一种车载雷达天线转台系统设计

仲崇峰，陈美芳

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

Design of an Antenna Rotating Pedestal System of Vehicle-borne Radar

ZHONG Chongfeng，CHEN Meifang

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

一种车载雷达天线转台系统设计

仲崇峰，陈美芳

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

Design of an Antenna Rotating Pedestal System of Vehicle-borne Radar

ZHONG Chongfeng，CHEN Meifang

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

摘要：研究了一种二维天线转台，通过对天线转台的工作原理、结构组成和关键技术的研究，设计出一套体积小、重量轻、变形小和高精度等特点的天线转台系统。可为高精度车载转台的设计提供宝贵的理论和实践基础。

关键词：车载雷达；天线转台；高精度；系统设计

中图分类号：TH112.1

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)07-0038-03

收稿日期：2015-04-17

基金项目：国家科技支撑计划项目(2011BAH24B05)

Abstract：A two-dimensional stabilized platform is introduced in this paper. Based on research on working principles, structural components and key technology, a small volume, lightweight, and high precision antenna pedestal was designed. It can provide a valuable theoretical and practical basis for the design of vehicle-borne stabilized platform.

Key words：vehicle-borne radar; antenna rotating pedestal system; high precision ;system design

0引言

天线转台是车载雷达系统的重要组成部分。反射面天线是一种非常重要的通讯设备，但天线反射面积和变形影响信号的接收和发送，导致信号失真。为减少天线变形，一般采用复合材料保证天线在大温度梯度下的天线位置精度[1]。转台是支撑天线探测目标的装置,它通过伺服系统，使天线能够按照预定的规律运动或者跟随目标运动,准确地指向目标,并且通过它精确地测出目标的方向[2]。

该设计中天线转台系统采用集成设计，特别是实现了波束波导与转台的高精度联动，减少了微波损耗；同时，天线和转台通过采用新技术，提高了系统精度，为后续同类天线转台设计奠定了理论和实践基础。鉴于其独特结构特点，应用前景广阔。

1系统组成

车载雷达转台系统的主要任务是接收外部数据引导，精确指向并随动跟踪目标，并将高功率微波通过天线辐射至目标处，同时实时反馈天线的指向角度和状态信息[3]。天线伺服系统具备自动展开、收装能力和运输时的锁紧机构，整个系统与方舱装载于同一载车平台上，满足三级公路运输要求。

系统安装于方舱之上，并确保公路运输不超限。转台由方位和俯仰机构组成，带动天线实现方位与俯仰两方向动作，方舱内部设计有伺服控制箱，既可以减少伺服系统的负载，又有利于伺服控制板的防护；在转台上是天线主面、天线副面和波束波导，天线主面、天线副面联接于天线转台的俯仰机构的背架上，通过转台背架的转动来实现天线俯仰动作，并能够实现天线分系统从工作状态到运输状态转换(或相反动作)。波束波导安装在俯仰平台上，俯仰通道通过联轴器带动波束波导转动保证微波波束始终指向天线副面。

2设计指标要求

天线主镜面直径为1 200 mm，副镜面直径为200 mm，主副面支臂长为1 000 mm，两面相对位置偏差小于0.3 mm，两面精度小于0.07 mm。

转台满足：方位无限，俯仰0°～160°；最大角速度为0.261 rad/s；最大角加速度为0.087 rad/s2；天线跟踪精度为0.001 rad；工作环境温度-10～40 ℃。

3天线转台系统设计

系统主要由天线系统、伺服系统和汇流环等组成。综合考虑工作、运输和维修等多种状态的要求，考虑各种设备的重心位置。通过建模仿真，合理布局，将系统重心位置控制在安全范围内。对设备布局合理优化后，系统结构布局如图1所示。

3.1　天线系统

天线分系统由天线主面、天线副面、副面支架和背架等组成，模型如图2所示。该天线采用赋形偏馈双反射面形式。背架作为天线分系统的主承力体，可为主副面、可见光摄像头提供安装基础，并保证天线系统的刚度；副面通过副面支架与背架和主面固联，副面支架采用温度稳定好、比强度高的的复合材料，保证了天线副面的高精度安装。整个分系统结构紧凑、精度高、刚强度好、装配方便快速，满足整机设计要求。

图2　天线系统模型

根据其面积大，面形精度高的要求，采用下列技术手段保证其指标。

a.根据天线所承受最大风载荷，经过分析计算后，确定面板厚度、主筋条、辅助筋条和围框等结构参数。既满足结构刚强度要求，同时可以减轻重量。

b.天线反射面为铝合金，经过整体成型后采用精密数控加工方式，精加工预留安装、调试和测量基准，保证其精度满足设计要求。

c.天线背架采用铝合金整体成型后精密数控加工到所需尺寸，并留出安装调试的加工余量，保证焦距精度的可调整性。

d.主副反射面的表面精度要求较高，在加工过程中，采用多次热处理去除应力，并利用高速铣去除切削变形，保证主副反射面的表面精度。

e.副面支架直接决定副反射面位置的稳定性，要求支架具有刚度高、温度影响小的特点，方案中支架采用线涨系数低、刚度高的复合材料进行加工。

f.反射面背筋、天线背架进行优化设计。通过设计背筋、背架上的减重孔，调节天线质心的位置，使得天线质心离转台回转轴的距离趋近于0。

3.2　转台系统

转台结构形式采取方位-俯仰型[4]，根据“精度高、重量轻、负载大”的原则，在进行平台框架设计时应尽量配平，减小不平衡力矩；减小天线中心与回转轴的距离以减少风力矩；减小转动惯量以减小加速力矩。

转台由交流伺服电机、精密减速机、回转支承、角度传感器、底座、U型架以及限位机构等组成，如图3所示。因天线要360°工作，通过汇流环和旋转关节来分别传递方位上下的电信号和射频信号。为此，在方位底座里设计了一个汇流环，实现天线与控制器之间信号的传输。

图3　转台系统剖面图

方位和俯仰轴的驱动选用交流伺服电机，并配精密减速机，末级传动采用小齿轮与带外齿回转支承啮合。为提高系统的跟踪精度，用两套相同的传动链组成双机传动链来消除由于齿隙和扭刚度带来的误差，并在方位通道采用优于3.8″的绝对精度的钢栅传感器，俯仰通道采用角度分辨率为10″的绝对式角度编码器。

4关键技术

4.1　低膨胀复合材料

天线副面支架作为天线转台系统结构件，除了具有良好的力学刚强度，更需具有优异的结构尺寸稳定性。对于高频段微波信号，天线副面支架较小的位移，就会引起较显著的电性能变化，因此，为保证优异的电性能，必须对天线副面支架构件从材料、构型、加工工艺进行综合设计。

先进树脂基复合材料具有重量轻、热稳定、比强度高一系列优点，先进复合材料与常规金属材料相比，显著特点是它的材料可设计性。先进复合材料由性能相差极大的纤维材料和基体材料组成，用方向和厚度不同的单层材料复合而成型。通过零膨胀铺层设计可使天线副面支架结构的热膨胀系数减小到0～7×10-6以内，在温差25℃范围内，整个副面支架产生0～0.191 6 mm变化。复合材料和铝合金材料的特性对比如表1所示。

表1材料性能比较

材料拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa比强度/(MPa/(g/cm3))比模量/(MPa/(g/cm3))密度/(g/cm3)铝合金39372141.325.92.78高强碳纤维/环氧1471137.3101494.71.45

零膨胀铺层设计是确保天线副面支架结构高精度、尺寸稳定的关键，采用的铺层以0°、90°为主，为增强纵向(即0°方向)的刚强度，增加0°铺层。

采用热压罐成型工艺，降低复合材料内部空隙率，提高天线副面支架结构强度。天线副面支架局部减轻孔处，在制造过程中采用预制补强工艺，确保整个天线副面支架结构力学性能。

4.2　精密跟踪技术

传动链上的传动误差影响跟踪精度，尤其在电机换向时，采用双传动链是消除齿轮间隙，提高系统刚度和精度的有效方法[5]。

但是该传动系统是非线性系统，双传动链不可能从结构上完全一致，传统的控制方式不可避免造成系统的振荡，所以必须采用新的伺服控制技术。

采用差速负反馈的智能PI控制结合速度负反馈的控制算法，可有效地解决双电机驱动控制中的差速振荡问题，该技术可以提高双传动链运动的平稳性，为实现高精度跟踪奠定基础。控制原理如图4所示。

图4　控制原理

4.3　高精度角度检测技术

针对系统精度要求，结合新技术发展，在方案中使用钢栅尺代替传统的双通道旋变.该种传感器具有可靠性高、设备量小、抗干扰能力强和使用维护方便等优点，具体模型如图5所示。

图5　高精度传感检测装置

方位高精度角度检测装置由高精度传感器和高精度轴承组成，其中高精度传感器具有秒级分辨率，并具有良好的防护等级，满足系统的使用要求；高精度轴承能够为高精度传感器提供不大于0.003 mm的径向安装精度，从而将角度检测装置的测量精度控制在10″内，同时高精度轴承还能够承受径向力、轴向力和倾覆力矩。方位高精度角度检测装置既可以满足系统方位角度精度要求，还可以承受负载，能够解决传统方法中因装配引入的安装误差。

5结束语

车载天线转台系统是集结构、伺服控制和微波传输等几个方面于一体的复杂系统。这里提出的天线转台的设计方法，特别是基于钢栅尺的角度检测，其原理简单、性能可靠、安装和拆卸方便，具有精度高、重量轻、环境适应性好等特点。通过研究，可进一步推动后续高精度、轻质化、高频段、反射面天线转台系统的发展。

参考文献：

[1]敖辽辉.碳纤维复合材料在天线上的应用[J].电讯技术，1998，32(2)：41-44.

[2]吴凤高.天线座结构设计[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

[3]王德纯，丁家会，程望东. 精密跟踪测量雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[4]张腊梅.大惯量雷达天线驱动系统及传动链设计[J].现代雷达，2012，34(2):58-61.

[5]王录，张维宁，陈小燕. 精密测量雷达伺服系统消隙方法应用研究[J].现代雷达，2010，32(8)：62-65.