X-Y型天线座构型设计*

李建军，贾彦辉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081)

X-Y型天线座构型设计*

李建军，贾彦辉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081)

文中研究了天线座的工作原理及结构特征，由于A-E型天线座存在天顶的跟踪盲区，致使其无法完成过顶目标的跟踪任务。X-Y型天线座将天线的跟踪盲区转移到X轴的两端，即地平线上，因此可满足天线跟踪过顶目标的任务要求。同时，结合实际工程应用，提出了几种不同构型的X-Y座架型式，以及各自的技术指标及适用范围。文章面向实际任务进行机构设计，研究内容对于X-Y型天线座架设计具有重要的指导意义。

X-Y型天线座；A-E型天线座；跟踪盲区

引 言

天线座作为天线的支撑与定向装置，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到天线的射频特性及伺服功能[1]。

传统的天线座多为方位-俯仰(A-E)型结构，由2个相互垂直的转轴(A轴、E轴)组成，A轴为铅垂状态，E轴位于A轴上方，呈水平状态[2]。通过两轴的转动，使得天线波束覆盖整个空域。

A-E型天线座跟踪目标时，当目标仰角趋近于90°时，方位角速度趋近于无穷大。由于A轴速度不可能无限增加，因此，A-E型天线座跟踪目标时不可避免地存在盲区。为完成目标的过顶跟踪，引入了X-Y型天线座结构[3]。

1 X-Y型天线座工作原理

X-Y型天线座也有2个转轴(X轴、Y轴)，两轴都是水平配置，互相垂直，Y轴位于X轴之上。这种类型的天线座也有盲区，但是不在天顶，而在X轴的两端，即地平线上，如图1所示。

X轴的角速度由目标在Y方向的运动引起，其大小取决于目标与X轴之间的距离，即：

(1)

式中：θ为Y轴角度(朝天为0°)；R为天线与目标间距离；Vs为目标线速度。

天线跟踪目标过顶时，θ=0°，X轴的角速度最小；在跟踪靠近地平线的目标时，X轴的角速度最大。它的两个轴只需转动±90°，就能够覆盖整个空域。因此不需要高频旋转关节、滑环或电缆卷绕装置。

如图2所示，轨道高度为300km的圆轨道极轨卫星，已知其线速度Vs=7.72km/s，O为地球球心；G为天线位置；S0为目标地平点；S1为目标任意点。

图2 天线与目标位置关系图

当目标位于S0时，θ=90°，X轴的角速度趋向于无穷大，天线不能跟踪目标。由于天线在低仰角时存在地面多径效应，为了很好地接收目标信号，地面站天线一般要求工作仰角为3°以上，这就正好避开了X-Y型天线座的跟踪盲区。

当目标位于任意位置S1时，根据ΔS1GO中三角函数关系可得：

已知Re=6 378 km，h=300 km，仰角3°时θ=87°，计算得R=1 673 km。

将R代入式(1)可得ωX=5°。

因此，与A-E型相比，X-Y型天线座既具备了跟踪过顶目标的能力，又大大降低了两轴的驱动转速。

2 X-Y型天线座构型设计

2.1 全配重构型

X-Y型天线座结构不紧凑，重量较大，因为两根转轴都不与地面垂直，如果转动部分的重心不在转轴上，就会产生不平衡力矩。传统的X-Y型天线座两轴都需要配重，所以体积、重量大，两轴的间距大，转动惯量也大。下面以X频段5.4 m X-Y型天线为例介绍。

5.4 m X-Y型天线包括反射体、X轴装置、Y轴装置、底座4部分，如图3所示。

图3 全配重X-Y型天线

结构性能指标如下：

1)X、Y轴运动范围：-90°～90°；

2)X、Y轴驱动速度：0.01～5 °/s；

3)X、Y轴驱动加速度：0.01～5 °/s2。

Y轴装置采用叉臂方箱结构，位于X轴上端。随着X轴的转动，Y轴的姿态在水平与垂直方向不断改变，如图4所示。

图4 Y轴装置示意图

在U形叉臂中间安装高频箱，其中容纳天线高频系统。高频箱上端面与天线连接，尾部安装配重，用以平衡天线反射体相对Y轴的不平衡力矩。由于配重相对于Y轴力臂较短，因此，所需配重较多。

叉臂的跨距和高度取决于高频箱的体积和Y轴的位置，驱动、限位、锁定及测角机构分别位于左右叉臂之中。

Y轴与U形叉臂固定，高频箱两侧通过圆锥轴承与Y轴连接。叉臂两端各安装一套驱动机构，同时驱动高频箱两侧的齿轮，使得高频箱带动天线作Y轴运动。

X轴装置采用挂臂方箱结构，用于支撑5.4 m天线反射体以及Y轴装置，如图5所示。

图5 X轴装置示意图

方箱内容纳X轴装置部分的驱动、限位、锁定及测角机构，X轴由2个半轴头组成，分别通过圆锥轴承与方箱两侧相连。在X轴两侧安装挂臂，挂臂上端面与Y轴装置连接，下端安装配重，用以平衡天线反射体及Y轴装置相对X轴的不平衡力矩。

方箱下平面固定在底座上，内部容纳X轴装置的驱动、限位、锁定及测角机构。X轴与方箱固定，左、右挂臂通过圆锥轴承安装在X轴两侧。挂臂上端面与Y轴装置连接，下端安装配重，用以平衡天线反射体及Y轴装置相对X轴的不平衡力矩。

驱动机构共2套，同时驱动左、右挂臂的大齿轮，实现Y轴装置及天线做X轴运动。

如图4所示，Y轴高度4 560 mm，X轴高度3 000 mm，天线回转直径9 880 mm，总重量10 900 kg，两轴驱动功率各为3 000 W。

该构型天线座两轴均需配重，天线座体积及重量较大，转动惯量大，刚度低，因此运动速度、加速度受限，天线快速响应能力较差。由于两轴均为平衡状态，因此，驱动功率较低。

2.2 无配重构型

由于全配重X-Y型天线的尺寸和重量较大，制约了产品的推广和应用。为了降低重量，减小工作空间，本节介绍一种无配重X-Y型天线构型。

仍以X频段5.4 m天线为例，其结构性能指标同上，天线包括反射体、X轴装置、Y轴装置、底座4部分，如图6所示。

图6 无配重X-Y型天线

X轴装置和Y轴装置结构相同，正交安装，主要包括电机、减速机、末级齿轮弧、支臂、码盘、限位机构等零部件，如图7所示。

图7 X(Y)轴装置示意图

X(Y)轴为整体轴，两端通过圆锥轴承支撑在支臂左右。末级齿轮弧安装在X(Y)轴中间。电机、减速机安装在支臂底部，输出小齿轮与末级齿轮弧啮合，组成闭合的驱动机构。在X(Y)轴的一侧安装码盘，实时输出X(Y)轴角度信号。

X轴装置的支臂底平面固定在底座上，Y轴装置的支臂底平面支撑天线，两轴的末级齿轮弧平面连接固定，轴线垂直相交。

此时，Y轴装置的电机、减速机位于支臂上部，工作时，末级齿轮弧与Y轴固定不动，驱动系统带动支臂及天线绕着末级齿轮弧圆周滚动，实现天线做Y轴运动。

X轴装置的电机、减速机位于支臂下部。工作时，驱动机构及支臂固定不动，X轴与末级齿轮弧转动，实现Y轴装置及天线做X轴运动。

该构型的5.4 m X-Y型天线X(Y)轴均没有配重，天线工作在偏心状态。为保证天线能够反向自锁，高速级采用蜗轮减速机，利用其自锁功能保证天线安全工作。直齿轮副位于传动链末级，精度高，加工、装配质量容易保证。

如图7所示，由于无配重，该构型天线的体积和重量较原来大幅度减小。Y轴高度3260mm，X轴高度3 000 mm，天线最大回转直径7 300 mm，总重量3 800 kg，两轴驱动功率各为6 000 W。

由于传动链采用了蜗轮蜗杆副，因此该构型天线运动速度、加速度受限，天线快速响应能力较差。由于两轴均工作在偏心状态，因此驱动功率较大。

2.3X轴虚轴构型

某船载X-Y型天线对于体积、重量、驱动功率的要求都比较严格。为了补偿船摇带来的角度偏差，要求天线运动速度、加速度较高，需要两轴全方位平衡。上述两种构型均不能满足使用要求，因此设计了全配重X轴虚轴构型。

仍然是X频段5.4 m天线，其结构性能指标同上。天线包括反射体、X轴装置、Y轴装置、底座4部分，如图8所示。

图8 全配重虚轴X-Y型天线

X轴装置主要包括圆弧滚道、滚轮支架、压紧滚轮、导向滚轮、减速机、电机、码盘、机电限位装置等零部件，如图9所示。

图9 X轴装置

滚轮支架固定在底座上，其上安装5对上下布置的压紧滚轮，对X轴装置的圆弧滚道进行支撑定位；另有2对左右布置的导向滚轮对圆弧滚道进行导向，防止其左右偏摆。滚轮既承受径向力，又能承受由于滚道的左右偏摆引起的轴向力。

电机通过减速机驱动圆弧滚道背面的齿轮，从而带动圆弧滚道作X轴旋转。圆弧滚道的几何轴心即为X轴，它是一个虚轴。

Y轴装置包括箱体、大齿轮、左右轴头、配重、减速机、伺服电机、码盘、机电限位装置等零部件，如图10所示。

图10 Y轴装置

Y轴装置的中心箱体通过左右轴头支撑在X轴装置的圆弧滚道上，箱体的上平面与天线相连。伺服电机通过减速机驱动Y轴大齿轮，从而带动中心箱体和天线一起做Y轴旋转。在Y轴的右轴头上安装码盘，实时输出天线座Y轴角度信号。

天线在X轴=0°，Y轴=0°状态，X、Y轴距离安装底平面约为3 000 mm。天线最大回转半径为6 600 mm，总重量4 500 kg，两轴驱动功率各为3 000 W。

该构型天线座两轴全方位平衡，X、Y轴垂直相交，因此，传动链不需要自锁。天线体积、惯量、驱动功率大大降低。重量较无配重构型稍大，远低于全配重构型。因此，天线可满足较高的运动速度、加速度要求。

3 结束语

由于A-E型天线座架存在天顶的跟踪盲区，不能满足任务需求，从而引出了X-Y型天线座架。分析了X-Y型天线的工作原理及使用范围，根据天线的应用需求，详细介绍了X-Y型天线的3种不同构型，并从体积、重量、功耗等方面加以比较。研究内容紧密结合工程实际，对于X-Y型天线工程化设计具有重要的理论指导意义。

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

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

[3] 张燕. 过顶跟踪的天线座设计方法[J]. 无线电工程, 1997, 27(4): 37-39.

李建军(1970-)，男，高级工程师，主要研究方向为天伺馈系统结构设计。

贾彦辉(1984-)，男，工程师，主要研究方向为天伺馈系统结构设计与力学分析。

Configuration Design of X-Y Style Antenna Pedestal

LI Jian-jun，JIA Yan-hui

(The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

This article studies the working theory and structure character of antenna pedestal. Because of the zenith tracking blind zone, A-E style antenna pedestal could not satisfy the tracking demand. X-Y style antenna pedestal moves the blind zone to the two sides ofXaxis (the horizon), therefore satisfying the tracking demand. According to the project applications, several different configurations of X-Y style pedestals are proposed, including their specifications and applicability. The design in this article is project-oriented, therefore its results have important guidance meaning for the design of X-Y style pedestals.

X-Y style antenna pedestal; A-E style antenna pedestal; tracking blind zone

2014-03-06

TN820.8+2

A

1008-5300(2014)05-0037-04