高精度调整技术在大型天线阵面上的应用研究*

方红梅，钟剑锋，徐文华，保 宏

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 西安电子科技大学， 陕西 西安 710071)

引 言

随着现代雷达越来越趋于高集成、高精度、大型化的发展方向，传统的刚性连接方式很难满足精度要求，迫切需要寻求一种新的解决途径。与此同时，综合考虑雷达的使用需求及制造成本，分块拼装成为必然趋势。通过安装自动调整机构来实现超大口径天线阵面保型已经成为未来发展的主要手段。如美国GBT 110 m ×100 m口径天线将整个阵面分割为两千多个小阵面，采用2 209个作动器实现大仰角下阵面保型[1]。上海65 m射电望远镜主反射面被分割为一千多个小块，通过主动面调整技术补充因重力、温度等因素带来的反射面变形，使天线在所有的观测频率上都能获得最高的接收效益。本文提出的多自由度精细调整机构，旨在实现天线阵面位置和姿态的多自由度调节，在一定范围内抵消装配加工环节造成的固定误差，并进一步实现不同俯仰状态下的精度调节，补偿因重力、温度等因素造成的呈周期性变化的变形，从而提高天线阵面精度，满足雷达系统对天线阵面的精度要求[2]。

1 研究平台构建

1.1 研究平台的系统组成

本文以某型雷达为依托，选取天线阵面的典型分块进行研究。与Stewart并联机构的基本构型一致，研究平台的主体包含3大组成部分：承力骨架、天线阵面以及两部分之间的调整机构，分别对应Stewart并联机构的定平台、动平台以及两个平台之间的可变撑杆，如图1所示。

调整机构有2大功能：对安装面板进行支撑和固定；对安装面板进行精细调节，使天线反射面达到所要求的平面精度。调整机构和承力骨架及天线阵面之间通过胡克铰/球铰连接，实现不同角度的自适应调节。

图1 Stewart机构及研究平台主体对照图

除了由天线阵面构建形成的平台主体之外，研究平台还包括专用控制器、数据测量和处理系统等，如图2所示。

图2 研究平台的系统组成

1.2 调整机构设计选型

高精度调整机构作为研究平台的重要组成部分，其设计选型有以下几个难点：

1)机构铰接点位置和天线阵面的具体结构紧密相关，且直接影响整体结构的力学性能；

2)机构兼具天线阵面的结构支撑及精度调整功能，寻找合适的机构参数难度很高；

3)天线阵面在不同俯仰角度下的机构间隙直接影响调整精度。

考虑采用不同的方法解决上述问题。天线阵面在重力作用下产生变形，并随着6个支点位置变化。对于支点位置的选取，采用多离散变量优化算法，按以下几个步骤对其进行优化[3]：

1)根据天线阵面的具体结构，结合调整机构的分布进行优化，确定机构支点位置；

2)分析得到机构支杆的原始长度和最大载荷，从而指导机构选型；

3)根据机构参数进行机构合理性分析和误差分析；

4)采购并装配，构建研究平台系统；

5)对天线阵面的不同俯仰工作状态进行调节，得到一系列数据，形成数据表格；

6)天线阵面工作时进行精度补偿。

研究平台的调整机构布局如图3所示，图中的小十字符号表示骨架纵横梁交叉点的几何中心。

图3 调整机构布局投影图

2 研究平台的指标分析

2.1 研究平台的误差分析

天线阵面受自重、风载等外载荷的作用，其表面必然产生误差，使实际形状偏离其理想设计形状。要想保证天线阵面获得较高的结构精度，在传统的天线结构设计过程中就需要将各级误差层层分配并严格加以控制，从而达到能实现的最高精度，但往往需要付出过高的代价。因此，在工程中应根据相控阵天线的主要性能指标，分别对天线在各个方向的精度提出经济性的要求[4-5]。

在大口径平面的机械加工、阵面分块的拼接、自重和环境温度变化等因素影响下，要保证很高的阵面精度，这给天线阵面的结构设计带来了极大的挑战。

若按照传统的硬连接模式，则天线阵面的平面精度分配见表1。天线阵面整体平面精度为1.6 mm。

表1天线阵面平面精度分配(硬连接) mm

序号误差环节加工拼装重力温度平面度数值1天线单元0.10———0.102安装面板0.200.60.350.300.803阵面骨架0.501.00.800.151.40

从表1中的数据不难看出，最终获得的平面精度难以满足高频段天线阵面的使用要求(≤1mm)。引入精细调整机构之后，可大大减少影响天线阵面平面度的误差环节，有效提高天线阵面的平面精度。

引入调整机构后，天线阵面的精度分配见表2。天线阵面整体平面精度为0.6 mm。

表2天线阵面平面精度分配(调整) mm

序号误差环节加工拼装重力温度平面度数值1天线单元0.1———0.12安装面板—0.40.350.30.63阵面骨架—————

综合考虑各种因素对天线阵面平面度影响的敏感度和工程实现的难易程度，对研究平台主体试验阵面的各环节精度进行表3所示的分配。试验阵面整体平面精度为0.9 mm。

表3试验阵面精度分配mm

序号影响因素平面度数值备注1天线单元温度、重力变形0.5仿真优化2安装面板制造误差0.3制造精度控制3阵面骨架装配误差0.5调整机构调整4测量误差0.1

2.2 研究平台的有限元分析

为了进一步验证调整机构对试验阵面整体结构的刚度贡献，对阵面进行有限元模型分析，分为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°这7个工况进行分析。

为了使有限元分析结果更趋近于真实，在进行每个工况下的有限元分析时，将该工况下位姿平衡时各个支腿的受力作为预应力加入到有限元模型中，该预应力的大小在Stewart机构分析时得到。分析数据见表4，其中有限元模型和仰天工况(90°)的变形云图如图4所示。

表4各工况数据汇总表mm

工况原始面正向最大位移原始面负向最大位移拟合面正向最大位移拟合面负向最大位移拟合面平面度RMS0°11.022-11.3490.3438-0.22700.102215°10.111-11.7470.3390-0.15780.077030°8.511-11.3450.4670-0.13330.071645°6.332-10.1710.5633-0.13720.090760°3.720-8.3020.6211-0.22250.120175°0.856-5.8680.6367-0.34020.148490°0.572-4.8560.6088-0.43480.1704

图4 有限元模型和仰天工况变形云图

从上述数据可以看出，在0°～90°角度范围，天线阵面拟合平面度≤0.18 mm，拟合面相对于原始理论面的最大位移≤0.5 mm。

3 试验过程与记录

3.1 试验步骤

研究平台的精细调整试验按以下步骤进行：

1)建立模型，复核研究平台系统所有环节的累积误差；

2)计算得到调整机构期望的工作空间；

3)结合研究平台主体天线阵面安装要求，进行调整机构选型；

4)分析调整机构工作空间的奇异性；

5)将调整机构装配到位；

6)进行平台主体天线阵面姿态调节，测量不同姿态下的调整精度；

试验对应的控制流程如图5所示。

图5 试验控制框图

3.2 试验记录和结论

驱动天线阵面作不同俯仰角度的转动，利用专用控制器使调整机构的几个支杆呈现不同的伸缩长度，实现天线阵面的精细调整[6-7]，并实时测量天线阵面预设采样点的实际坐标数据，从而得到不同俯仰角度下天线阵面的精度[8]。试验记录见表5。

表5 研究平台验收表

试验结果表明，针对大型天线阵面(质量4 t、外形近似5 m × 5 m)，连续调整范围为-2.5～2.5 mm(可根据需要进一步扩大)，位置精度在0.18 mm以内，指向角度精度在0.25 mrad以内。

根据上述试验过程及记录的数据，得到如下结论：

1)加装高精度调整机构可以有效提高天线阵面多姿态、多自由度精度；

2)调整精度满足高频段大型天线阵面的工作要求；

3)可形成各个工况下的测量数据库，进行实时调整，实现更高的精度要求；

4)可结合天线阵面的实际结构形式，选择合适的调整机构构型，满足适装性要求；

5)在此基础上结合电指标测试，可进一步降低系统误差，获得更高的作用精度。

4 结束语

本文研究的高精度调整机构能够满足大型天线阵面的高精度调节要求，在天线阵面的误差空间内进行精细调整，释放加工、装配环节的部分精度要求，从而获得更高的经济效益和精度目标。

本文为天线阵面的高集成、大型化提供了一种全新的思路，可作为一项共性技术，广泛应用于各种频段、多种结构口径(尤其是分布式)天线阵面中，在今后的巨型相控阵雷达的研制、深空探测等领域都有着积极的工程指导意义[9]。

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