唐 煊，王 平

（1. 浙江大学，浙江 杭州 310007；2. 哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150006）

引 言

天线测量转台是天线测量系统的重要装置，它在测试系统的控制下，提供天线测量所需的扫描运动，并实时给出天线的位置信息，与测量系统中的发射器、测试仪器等设备协同工作，采集分析测试数据，得到被测天线的相关性能数据，如副瓣电平、波束宽度、增益、指向等。早期天线的频段和性能指标低，因而对测量转台的性能要求不高，设计相对容易。但随着天线向高频段发展，天线测量转台的精度也大幅提升，对其机械设计和电气控制的要求也更高。

从国内外的研究情况来看，天线测量转台的形式多样，有两轴、三轴、四轴，甚至平移轴，尺寸大小相差很大，承载能力和精度各不相同，主要根据天线测量需求设计，一般是精度高的尺寸、承载小，尺寸、承载大的精度不高。如美国ORBIT/FR公司的AL-4573-1型天线测量转台，采用方位-俯仰-方位三轴结构，其最大负载为1 270 kg，编码器精度为0.03°，最大回差为0.05°[2]；九江精密测试技术研究所的某型天线测试台采用方位-俯仰两轴结构，其最大负载为1 500 kg，两轴回转精度为±0.05°；由华东理工大学设计的天线测试转台采用方位-俯仰-方位结构，其方位定位精度≤0.03°，承重≤4 600 kg，俯仰定位精度≤0.05°，承重≤5 000 kg[3]；由哈工大设计的专用天线测量转台有横滚轴、平移轴、方位轴、俯仰轴和下方位轴，承重78 kg，横滚轴和上方位轴回转误差分别为3′′和5′′，俯仰轴回转误差为5′′[4]。

Ka波段（26.5～40 GHz）的总带宽达到3.5 GHz，通常用于卫星通信，可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、卫星新闻采集等提供条件，应用广泛。由于Ka波段天线波束窄，测量精度高，因而要求测量转台定位精度高，但目前的天线测量转台尚难以满足较大口径Ka波段天线的测量需求。本文结合某大口径Ka天线对高精度测量转台的需求，从功能与指标分析入手，详细阐述了某高精度测量转台的设计及计算，研制了一款满足Ka波段天线测量要求的高精度测量转台，有助于卫星通信技术的快速发展。

1 天线测量转台系统设计

某Ka波段通信天线为卡塞格伦式，口径为2 m，质量为300 kg。根据天线远场测量要求，天线测量转台需要4个转轴，即极化轴、上方位轴、俯仰轴和下方位轴，其中极化轴用于被测天线的极化变换，上方位轴用于测量方位面波瓣，俯仰轴用于测量俯仰面波瓣及使被测天线与发射天线的轴线在垂直面内对准，下方位轴用于将被测天线的轴线与发射天线的轴线调整至同一方位面内。

按照天线测量需求，测量转台技术要求如下：

1）转角范围。极化轴为0°～360°（非连续转动），上方位轴为0°～360°（非连续转动），俯仰轴为-45°～+90°（0°为水平状态），下方位轴为0°～360°（非连续转动）。

2）定位精度。极化轴为±0.09°，上方位轴为±0.02°，俯仰轴为±0.02°，下方位轴为±0.02°。

3）角速度。极化角速度为0.010～12 (°)/s，方位、俯仰角速度为0.010～18(°)/s。

4）最大角加速度。各轴均为6(°)/s2。

5）有效载荷。极化台面负载为300 kg。

6）抗风能力。能在6级风条件下保精度工作。

由技术要求可以看出，该转台的主要特点是：4个轴均非连续转动，转速低；俯仰轴有负倾角；极化轴精度稍低，其余3个轴精度较高；室外工作，有风载荷。

考虑到被测抛物面天线的结构特点和安装方式，极化转动支撑采用双支点回转方式，极化轴通过前后轴承安装于支座上。天线安装于极化轴的前端，极化传动装置安装于极化轴的后端。根据天线的测量需求，将转台设计成串连结构形式，自顶向下依次为极化转台、上方位转台、俯仰转台和下方位转台。为降低高度，上、下方位均选用转盘式结构；俯仰选用U形结构以满足高精度要求；上方位转台与俯仰轴做成一体；极化转台用立柱支撑于上方位转台的上方，以保证天线的运动空间，在要求的转角范围内不与转台干涉。上、下方位及俯仰轴线交于一点，极化轴线与上方位轴线垂直相交，立柱设计成倾斜结构，使上方位转台以上部分的重心落在上方位轴线上，以减小上方位驱动力矩。上方位转台的下方装有俯仰平衡重块，以减小俯仰驱动力矩。天线测量转台结构如图1所示。

图1 天线测量转台结构

1.1 天线测量转台传动链设计

由转台的使用要求和结构布局可知，极化轴和上方位轴的载荷相对较低，俯仰轴的载荷最大，考虑到极化轴的定位精度要求较低，传动链设计为直流电机—行星齿轮减速器—小齿轮—大齿轮形式；上方位轴的定位精度要求较高，驱动力矩较小，因而选择力矩电机直驱方式；俯仰轴的定位精度要求较高，驱动力矩大，如果选择力矩电机直驱，则满足要求的力矩电机体积、质量大，且价格昂贵，因此选用双电机驱动消隙，单个传动链设计为直流电机—行星齿轮减速器—小齿轮—大齿轮形式；下方位轴的定位精度要求较高，驱动力矩较大，同样选用双电机消隙驱动方式，传动链设计为直流电机—行星齿轮减速器—小齿轮—大齿轮（共用）形式。

除上方位轴直驱外，其余各轴的传动机构均采用末级齿轮加行星齿轮减速器的形式，可通过增加末级传动比和提高末级齿轮制造精度来满足转台精度指标要求，而行星齿轮减速器可选用专业厂家生产的型号产品，技术成熟，成本低。

1.2 天线测量转台主要部件结构设计

1.2.1 极化转台

极化转台由支座、转盘、转轴、大齿轮、小齿轮、轴承、轴承盖、齿轮箱盖以及电机、减速器等组成，如图2所示。支座前部是一圆桶形结构，下侧面带有圆形法兰，中部是与前部圆桶同轴、直径较小的管状结构，管内通过轴承支撑转轴，后部是卵形腔体结构，与齿轮箱盖一起构成齿轮箱。转盘固定于转轴前端，2个轴承位于转轴中部（间距150 mm），大齿轮固定于转轴后端。小齿轮通过键和轴端挡圈固定在减速器输出轴上，随减速器一起安装在齿轮箱盖上，并伸入齿轮箱与大齿轮啮合。电机安装在减速器尾端。由于极化轴的精度指标要求较低，为简化结构，不在负载端安装角度检测元件，直接利用电机端反馈元件测角，选择多圈绝对值编码器，其精度为1′。

图2 极化转台

1.2.2 上方位及俯仰组件

上方位及俯仰组件结构如图3所示。上方位转台由上方位支座、上方位转盘、轴承、力矩电机、旋转变压器等组成，上方位转盘通过轴承安装于支座上，电机的转子与转盘固定连接，电机的定子与支座固定连接。俯仰部分由俯仰支臂、俯仰轴、俯仰大齿轮、俯仰小齿轮、轴承、轴承盖、配重块、电机和减速器以及旋转变压器、行程开关等组成。俯仰轴与上方位支座做成一体，俯仰支臂上部由壳体和盖板构成俯仰齿轮箱，俯仰轴两端各通过2个轴承安装于左右俯仰支臂上，俯仰大齿轮位于2个轴承中间。小齿轮通过定位销和螺钉固定在减速器输出轴上，随减速器一起安装在齿轮箱盖上，并伸入齿轮箱与大齿轮啮合。电机同样安装在减速器尾端。俯仰轴内一端安装旋转变压器（用于测量俯仰角度），另一端安装行程开关（用于俯仰转动范围安全限位，安全转角范围设定为-50°～+95°）。配重块通过支架悬挂于上方位支座下端。

图3 上方位及俯仰组件

由于俯仰轴载荷较大，俯仰小齿轮设计成两端双支撑方式而不是悬臂方式，小齿轮为齿轮轴形式，一端与减速器输出轴端面固定连接，另一端通过一个角接触球轴承安装于俯仰支臂壳体上，角接触球轴承也由调整垫片预紧。上方位转盘与上方位支座之间、配重块支架与上方位支座之间以及俯仰轴承盖、俯仰齿轮箱盖和减速器安装处均有密封圈，保证上方位力矩电机、旋转变压器、轴承和齿轮与外界环境隔离。俯仰电机和减速器均选用防水型号，以满足室外使用环境要求。

1.2.3 下方位转台

下方位转台是整个测量转台的基础，包括底座、转动平台、内齿式轴承、小齿轮、电机和减速器以及旋转变压器等，如图4所示。转动平台通过轴承安装在底座上，电机与减速器串接，小齿轮套装在减速器输出轴上，减速器安装在底座顶板上，小齿轮伸出顶板与大齿轮啮合。2套电机、减速器及小齿轮相对于转动中心对称安装。下方位旋转变压器通过支架安装在转动平台与底座顶板之间。

图4 下方位转台

底座设计为钟形结构，刚度好，重量轻，内部空间大，可安装2套驱动装置。底座顶部有轴承、减速器和旋转变压器支架安装接口，底部留有与基础连接固定的接口，在侧面与内部电机对应位置开维修检查口，并装盖板。转动平台采用箱式结构，具有比较好的刚度，在上表面设计俯仰支臂的接口，在下表面设计与轴承连接的接口。方位轴承选用带内齿的四点接触球转盘轴承，具有减小体积和重量、提高刚度、减少连接环节、提高精度等优点。转动平台下面设有挡水圈，套在底座上口（留间隙以防摩擦），防止雨水进入底座。转动平台上面中心旋转变压器支架安装处有密封圈，保证转动平台的密封。

2 天线测量转台定位精度分析

影响定位精度的主要因素是传动误差和传动回差。对于本转台，由于极化轴架高，立柱在载荷作用下会变形，变形量随着俯仰角度的变化而变化，其弯曲变形影响俯仰角度精度。另外，为减小上方位的偏心力矩，立柱设计成倾斜结构，其扭转变形影响上方位角度精度。

2.1 传动误差

齿轮的传动误差α包括极化轴的传动误差α1，俯仰轴的传动误差α2和下方位轴的传动误差α3。

2.1.1 极化轴的传动误差

极化轴大齿轮：齿数z1= 76，模数m1= 3，分度圆直径d1= 228 mm，5 级精度，周节积累误差Fp1= 0.063；极化轴小齿轮：齿数z2= 19，模数m2= 3，分度圆直径d2= 57 mm，5级精度，周节积累误差Fp2= 0.025。极化轴大、小齿轮的传动比i1=4，小齿轮周节累积误差折算到极化轴上为：

末级齿轮副的周节累积误差（切向线性值）为：

则极化轴的传动误差为：

2.1.2 上方位轴的传动误差

上方位由力矩电机直接驱动，即由电机直接驱动上方位转盘转动，无中间传动链，因而无传动误差。

2.1.3 俯仰轴的传动误差

俯仰大齿轮：齿数z3= 136，模数m3= 3.5，分度圆直径d3= 476 mm，5 级精度，周节积累误差Fp4=0.05；俯仰小齿轮：齿数z4=17，模数m4=3.5，分度圆直径d4= 59.5 mm，5级精度，周节积累误差Fp5= 0.02。俯仰大、小齿轮的传动比i2= 8，小齿轮周节累积误差折算到俯仰轴上为：

末级齿轮副的周节累积误差（切向线性值）为：

则俯仰轴的传动误差为：

2.1.4 下方位轴的传动误差

下方位大齿轮：齿数z5= 136，模数m5= 4，分度圆直径d5= 544 mm，5 级精度，周节积累误差Fp7=0.05；下方位小齿轮：齿数z6=17，模数m6=4，分度圆直径d6= 68 mm，5级精度，周节积累误差Fp8= 0.02。下方位大、小齿轮的传动比i3= 8，小齿轮周节累积误差折算到下方位轴上为：

末级齿轮副的周节累积误差（切向线性值）为：

则下方位轴的传动误差为：

2.2 传动回差

极化轴上的回程误差Δφ主要由末级齿轮的传动回程误差Δφ1与行星齿轮减速器的回程误差Δφ2（取背隙5′）综合而成。极化小齿轮的径向跳动公差Fr1= 25 μm，极化大齿轮的径向跳动公差Fr2= 36 μm，传动比i4= 4，啮合角β= 20°，则法向齿隙jn为：

末级齿轮的传动回程误差为：

则极化轴上的回程误差为：

上方位轴采用力矩电机直驱，无回差。俯仰轴采用双电机驱动消隙方式，将回差完全消除。下方位轴同样采用双电机驱动消隙方式，无回差。

2.3 立柱结构有限元分析

立柱对极化转台起到支撑作用，同时下方连接上方位转台，传递力和扭矩，由于俯仰轴与上方位轴的位置精度均为±0.02°，要求较高，且立柱的受载变形情况直接影响位置精度，因此对立柱进行强度尤其是刚度校核至关重要。

由天线测试转角范围可知，当俯仰轴旋转至90°（天线仰天）时，立柱水平悬臂，其受力变形量最大，此时变形影响俯仰轴角度精度（上方位转角为0°），定为工况1。当俯仰轴旋转至90°，上方位转角也为90°时，立柱弯曲偏心，产生扭转变形，影响上方位转角精度，定为工况2。

利用UG的高级仿真模块（Nastran求解器）对立柱进行静态分析。对UG中建立的三维实体模型进行简化，去掉插座凸台、密封槽、倒圆角等对整体刚度影响不大的细节部分。选用3D四面体单元划分网格，对立柱下法兰螺栓孔施加固定约束，将天线及极化转台载荷等效至上法兰处，在第1种工况下施加4 263 N的力（重力），力矩为1 065.75 N·m，在第2种工况下施加4 263 N的力（重力），力矩为1 065.75 N·m，扭矩为232.48 N·m。分析结果如图5和图6所示。

图5 工况1下的应力图和俯仰转角图

图6 工况2下的应力图和上方位转角图

由图5和图6分析可知，立柱应力的最大值位于下法兰螺栓连接处，在工况1下大小为62.55 MPa，在工况2下大小为79.15 MPa，均小于ZG 340-640材料的许用应力246.86 MPa，因而结构是安全的。由立柱变形（因外载荷作用）造成的俯仰轴角度偏差的最大值θ1= 0.007°，上方位轴角度偏差的最大值为θ2=0.002°。

2.4 误差综合

极化轴和俯仰轴均采用角接触球轴承成对安装，并通过调整垫片来给轴承预紧，消除游隙。上方位轴和下方位轴均选用四点接触球转盘轴承，游隙为-0.01～0 mm，以实现负游隙，提高承载能力和旋转精度。因此，轴承游隙带来的误差可以忽略。

齿轮传动回差Δφ与传动误差α是既有联系又有区别的2种误差，为相关误差，对它们直接叠加取代数和。由于立柱变形与齿轮传动回差和传动误差无关，因此立柱的变形量与这2种误差为不相关误差，分析系统误差时取均方根值。各轴的综合误差如下：

1）极化轴的综合误差（极化轴的角度偏差θ3=0）满足极化轴0.09°的指标要求。

2）上方位轴的综合误差

满足上方位轴0.02°的指标要求。

3）俯仰轴的综合误差

满足俯仰轴0.02°的指标要求。

满足下方位轴0.02°的指标要求。

3 结束语

本文研究的天线测试转台是为卡塞格伦式天线设计的专用设备，用于Ka波段通信天线远场测量。通过对总体技术指标的分析，详细介绍了高精度天线测量转台的传动链设计、主要结构件设计及精度误差分析，采用四自由度转台结构，通过结构合理布局、力矩电机直驱、双电机消隙驱动等措施的组合应用，实现了高精度天线测量转台设计，很好地满足了某Ka波段通信天线远场测量的需求。该研究内容和方法可为类似产品的设计提供重要参考。