一种紧凑型无配重式X-Y天线座的结构设计*

李 果，刘晓明，刘国辉

(中国电子科技集团公司第三十九研究所， 陕西 西安 710065)

引 言

天线座是天线的支撑和定向装置，在伺服系统控制下，引导天线准确地捕获和跟踪目标，其机械性能直接影响天线的射频特性和伺服功能。

传统的天线座为方位-俯仰(A-E)型结构，A轴为铅垂状态，E轴位于A轴上方，呈水平状态，通过两轴的转动，天线波束可以指向整个空域。但当目标仰角趋于天顶时，方位角速度趋近于无穷大，而A轴速度不可能无限增加，因此当目标进入“盲锥区”时，A-E型天线座无法跟踪[1]。

将A-E型天线座的E轴转到水平位置，这时天线座的“盲锥区”就转移到地平线附近，能够实现天线的过顶跟踪，这种天线座被称为X-Y天线座，它的2个旋转轴分别称为X轴和Y轴，均为水平配置，且互相正交，2个轴只需旋转180°就能够覆盖整个空域，因此不需要高频旋转关节、汇流环或电缆卷绕装置[2]。

目前常见的X-Y天线座主要有全配重构型、无配重构型和X轴虚轴构型[3]。全配重型天线座体积和重量较大，转动惯量大，结构松散；无配重型天线座传动末级一般采用开式齿轮传动，齿隙较大，天线过顶时易出现振荡；X轴虚轴构型结构较为复杂，可靠性差。这些构型对于低转速、小口径的X-Y天线座都不够实用。

本文给出了一种轻小型X-Y天线座结构，克服了上述3种天线座结构松散、回差大、结构复杂、可靠性低等缺点，很好地满足了某低空微小卫星地面遥感接收系统的要求。

1 天线结构系统简介

某轻小型天线结构系统如图1所示，主要由天线反射体、天线座、底座3部分组成。反射面口径D= 0.4 m，极化方式为圆极化。天线结构要求重量轻、体积小，便于携带运输，同时在工作频段可以实现某低空极轨微小卫星的程序跟踪，并保证跟踪精度。

图1 天线结构系统

为了减轻天线自重，同时减轻天线座的负载，实现轻量化设计，天线反射体中反射面由碳纤维-铝蜂窝复合材料制成，馈源撑杆由芳纶复合材料制成，经过电气仿真可以达到指标要求。

天线的跟踪目标是极轨卫星，需要天线过顶跟踪且不丢失目标，常见的过顶方法有：为A-E型天线座增设第3轴，将A-E型天线座安装在倾斜机构上，A-E型天线座程序过顶以及采用X-Y型天线座[2]。前3种方法都基于A-E型天线座，不同程度地增加了伺服机械传动的难度，如第1种和第2种方法增加了结构设计的制造难度，且结构更加松散，第3种方法则需要满足一定的条件。对于第4种方法，本文提出了一种全新的X-Y天线座结构构型，很好地满足了设计要求。

X-Y天线座是文中天线结构系统的核心部件，其外形如图2所示。该天线座的核心是通过正交支套将Y轴转动部分和X轴转动部分联接在一起。正交支套上、下套筒两端的支臂(包括电机支臂和编码器支臂)与正交支套可以相对转动，上支臂底面朝上与天线反射体连接，下支臂底面朝下与底座托架连接。

图2 X-Y天线座外形图

当Y轴电机转动时，上臂旋转，带动天线作Y轴转动。当X轴电机转动时，由于支臂固定，正交支套转动，这样天线就绕X轴转动。两轴分别有独立的传动系统和测角系统，转动范围为0°～180°。

2 X-Y天线座的结构特征

X-Y天线座由正交支套、电机、减速器、编码器、支臂(4件)、随动轴、端盖等组成，如图3所示。为了实现互换性和提高经济性，两轴采用了相同规格的传动装置和测角装置。

图3 X-Y天线座结构

正交支套左右几何对称，焊接成形，焊后进行精加工以保证轴线之间的正交性。顶面平台台面称为基准面，与两轴线严格平行，调试时作为参考平面。

正交支套的上、下筒左右两端分别安装传动装置和测角装置。传动装置由步进电机和谐波减速器组成。步进电机低转速下输出扭矩大，适用于低速大扭矩的使用场合。谐波减速器与行星减速器相比体积小，重量轻，传动比大，回差小。重量轻则偏心力矩小，电机所需功率也小。传动比大则输出扭矩大，也能减小电机所需功率。高精度谐波减速器的齿隙很小，甚至可以做到零背隙，因而回差也小[4]，减小了天线过顶时由于偏心力矩的方向改变而导致的天线晃动量，保证了天线系统的跟踪性能。

减速器法兰用螺钉固定在正交支套上，其输出轴与电机支臂采用型面连接方式，端部采用轴端挡圈和螺钉压紧，保证了同轴性。减速器输入端连接步进电机。减速器法兰周向对称安装了撞块，用螺钉固定在减速器法兰上，在设定角度与电机支臂上的限位凸台接触，构成了天线座的机械限位。

正交支套的另一侧是一套轴承装置，采用了深沟球轴承。端盖用螺钉固定在正交支套端面，轴承盖在正交支套腔体内并用螺钉与端盖连接。随动轴大端法兰固定在编码器支臂上，小端与编码器连接，使得编码器与随动轴同步转动。编码器弹片周向用螺钉固定在轴承盖上，其弹性变形可以补偿同轴度偏差。编码器将天线转动角度实时反馈给控制系统控制电机，实现角度闭环控制，构成天线座的软件限位。

X轴与Y轴的转动原理相同，但转动的传递路径不同。Y轴的传递路径为电机(轴)→减速器(轴)→电机支臂→天线反射体→编码器支臂→随动轴→编码器(转子)，而X轴的传递路径为电机(壳体)→减速器(壳体)→正交支套→端盖→轴承盖→编码器(壳体)。

正交支套与减速器、端盖等形成了一个密闭腔体，可有效保护电机、编码器等精密元器件。轴承装置采用“迷宫式”密封结构，编码器支臂和端盖分别有同心的凸缘和沟槽。正交支套底部为电缆出线口，安装电缆防水接头将电缆线束可靠固定，也起到了密封作用。

天线座转动时，内部元器件相对正交支套不动，腔体内部电缆不发生卷绕。X轴的转动范围为0°～180°，因此不需要专门设计电缆卷绕装置。

由于传动系统未采用开式齿轮传动，电机、减速器、编码器均安装在腔体内部，全寿命周期免维护，因此天线座可靠性较高。

3 传动系统参数计算

设计要求：X轴和Y轴转动范围0° <Φ< 180°，两轴转速ω< 0.087 rad/s，两轴角加速度α< 0.087 rad/s2，天线在8级风下能够保精度工作。

转动范围由设计保证，为防止支臂之间、天线座与天线反射体或底座之间发生干涉，需要保证足够的两轴线间距和支臂高度，同时结构要尽可能紧凑，转动范围满足要求。

所选步进电机输出转速n= 100 r/min时，输出转矩M″= 0.3 N·m。所选谐波减速器速比i= 101，输出力矩M′= 20 N·m，天线转速ω′ = 6n/i= 6 × 100/101 = 0.103 rad/s >ω，满足要求。

负载力矩主要由偏心力矩、风力矩、惯性力矩、摩擦力矩组成。由于X轴在Y轴之下，力臂e较长(0.2 m)，偏心质量m较大(5 kg)，转动惯量J也较大(0.8 kg·m2)，因此按X轴的情况进行计算和选型。

偏心力矩在X轴位于0°或180°时最大，最大值M1=mge= 5 × 9.8 × 0.2 = 9.8 N·m。惯性力矩M2=Jα= 0.8 × 5 × π/180 = 0.07 N·m。

采用简化计算方法计算X轴上的风力矩M3[5]。8级风的计算风速V= 24.2 m/s，天线反射面上的风载荷为：

FA=CAqA
FC=CCqA
MO=CMqAD

式中：FA为轴向力，N；FC为横向力，N；MO为风力矩，N·m；CA、CC、CM分别为轴向力系数、横向力系数、风力矩系数，它们与风向角θ有关；q为动压头；A为天线反射面面积。

动压头q=V2/1.6 = 366 N/m2，天线反射面面积A= 0.25πD2= 0.13 m2，qA=366 × 0.13=47.6 N。

只需计算2种工况(风向角θ分别为60°和120°)即可得到最大风力矩。θ= 60°时，CA= 1.6，CC= -1.4，CM= -0.09。

反射体上的风载荷为：

FA=CAqA= 1.6×47.6 = 76 N

FC=CCqA= -1.4×47.6 = -67 N

MO=CMqAD= -0.09×47.6×0.4 = -1.7 N·m

折算到X轴上的风力矩为：

风向角θ= 120°时，CA= -0.2，CC= 0.1，CM= 0.14。

反射体上的风载荷为：

FA=CAqA= -0.2×47.6 = -9.5 N

FC=CCqA= 0.1×47.6 = 4.8 N

MO=CMqAD= 0.14×47.6×0.4 = 2.7 N·m

折算到X轴上的风力矩为：

M3″ =MO+eFC=2.7+0.2×4.8 = 3.7 N·m

摩擦力矩M4主要来自于轴承和编码器旋转过程的摩擦，由于均为滚动摩擦，可忽略不计，即M4= 0。

综合起来的总负载力矩为：

因此，减速器的输出力矩满足要求。折算到步进电机，所需驱动力矩为：

式中：η为谐波减速器的效率。电机的驱动力矩满足要求。

从以上计算过程可以看出，风力矩和偏心力矩构成天线座的主要负载力矩，因此天线反射面多采用镂空网板结构或碳纤维铝蜂窝夹层结构。

4 结束语

文中的天线座属于无配重式X-Y天线座，其结构紧凑，重量轻，体积小，简单易制，密封性好，适合于转速较低、口径较小的跟踪接收设备，克服了以往X-Y天线座结构松散、跟踪精度低、结构复杂、可靠性差等问题。针对不同的使用要求，可对这类天线座进行适应性设计：对于较大口径天线，应增加电机断电抱闸功能，以保护设备和人身安全；为了充分发挥电机的效能，可在谐波减速器之后串接行星减速器，以增大传动比，获得更大的输出扭矩；也可以在支臂与端盖之间加装电气限位开关，达到三级限位保护。

[1] 吴凤高. 天线座结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1975: 20-21.

[2] 李小平. 天线座过顶跟踪[J]. 火控雷达技术, 1993(22): 51-56.

[3] 李建军, 贾彦辉. X-Y型天线座构型设计[J]. 电子机械工程, 2014, 30(5): 37-40.

[4] 龚振邦, 陈守春. 伺服机构传动装置[M]. 北京: 国防工业出版社, 1980: 14-29.

[5] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.