场设计方案，其主要由暗室、吸波材料、高精度旋转抛物面反射器、高精度转台、低反射支架和馈源系统等组成。根据单反射面紧缩场的工作原理，馈源相位中心必须应精确定位在高精度反射面的旋转抛物面焦点处，且馈源按指定偏馈角放置。随着紧缩场测试频率不断提高和静区尺寸的不断扩大，对馈源定位精度要求越来越高，馈源支架对紧缩场静区电性能的影响逐渐增加［3］。

在北京航空航天大学研制的某紧缩场系统中，馈源系统具有单馈源（单一馈源且相位中心位于旋转抛物面焦点）和双馈源（两馈源相位中心对称位于旋转抛物面焦点两侧）两种工作模式，并且需要频繁更换馈源的水平极化状态和垂直极化状态。使用双馈源时不同频段的馈源要求两馈源间距不同，还需要馈源实现定速旋转运动。目前国外林肯实验室已经研制出全自动馈源支架，可实现馈源自动切换和馈源极化状态的自动切换等功能［4］。根据系统设计要求，在更换馈源、改变馈源极化状态、调整馈源间距等操作时，馈源相位中心应始终位于旋转抛物面焦点位置或对称位于焦点两侧，同时可精确反馈馈源旋转角度信息，因此需研制一种新型的数控馈源支架，以提高馈源相位中心定位精度，进而保证紧缩场整体电气性能，以满足其高刚度、高强度、馈源定位高精度和馈源位置调整灵活及旋转运动等设计需求，同时减少支架自重和自身截面散射。本文针对以上需求，对数控馈源支架系统进行了设计。

1 机械系统设计

1.1 总体设计

馈源支架总体结构由下层底座、馈源支架主体、馈源偏馈角调整机构和馈源旋转单元组成，如图1所示。下层底座与地面通过地脚螺栓固定，可以调节馈源支架整体的高度以及下层底座与馈源支架主体安装面的水平。下层底座与馈源支架主体通过螺栓锁紧固定，四周设计有调整机构，方便精确调整馈源支架主体的位置，以实现馈源相位中心的定位。利用可拆式馈源偏馈角调整机构可实现在保证馈源相位中心位置不变的情况下对馈源偏馈角的调节。馈源支架主体安装有高精度线性滑轨。馈源旋转单元主要由馈源安装法兰、旋转平台、旋转单元安装板组成，三者通过螺钉紧固相连，并安装在馈源支架主体的导轨滑块上，实现沿导轨横向移动，如图2所示。馈源旋转单元可根据使用需求调节间距，实现单馈源的相位中心定位在旋转抛物面焦点位置或双馈源的相位中心定位在焦点的两侧。综合考虑定位精度、传动效率和机构体积等因素，旋转平台采用蜗轮蜗杆传动机构，由伺服电机驱动。配合微波同轴旋转关节，可实现微波线缆不受力、不缠绕、不打结，以避免影响微波信号。为了减少自身截面散射，除在馈源附近按一定要求布置吸波材料外，还专门设计了挡板，以便粘附吸波材料。

1.2 馈源偏馈角调整机构设计

在完成馈源相位中心定位后，需要在保持馈源相位中心不变的情况下，对偏馈角进行精确调整。在馈源支架的安装侧板上设计以馈源相位中心为圆心的圆弧滑动轨道，并将安装馈源的安装架通过滚动轴承嵌入轨道中。利用丝杠机构实现精确调整，调整过程平稳、整体结构受力均匀。调整完成并利用螺栓锁死馈源支架后，可以将调整机构拆下，增大馈源支架后部的操作空间，也降低了馈源支架的自身截面反射。可拆式偏馈角调整机构如图3所示。

图1 馈源支架机械系统整体结构

图2 旋转单元结构

图3 可拆式偏馈角调整机构

1.3 馈源支架机械系统轻量化设计

完成馈源支架的整体机械结构设计后，利用三维设计软件建立其三维模型，并进行运动仿真分析，保证运动行程内各零件不干涉，并对部分承力构件进行优化设计和强度校核，采用SolidWorks软件中的Simulation插件进行静力分析以保证工作负载下其定位精度满足使用要求。以馈源旋转单元安装板为例，经过尺寸和材料优化后，在重量相对整体不锈钢板降低80%的情况下，安装板的强度和刚度都满足设计要求，其分析结果如图4所示。

通过建立简化的馈源支架模型，有限元分析得到其在工作载荷下的静力变形为0.01mm，由此可知馈源相位中心定位误差主要来源于馈源支架的装配误差，馈源支架设计满足使用要求。

图4 馈源安装板静力分析结果

2 控制系统设计

馈源支架运动控制采用成熟的PLC控制系统，利用NC（Numerical Control）运动控制模块和PTP（Point to Point）控制技术实现伺服电机的精准运动，以保证馈源在实现旋转运动中运行平稳、响应迅速。为方便使用，在提供现场触摸屏控制操作的同时，为PLC控制系统增加EIP（Ethernet/IP）通信模块，以实现基于工业以太网的远程控制，方便在控制室通过远程控制软件实现馈源旋转运动控制，并将馈源支架的运动控制集成到紧缩场综合测试平台中。

2.1 控制系统硬件设计

馈源旋转运动控制即伺服电机速度和位置控制，利用高性能PLC控制系统附加NC控制模块实现。馈源旋转原点位置的建立利用接近开关信号和旋转补偿值完成，当馈源绕其轴线旋转到指定位置后会触发接近开关，采集该信号后，馈源会减速继续旋转，当采集到编码器的Z相信号后停止，并设定该位置为馈源零点位置。远程通讯利用工业以太网实现，具有稳定可靠、通讯距离长、通讯速率高、抗干扰性好等特点。控制系统硬件构成如图5所示。

图5 控制系统硬件构成

2.2 软件系统设计

馈源支架软件系统设计采用服务器/客户端模式，将PLC作为底层运动控制核心，通过触摸屏进行人机交互并完成所有控制操作，远程控制软件利用工业以太网连接PLC的EIP模块接口，作为PLC的客户端实现远程控制。

PLC控制程序采用梯形图编写，以模块化编程方式，根据不同运动控制和功能分成8个子基本模块，并以此为基础，根据使用要求编写实际应用控制程序。PLC程序模块分组如图6所示。

图6 PLC程序模块分组

在控制程序中，利用自锁和互锁结构保证控制系统正确完成运动指令并自动排除误操作。双轴同步运动利用PLC的2ms定时中断实现，每2ms运行一次中断程序，根据1号轴的编码器反馈值变化增量控制2号轴运动。由于馈源支架使用的伺服电机的响应时间在5ms左右，使用2ms定时中断完全满足同步控制要求。

为方便测量操作，编写了一套基于C＃高级编程语言、WPF界面开发技术和欧姆龙公司的FinsGateway通讯驱动的远程控制软件，利用工业以太网，实现远程控制馈源支架。远程控制界面如图7所示。

图7 远程控制界面

3 系统装调

根据馈源在紧缩场系统中的使用需求，对馈源支架的性能指标做了如下要求：馈源中心定位精度为±0.1mm；馈源旋转跳动精度为±0.1mm；馈源旋转角度精度为±0.1°。

现场安装馈源支架时，借助激光跟踪仪实现对馈源相位中心的高精度定位，单馈源模式馈源相位中心实际测量坐标值如图8所示，其中旋转抛物面的焦点为坐标系原点。以导轨为测量基础测量馈源安装法兰盘的旋转跳动误差，实际测量值为±0.05mm，满足设计要求。

图8 单馈源相位中心位置坐标

4 结论

本文研制的高精度、高可靠性、自动化的新型数控馈源支架系统具有以下特点：开发了可拆式偏馈角调整机构，并利用滚动轴承降低摩擦力，方便调节；增加了馈源高精度旋转功能，实现测量中单极化馈源极化方式的自动转换及馈源连续旋转功能；提供了现场和远程两种控制方式，方便使用。

经现场装调精度测试及实际使用效果表明，本文研制的新型数控馈源支架的定位精度和运动精度达到设计指标和使用要求，其不仅保证了馈源相位中心位置的准确性，还提高了紧缩场测试效率，增加了测试方式。

［1］Olver A D.Compact antenna test ranges［G］//Proceeding of the Seventh International Conference on Antennas and Propagation.［s.l.］：［s.n.］，1991：99-108.

［2］何国瑜.电磁散射的计算和测量［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［3］全绍辉.一个高性能单反射面紧缩场［J］.北京航空航天大学学报，2003，29（9）：767-769.

［4］Micheal W Shields，Alan J Fenn.A new compact range facility for antenna and radar target measurements［J］.Lincoln Laboratory Journal，2007，16：382-390.