江水東，侯仰青，柏宏武，2，曹子龍

(1.航天躍盛(杭州)信息技術有限公司上海分公司，上海 200240；2.浙江大學 工程師學院，杭州 310000)

0 引言

現(xiàn)代通訊中，隨著雷達和通訊系統(tǒng)的不斷發(fā)展，天線數(shù)量越來越多。為了減少天線的數(shù)量及其引起的互相干擾，要求單天線發(fā)揮多功能的作用。平面反射陣天線[1-3]是相控陣天線的另外一種形式，工作模式靈活多變，能夠?qū)崿F(xiàn)快速賦形、波束掃描、多波束形成，有望承接空間監(jiān)測及追蹤等任務。當前普遍使用和應用的天線主要包括反射面天線技術和相控陣天線技術。然而，它們的輻射性能、掃描速度、基本結構、體積、功耗、制備成本等都存在一定的差異。

拋物面反射器大質(zhì)量，相控陣天線效率低等問題難以解決。自19世紀90年代，平面反射陣天線引起廣泛的關注和研究。作為一種新的天線技術，它具有高增益、高效率和高性能的特點，未來可應用于深空探測、空間遙感、星際通訊以及其他領域。該天線技術結合了拋物面天線和相控陣天線技術的優(yōu)點，采用空間饋源技術以及單元相位靈活可調(diào)，具有輻射效率高、低功耗、大掃描角度、單元相位易調(diào)、重量輕、成本低以及控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點。

為了實現(xiàn)波束靈活掃描以及獲得較高天線的效率或增益，要求反射陣天線的每個天線單元相位獨立可控。旋轉(zhuǎn)天線單元或改變單元的相對位置，可以實現(xiàn)相位調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)各天線單元獨立可控，每個單元都需要一個執(zhí)行器。當前單元相位調(diào)節(jié)主要有旋轉(zhuǎn)單元、改變單元尺寸大小、改變單元垂直距離及改變單元貼片的相對介電常數(shù)四種形式。本文重點研究基于旋轉(zhuǎn)單元的相位調(diào)節(jié)方法。

本文采用軸對稱結構旋轉(zhuǎn)天線單元，為了實現(xiàn)360°全相位調(diào)節(jié)，需要執(zhí)行器能夠在0°～180°或±90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)?？紤]集成度和空間限制，要求執(zhí)行器具有較小的體積和較輕的重量。由于陣列單元數(shù)量較多，散熱也將成為一個嚴重的問題，要求執(zhí)行器具有較低的功耗。傳統(tǒng)的執(zhí)行器有很多致命缺點，因此不能用于反射陣天線上，例如傳統(tǒng)電磁電機[4-5]具有較大的體積、較大的質(zhì)量、較高的功耗以及較多的控制線?；谛螤钣洃浐辖鹦D(zhuǎn)執(zhí)行器[6-8]需要較長的溫度轉(zhuǎn)換時間，導致較低的旋轉(zhuǎn)速度。電激活聚合物[9-10]具有較大的體積，且旋轉(zhuǎn)角度較大時，需要大激勵電壓。廣泛使用的超聲馬達[11-15]，盡管它們具有較小的體積，較低的輸入電壓(功耗)，但是具有轉(zhuǎn)速低且要求高性能的伺服系統(tǒng)。本文提出了一種針對該反射陣天線技術而開發(fā)的一款體積小、重量輕、功耗低、響應速度快以及控制系統(tǒng)簡單的執(zhí)行器，解決了當前執(zhí)行器響應速度慢、功耗高、控制系統(tǒng)復雜等問題。

1 精密驅(qū)動與傳動機構設計及分析

本文研究的相位調(diào)節(jié)作動器是基于壓電雙晶片和齒輪傳動系統(tǒng)。壓電材料具有電致響應速度快、功耗低等優(yōu)點，與齒輪傳動系統(tǒng)組合后能夠輸出較大的角度位移。由于壓電雙晶片在電激勵條件下，通過壓電材的彈性形變實現(xiàn)位移量輸出，撤銷外激勵電壓時，雙晶片能夠恢復到激勵前的位置。因此在相位調(diào)節(jié)過程中不需要復雜的伺服系統(tǒng)即可實現(xiàn)高精度相位調(diào)節(jié)。

當激勵電壓或電流施加到壓電材料上時，根據(jù)逆壓電效應[16-19]，能夠快速發(fā)生變形，且壓電材料形成的壓電片具有一定的剛度，因此選擇壓電材料用于制備執(zhí)行器的主動單元。本文設計了基于杠桿放大機制的壓電執(zhí)行器，基本結構如圖1(a)所示。它主要包括壓電雙晶片、微齒輪、扇形齒輪、輸出軸及軸承等。壓電雙晶片作為懸臂梁結構，它能夠提供輸出軸旋轉(zhuǎn)時需要的力和位移。當電壓加載到雙晶片上時，雙晶片的尾端會產(chǎn)生一定的撓度，如圖1(b)所示。微型齒輪和扇齒用于將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，且扇形齒輪起杠桿作用，用于將小位移放大。

(a)執(zhí)行器的基本結構

為了提高結構剛度以及減小或消除因受力不平衡引起的齒輪間嚙合間隙和卡齒，設計了具有對稱雙晶片結構的執(zhí)行器，如圖1(c)所示。與雙晶片尾端相連接的齒條，通過齒輪傳動的方式將雙晶片尾端的線性直線運動轉(zhuǎn)換為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動。尾端齒條的上下往復運動轉(zhuǎn)換為齒輪的往復旋轉(zhuǎn)運動。

根據(jù)之前研究[20]，雙晶片尾端上下位移輸出量與它自身的長度呈正比關系。結構設計中，當齒輪的分度圓直徑確定后，雙晶片的長度就決定了齒輪的旋轉(zhuǎn)角度。為了獲得較大的輸出角度，需要雙晶片具有較大的上下位移輸出量及較小的齒輪分度圓直徑?？紤]制備及裝配成熟度，采用了分度圓直徑為2.5 mm的齒輪。對于X波段反射陣天線單元，為了提高天線單元的輻射效率，天線單元在陣面X和Y方向上單元間距為18 mm。為了有效的增加雙晶片的長度，執(zhí)行器在陣列單元之間采用對角安裝，采用這種方法后，執(zhí)行器的有效長度增大到22 mm。

使用有限單元法計算了雙晶片尾端的上下位移量輸出，結果如圖1(b)所示。為了保證壓電片的使用壽命，輸入電壓被限制在150 V范圍內(nèi)。當輸入激勵電壓為150 V時，尾端輸出位移達到145 μm。同樣，可以采用有限單元法計算雙晶片作動過程中的應力場分布，如圖2所示，在加載上述電壓載荷下，最大應力達到120 Mpa，該應力值遠小于材料的屈服強度。

圖2 最大電壓載荷下雙晶片的應力場分布

當雙晶片尾端輸出145 μm時，微齒輪的旋轉(zhuǎn)角度為6.65°。為了獲得±90°旋轉(zhuǎn)角度，雙晶片尾端小位移需要放大，通過計算放大倍數(shù)為13.5，為了保證旋轉(zhuǎn)角度，采用了14倍的放大倍數(shù)。如圖3所示，位移放大機構由齒輪及扇齒傳動機構組成。

圖3 旋轉(zhuǎn)角度放大機構

通過有限單元法計算了執(zhí)行器的響應時間。如圖4所示，執(zhí)行器的輸出角度響應時間為0.15 s。為了提高角度輸出速度，設計了對稱多層雙晶片作為執(zhí)行器的執(zhí)行單元。

圖4 單層對稱式執(zhí)行器響應時間計算

通過有限單元法計算了壓電片層數(shù)與響應時間之間的關系，如圖5(a)所示，雙晶片層數(shù)越多響應時間越短，4層時響應時間為60 ms。如圖5(b)所示，輸出位移隨著層數(shù)的增加而略有減少，另外，雙晶片層數(shù)的增加會導致執(zhí)行器體積變大，因此，設計了3層雙晶片結構的執(zhí)行器。如圖6所示，執(zhí)行器的輸出位移與激勵電壓呈現(xiàn)線性比例關系，執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)過程中最大應力為120 Mpa，分布在雙晶片與連接板交叉處，應力遠小于材料的屈服強度。設計執(zhí)行器外殼用于保護雙晶片及運動傳遞系統(tǒng)免于破壞、提供輸出軸位置定位，且作為PZT共負電極。最終，執(zhí)行器的結構被設計為如圖7所示的結構，基本尺寸為150 mm×10 mm×15 mm。

(a)位移與電壓之間的關系

圖7 執(zhí)行器基本結構

2 高精度制備與裝配

采用精密加工工藝和MEMS工藝實現(xiàn)了執(zhí)行器的制備。雙晶片由PZT和GFRC組成，GFRC材料具有較高的剛度、絕緣以及低密度等特性可被用于雙晶片的制備。PZT與GFRC通過載銀導電膠實現(xiàn)黏接。其中銀層通過絲網(wǎng)印刷技術制備。PZT和GFRC的拓撲結構通過激光刻蝕的方式實現(xiàn)。

(a)制備流程

執(zhí)行器的制備和裝配工藝如圖8(a)所示，主要分為8個步驟：步驟1中，通過上述工藝制備雙晶片；步驟2中，銅材料具有較好的導電性且易于成型，被用于制備執(zhí)行器的外殼。由于雙晶片的輸出位移量較小，使用傳統(tǒng)機加工工藝在外殼上制備雙晶片夾槽會出現(xiàn)加工面不垂直，以及加工過程中由于高溫而引起的塑形形變，會引起對稱雙晶片與外殼的后續(xù)裝配精度不高，導致裝配的執(zhí)行器出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。通過不斷摸索以及嘗試，使用慢走絲方式能夠?qū)崿F(xiàn)夾槽的高精度加工；步驟3中，齒輪通過銑齒機實現(xiàn)制備，輸出軸及螺栓分別通過走心機及微型精密機床完成制備；步驟4中，在PZT電極上焊接銅導線；步驟5中；完成雙晶片與齒條的裝配；步驟6中，將裝配好的雙晶片和直齒條黏接到執(zhí)行器殼體上。初始使用螺栓和壓塊的方式實現(xiàn)雙晶片與外殼的連接，然而雙晶片的位置中心受到螺栓力的影響比較大，難以得到保證。后續(xù)采用導電膠、結構固化膠以及安裝工裝實現(xiàn)雙晶片與外殼的高精度裝配；步驟7中，通電實現(xiàn)多次往復擺動，目的是去除裝配應力，避免直接安裝后終端輸出軸左右往復旋轉(zhuǎn)角度大小不等。步驟8中，裝配其他剩余部件，最終裝配完成的執(zhí)行器如圖8(b)所示，最終尺寸為50 mm×10 mm×15 mm。

3 位移響應測試

對制備完成的執(zhí)行器進行性能測試。如圖9(a)所示，搭建的測試裝置由量角器和指針構成，用于實現(xiàn)輸出旋轉(zhuǎn)角度和輸入電壓測試。測試過程中，0～150 V間隔10 V的輸入電壓施加到執(zhí)行器上。圖中黃色線為一組電壓控制器，紅色為另外一組。它們被連到電源的正極，執(zhí)行器殼體被連接到電源的負極。當交替施加直流電壓到其中的一組導線，執(zhí)行器指針能夠?qū)崿F(xiàn)往復旋轉(zhuǎn)運動。標定數(shù)據(jù)為三次測量數(shù)據(jù)平均值。測試結果如圖9(b)所示，旋轉(zhuǎn)角度和輸入電壓之間的關系近似線性，旋轉(zhuǎn)角度隨著電壓的增加而變大，當輸入電壓為150 V時，旋轉(zhuǎn)角度達到100°。同時，當相同電壓加載到另外一組導線上時，旋轉(zhuǎn)角度會達到-100°。因此，交替給不同組導線施加電壓時，執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度會達到±90°范圍。如圖9(c)所示，平均值與三組值的最大偏差角度為2°，遠高于X波段3比特45°的角度精度要求。

(a)測量裝置

快速相機用于測量執(zhí)行器的角度輸出響應時間。如圖10所示，執(zhí)行器未帶負載條件下，當輸入電壓為150 V時，執(zhí)行器的角度響應時間為8 ms。因此，當旋轉(zhuǎn)角度低于±100°時，角度響應時間會低于8 ms。通過扭矩=角加速度*轉(zhuǎn)動慣量，換算執(zhí)行器角度響應過程中的平均輸出轉(zhuǎn)矩為1.8 N·mm。

圖10 執(zhí)行器角度響應時間測試

4 結論

本文主要講述了一種可用于圓極化可重構反射陣波束掃描天線的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。設計了基于雙晶片的具有齒輪傳動機制及杠桿放大機構的執(zhí)行器。雙晶片提供驅(qū)動力和位移，齒輪傳動機制將雙晶片尾端的上下運動轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動，杠桿放大機制將小位移放大。根據(jù)天線單元的空間尺寸，設計及優(yōu)化后的執(zhí)行器基本尺寸為50 mm×10 mm×15 mm。采用精密機械加工工藝實現(xiàn)了執(zhí)行器的制備，并完成了各零部件之間的裝配。對制備的執(zhí)行器進行了性能測試，結果顯示輸入電壓與輸出位移之間近似線性關系。對兩組雙晶片交替施加激勵電壓時，執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度達到±100°，滿足單元貼片相位調(diào)節(jié)對旋轉(zhuǎn)角度的要求，且與有限單元法分析相一致。采用多次測量取平均值的方式進行執(zhí)行器角度——輸入電壓標定，標定數(shù)值中與多次測量值之間的最大偏差為2°，遠小于角度精度要求。執(zhí)行器負載為指針的情況下，輸入 電 壓 為 150 V時，旋轉(zhuǎn)角度100°需要8 ms，當旋轉(zhuǎn)角度越小需要的時間越短。對于安裝單元貼片后的執(zhí)行器響應時間會做進一步研究。

因此，開發(fā)的基于雙晶片的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器具有較小的體積、較大的旋轉(zhuǎn)角度、較快的響應時間，可被應用于大角度波束掃描天線。