新型天线扫描架的设计

俞茂超，石永安，梁永红

（西安黄河机电有限公司设计研究所，西安 710043）

天线扫描架作为微波暗室测试的关键设备，主要用来支撑和改变天线扫描架探头的位置，以便于天线扫描架探头对准被测设备，在微波实验室测试任务中扮演着重要的角色。目前天线扫描架的运动方式，分为水平扫描和垂直扫描，就是一个反复经历慢速启动、加速升速、高速运行、减速和低速停止的过程，即所谓的梯形运动形式，这样一方面可保证运动速度，另一方面保证运动的平稳性，有利于实现控制定位精度。

随着自动化技术的发展，天线扫描架也得到较好的发展。远程天线扫描架是新一代自动化测量设备，用于辐射源的自动定位测试，可以完成自动升降和自动俯仰的两轴运动，可满足远程测试和本地测试工作，可对指定空间的设备进行自动化测试，应用前景广泛。

1 远程天线扫描架的设计要求

（1）自动升降有效行程：2000mm；误差小于±1mm；

（2）自动俯仰有效行程：-50°～50°，误差小于±0.5°；

（3）控制方式：远程控制和本地控制，信号传输方式：光纤（500米）；

（4）具有升降和俯仰位置软件保护功能，同时具备硬件限位保护和机械限位保护功能；

（5）升降和俯仰运动速度分为高、中、低三种速度，可以在运动过程中通过软件界面中相应按钮任意切换；

（6）运动应缓慢启动，快速运行，缓慢停止，运动应平稳无震荡；软件界面中有紧急停止功能；

（7）运动高度和俯仰角位置应实时显示在软件界面中，软件界面有天线塔运动示意图，在运动过程中应能模拟实际运动状况。能在软件见面中手动引导到任意位置（高度位置或角度位置）；

（8）在结构设计中尽量采用非金属材料，减少大面积使用金属材料。

2 天线扫描架组成及终端软件界面设计

2.1 天线扫描架组成

天线扫描架主要由基座、控制箱、变速箱、升降同步带、俯仰同步带、立柱、俯仰齿轮齿条组件、升降滑套组件、同步带张紧装置、配重、光电转换模块、光纤、本地手持控制盒、激光笔、喇叭天线等组成，如图1所示。

图1 天线扫描架设计效果图

该天线扫描架为升降+俯仰型天线扫描架，升降和俯仰两个动作必须单独进行。为了便于转场测试，基座采用推车的形式；控制箱内部包含电源、继电器、RS232光电转换模块、主机控制模块、交流伺服驱动器等；变速箱作为天线扫描架的运转转换器，主要包括伺服电机、减速器、齿轮组、运动转换电磁离合器、升降光电码盘、失电制动器、俯仰光电码盘、俯仰数据通断电磁离合器、同步带轮等。同步带采用高强度尼龙夹层同步齿形带；立柱采用高强度玻璃槽钢；俯仰齿轮齿条组件和升降滑套大部分零件采用高强度尼龙加工，在主要受力位置增加金属零件。在天线扫描架设计过程中，考虑到金属材料对测试结果的影响，控制箱以上部分尽量采用高强度非金属材料，在主要受力部位材料金属零件。

2.2 终端软件设计

天线扫描架终端软件控制界面采用Delphi软件制作，如图2所示。

图2 控制软件界面效果图

终端软件主界面划分为动态图形显示区、测量设置分区、测量显示和执行分区。

动态图形显示区在显示界面的左侧，工作时实时显示扫描架探测头的位置。

测量设置分区主要有手动控制、自动控制、标校、通讯检查按钮，位于右上侧。

测量设置分区提供两种方式输入，快速引导和手动引导。快速引导只需输入天线的目标位置，按下运行按钮后系统将根据要求将天线快速带动到目标位置。手动引导需要选择天线的运动速度（速度有高、中、低三种），同时需要按下高度下方相应按钮（有上升和下降）和按下俯仰角度下方的相应按钮（有上升和下降），系统会实时的将天线带动到目标位置，要停止运动可在此按下所按按钮。

该终端软件设有俯仰角度极限与升降高度极限，同时设置紧急停止功能。

3 变速箱设计

3.1 传动原理设计

天线扫描架一般有旋转、升降和横移三个动作，常见的有2轴平移或3轴平移天线扫描架。根据设计要求，结合实际测试工作的情况，采用一个伺服电机通过变速箱输出升降和俯仰两个运动。变速箱的传动原理如图3所示。

图3中，2-减速器速比i=80，3-小齿轮齿数为Z1，Z1=30，4-转换齿轮齿数为Z2=80。从电机到11-俯仰输出轴的减速比为213.33，从电机到10-升降输出轴的减速比为213.33。

图3 变速箱传动原理图

从上述计算分析可以得出，当5-电磁离合器在吸合状态时，1-伺服电机传递到升降输出轴和俯仰输出轴的转动速度相等。图3中变速箱中的齿轮采用了6级齿轮精度，其中减速器采用了高精度行星减速器，齿隙小于5弧分，保证了变速箱的传动精度。

3.2 天线升降原理

图3中，通过依次完成5-运动转换电磁离合器通电吸合、9-俯仰数据通断电磁离合器断电脱开和7-失电制动器通电脱开一系列动作完成后，1-伺服电机驱动2-减速器一系列齿轮后，最后通过10-升降输出轴和11-俯仰输出轴同步转动，在升降输出轴和11-俯仰输出轴上安装同规格的同步带轮，由两个同步带轮的转动通过齿形带的直线运动，在同步带上转接升降滑套，进而实现了天线扫描架的升降运动，为了实时测量升降的位置信息，在变速箱中通过4-转换齿轮传动将直线运动测量转换成旋转运动测量，采用的升降光电码盘为16位多圈绝对值光电码盘，可以将升降运动的位置信息通过多圈编码器记录下来，实时反馈到主机控制模块，形成位置闭环控制。由于伺服驱动器本身具有很高的电机转速控制精度，实测速比高达6000，因此位置环在同步齿形带不变形的条件下，可以实现很高的控制精度。由于此时9-俯仰数据电磁离合器断电脱开，8-俯仰光电码盘不计数，天线俯仰位置保持不变。天线扫描架立柱内部安装升降极限位置限位开关。文中自动升降和自动俯仰所采用的同步齿形带，采用手动张紧机构调节同步带张紧程度，可有效保证自动升降和自动俯仰的位置精度。

3.3 天线俯仰原理

图3中，通过依次完成7-失电制动器断电吸合、5-运动转换电磁离合器断电脱开、9-俯仰数据电磁离合器通电吸合一系列动作完成后，伺服电机1驱动减速器2带动一系列齿轮后，通过带动11-俯仰输出轴连接同步带轮带动同步齿形带，将同步齿形带转接齿条，在天线俯仰装置上有一个齿轮和齿条啮合，进而将齿条的直线运动转换为齿轮的旋转运动，实现天线扫描架的俯仰运动，俯仰位置的实时测量与升降位置的实时测量原理相同。由于此时5-运动转换电磁离合器断电脱开，6-升降光电码盘不计数，天线高度位置不变。

4 控制系统设计

图4 控制系统组成框图

控制系统主要由主机控制模块、交流伺服驱动器、四个继电器、两个电磁离合器和两个光电编码器组成，其组成框图如图4。其中主机控制模块是控制系统的核心部件，主要由单片机AT89C51、CPLD、高速串行通讯模块、接口芯片作为主控电路，由CPLD产生所有内部所需采样脉冲、地址译码、D/T变换等。驱动器采用台湾台达的ASDA-A2系列全数字驱动模块，电机采用ECMA系列交流伺服电机，功率400W，额定转速3000rpm。

主机控制模块通过RS232光电转换器接收上位机的控制指令，通过SSI接口采集升降光电编码器和俯仰光电编码器位置信息，形成位置闭环控制，驱动器和电机形成电流环和速度环闭环控制，控制模型如图5所示。单片机接收高速串行通讯指令或状态控制信号，通过继电器和电磁离合器切换输出同步带轮，形成升降位置闭合回路或俯仰位置闭合回路。单片机实时采集升降光电码盘和俯仰光电码盘数据，再通过控制算法生成控制误差，经CPLD对控制误差进行D/T变换，形成频率可变的控制误差，输入到伺服驱动器进行伺服系统速度环和电流环控制，伺服驱动器按照调试好的PID整定参数进行控制运算，驱动电机按照给定的方式平稳、可靠的运行。该系统同时具有失电保护、过载保护、急停等多种保护措施，提升了系统运行的安全性。

图5 控制模型图

天线扫描架具有远程控制和本地控制两种方式。本地控制中只需将手持盒电缆插头连接到控制箱插座上，通电后可以通过手持盒操作天线扫描架，可以天线扫描架的升降和俯仰进行手动点动控制和连续控制，以方便人员对被测件进行安装拆卸及手动调整。

远程控制时，测试人员通过上位机按照图2所示控制界面进行标校、手动或自动控制，上位机指令通过光纤传送到天线扫描架控制系统，由控制模块按照通讯协议控制天线扫描架的升降和俯仰运动，以实现人员在无辐射环境下的远程控制。

5 天线扫描架性能测试

图6为天线扫描架的样机实物图，按照天线扫描架设计指标要求，对其进行了试验工作。

图6 天线扫描架实物图

在测试实验中，对天线扫描架样机各个指标进行测试分析，测试结果如表1所示。

表1 测试结果表

由表1数据可知，该远程天线扫描架的各项指标满足设计要求，可以为满足用户的测试工作。

6 结束语

本文研究的天线扫描架是通过一个伺服电机通过变速箱输出升降和俯仰两个运动的方式，同时通过光电码盘实时测量升降和俯仰的位置信息。该变速箱设计思想新颖，可以应用于工业自动化行业的各个领域。

天线扫描架，结构紧凑，大部分材料采用非金属材料，外部连接线缆整齐，控制箱以上没有一根连接电缆和元器件，尽量减少金属材料和控制线对测试结果的影响。经过实际使用，该型天线架可满足实际测试工作。

目前，在实际测试工作时，需要操作人员在试验前做一些准备工作，为了进一步提高该天线扫描架的自动化程度，在未来设计中增加一个方位旋转运动和天线自动极化机构，这样可以满足空间三维测试工作，提高测试效率。

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