一种双频天线俯仰连动机构设计

马万垒

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种双频天线俯仰连动机构设计

马万垒

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

天线座架的俯仰机构带动天线反射面做俯仰运动，是满足天线通信性能要求的重要部件。通过对传统0.9m KaKu双频平板阵列天线俯仰机构结构设计方案进行分析，确定了双频平板天线新型俯仰连动机构详细设计方案。新型俯仰连动机构具有结构简单，加工成本低，可操作性好，重量轻等优点，能有效解决现有天线俯仰机构存在的不足，目前该新型机构已经在多个站型的天线上得到了应用，效果良好。

俯仰机构；连动；双频天线；结构

随着卫星通信相关行业需求的不断增加，卫星通信技术获得了快速发展。卫通天线作为卫通系统不可或缺的组成部分，其使用功能从静中通到动中通，安装平台从固定站到车载、船载、机载等都有了快速发展。天线常用的通信频段以 Ku、Ka、C、X等频段的应用较为广泛，为了更好的满足实际通信需求，一套天线常常覆盖两个或多个通信频段，也就是双频或多频天线。

天线座架主要功能是支撑固定天线反射面，其中天线座架的俯仰机构带动天线做俯仰运动，是满足天线通信性能要求的重要部件,尤其在机载或车载动中通双频天线的设计中，俯仰机构的重要性尤为突出。现有的机载或车载双频天线两个天线反射面俯仰运动的实现多采用两个天线面分别单独驱动控制的方式，但在实际工程使用中，受到重量、安装空间等一些因素影响，存在可实现性差，加工制作成本高，伺服驱动控制系统繁琐等多种不足。新型双频天线俯仰连动机构,一个电机可以同时驱动控制两个天线面连动，其结构易于设计实现，加工制作成本低，伺服驱动控制简便，可靠性高，能有效解决现有传统天线俯仰机构存在的不足。

1 结构设计

现以某机载0.9m KaKu双频平板阵列天线为例，对天线座架俯仰机构结构设计方案进行分析，进而确定其俯仰连动式天线座架设计方案。

1.1 传统俯仰机构结构设计及分析

传统双频平板阵列天线座架俯仰机构主要由俯仰支架、俯仰轴、俯仰驱动电机、俯仰齿轮、支座、机械限位等组成。

俯仰支架是整个俯仰机构支撑和固定的基础，加工时综合考虑天线的使用精度、强度、重量、三防性能以及可加工性等因素，选用5A06防锈铝板型材数控铣加工而成。

俯仰轴作为天线阵面俯仰运动的回转中心，是主要的承力件，选用综合力学性能较好的40Cr圆钢进行加工，再进行调制和氮化等处理后，可以很好的满足使用要求。俯仰轴与俯仰支臂的支撑固定采用圆锥滚子轴承，可承受径向力和轴向力，能够满足天线支撑的需要。

俯仰驱动链采用圆柱齿轮副来实现，齿轮传动具有效率高、传动平稳、承载能力强、可调节齿隙等优点。俯仰齿轮同样采用综合力学性能较好的40Cr钢板加工而成。俯仰驱动电机采用maxon系列60W组合电机来驱动，经过齿轮副传动后，俯仰驱动输出的最大转速为18.9r/min，输出最大力矩为31.7N·m，可以满足天线面的俯仰运动要求。俯仰驱动电机通过偏心套与俯仰支架连接固定，偏心套可以调整俯仰驱动链齿轮副的配合齿隙，从而保证传动的平稳性。由于两个阵列天线面分别进行驱动控制，所以就需要两套独立的俯仰驱动电机和齿轮传动副，调整配合齿隙时也需要分别进行调整。

支座将俯仰轴的回转运动传递到平板阵列天线，同样采用40Cr钢板加工而成，可以满足其实际使用中的受力。

为了保证天线0～90°俯仰运动的安全性，俯仰机构增加俯仰机械限位。实际使用时机械限位通常采用具有一定减震作用的橡胶块，但考虑到橡胶块容易老化，寿命短，并且机械限位是起预防保护的作用，实际使用频次很低，因此俯仰机械限位采用防锈铝材质，避免限位老化后失效问题。

按传统方法设计的双频平板天线座架俯仰机构结构外形如图1所示。两个阵列天线面使用俯仰驱动链来分别进行驱动，需要两个驱动电机，两个驱动链是相互独立的，运动时互不影响，但需要分别调整齿隙。当天线阵面作用到俯仰轴的力矩较大时，必须对两个俯仰轴力矩分别进行配平，以改善整个机构的受力状况，从而达到理想的使用状态。

a)正面

b)背面图1 传统俯仰机构外形图

1.2 新型俯仰连动机构设计与分析

新型俯仰连动机构是在传统双频天线俯仰机构的基础上进行了简化改进，将两个相互独立的驱动链进行了合并，只需要一个俯仰驱动电机进行驱动，其结构组成包括俯仰支架、俯仰轴、俯仰驱动电机、俯仰齿轮、支座、机械限位、连杆、连杆轴、支臂等，其结构外形如图2所示。

连动机构的工作原理是以俯仰支架、俯仰齿轮、连杆以及支臂通过俯仰轴和连杆轴连接组成平行四边形连动机构，机构动作时俯仰支架作为平行四边形的一条长边固定，驱动电机与俯仰齿轮啮合传动，将动力传递到俯仰齿轮，俯仰齿轮作为平行四边形的一条短边，为平行四边形连动机构提供动力。俯仰齿轮带动连接Ka频段天线的支座1绕俯仰轴1转动，实现了Ka频段天线的俯仰运动。连杆是平行四边形另一条长边，俯仰齿轮同时通过连杆将运动传递到支臂，支臂作为平行四边形的另一条短边，带动连接Ku频段天线的支座2绕俯仰轴2转动，实现了Ka频段天线的俯仰运动。支座1在运动时在运动极限位置与限位块接触，对机构进行保护。其中连杆运动时主要承受轴向的拉或压应力，选用5A06系列防锈铝板加工就可以满足使用要求，连杆轴和支臂作为主要的受力支撑件采用40Cr钢加工而成。

新型俯仰连动机构可以使Ka与Ku两个频段天线面同时做俯仰运动，转到速度相同，方向相反，两个天线面夹角固定为天线俯仰运动要求角度范围上下限的差值。两个频段天线面只需要一个驱动电机通过一个驱动链来驱动，并且只调整一次齿隙，两个俯仰轴需要配平时，配平其中一个即可。机构更加简便，可操作性更好。

a)正面

b)背面图2 新型俯仰连动机构外形图

1.3 两种设计优缺点比较

传统俯仰机构优点是两个天线面各自独立运动互不影响，一个驱动电机发生故障无法工作时，不影响另外一个天线面的正常工作。缺点是机构需要两套齿轮啮合传动链，两个驱动电机，所占空间大，成本高，可操作性不好，对应伺服驱动控制程序较繁琐。

新型俯仰连动机构优点是一个驱动电机通过一个传动链同时带动两个天线面，结构简单，加工成本低，可操作性好，重量比传统方案可减轻约1.1Kg，同时伺服驱动控制程序相对简单。缺点是整个俯仰机构一起连动，如果驱动电机发生故障，则两个天线面都不能正常工作。

这两种俯仰机构结构形式各有优缺点，但相比较而言新型俯仰连动机构优点较多，并且对于其缺点，在实际使用中可以选用可靠性较高的俯仰驱动电机来进行弥补。因此综合考虑新型俯仰连动机构各方面的实用性都较高，可以代替传统俯仰机构进行使用。

2 机构受力分析

新型俯仰连动机构是对传统俯仰机构的简化改进，机构各部分的受力状况也相应发生了变化。俯仰驱动电机作为机构的动力输出来源，由原来的两个俯仰驱动电机分别各自驱动两个天线面，变为一个俯仰驱动电机同时驱动两个天线面，俯仰驱动电机的输出力矩是否足够，对其所需力矩进行比较分析是很有必要的。

a) 传统方案

b) 连动方案

驱动电机未工作时，两种机构自由状态下受力简图如图3所示，其中M1和M2分别为Ka和Ku频段天线面对俯仰轴的力矩，F1和F2为连动机构的连杆所受的轴向力，h为F1和F2到俯仰轴的力臂。在不考虑摩擦力的前提下有，F1=M1/h，F2=M2/h。

对于传统方案俯仰机构而言，机构运转时俯仰电机需要满足的条件是驱动力矩不小于M1和M2中较大的一个，即：M传统电机≥[ M1，M2]max。

对于新型俯仰连动方案，当F1>F2时，Ka天线面下转，Ku天线面上转；当F1

两种机构运转时需要的电机驱动力矩进行比较，可以看出二者之间的关系为：M传统电机≥M连动电机。所以新型俯仰连动机构尽管一个驱动电机同时驱动两个天线面，但相对来说机构需要的驱动力矩反而较小，完全可以满足机构运转对驱动力矩的要求。并且连动机构是一个整体，零部件关联度比较高，受力也比较均匀，稳定性好，对满足其强度刚度要求也是很有利的。新型俯仰连动机构方案应用到实际是可行的。

3 结束语

新型俯仰连动机构结构简单，易于设计实现，受力状况好，加工制作成本低，伺服驱动控制简便，能有效解决现有传统俯仰机构存在的不足。对机载0.9m KaKu双频平板阵列天线俯仰连动机构的可行性进行分析，为后续其他站型双频平板天线俯仰连动机构的设计提供了切实可行的参考方案。

[1] 孙桓，陈作模．机械原理(第六版)[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[2] 马万垒，张立军，等. 一种双频天线俯仰连动机构.中国，实用新型，专利号：ZL201520972184.8. 2016.5.

[3] 成大先，王德夫，等.机械设计手册,第3卷[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

The design of a dual-band antenna pitch linkage mechanism

MA Wan-lei

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The pitch mechanism of antenna pedestal drives the antenna reflector to be pitching motion, which is an important part to satisfy the antenna communication performance. Based on the analysis of structure design scheme of the traditional 0.9 meter KaKu dual-band planar array antenna, to determine the detailed design scheme of new pitch linkage mechanism. The new pitch linkage mechanism has the advantages of simple structure, low cost, good operability, light weight and so on, can effectively solve the problems of existing antenna pitch mechanism, the new mechanism has been applied on multiple station antenna, the effect is good.

Pitch mechanism; Linkage; Dual-band antenna; Structure

2017-02-11

马万垒(1983-),男，河北怀安人，工程师，主要从事天线机械结构设计.

1001-9383(2017)01-0057-05

TP821.6

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