李玉龍

(西安克拉克通信科技有限公司，西安 710100)

0 引言

衛(wèi)星通信是必不可少的通信手段。在經(jīng)濟、政治和文化領域中，衛(wèi)星通信不僅有效地補充了其他通信手段的不足或不能，更是在搶險、防災、救災、處理突發(fā)事件的應急通信中大有作為。

動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)已成為一種移動通信的良好手段，越來越多的軍用和民用移動設備上安裝有動中通衛(wèi)星通信天線，實現(xiàn)與地面的遠距離、不間斷通信。 “動中通”系統(tǒng)作為地面網(wǎng)絡的延伸和衛(wèi)星通信的補充，已經(jīng)成為了全球信息化基礎結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，也是實現(xiàn)信息在地面上任何角落實現(xiàn)互相通信的重要保證。

目前國內(nèi)外主流的動中通衛(wèi)星天線主要是車載、機載和船載3種類型，衛(wèi)星天線所用到的頻率[1-3]主要以C波段、X波段、Ku波段、Ka波段、Q/V波段為主，太赫茲波段也是發(fā)展方向。為了驗證衛(wèi)星通信天線的性能指標，需要用標準喇叭天線對其進行參數(shù)測量。常用的標準喇叭天線分別是BJ-84、BJ-120、BJ-220、BJ-260、BJ-320等多種標準喇叭天線，標準喇叭天線都需要安裝在轉(zhuǎn)臺上，且需要快速更換。

1 測試原理

在開闊試驗場采用遠場法進行參數(shù)測量。遠場法可細分為場地法、衛(wèi)星源法和射電源法。本測試采用場地法和衛(wèi)星源法。

測試場地應滿足自由空間和遠區(qū)場的條件，采用場地法測試時，要求來自地面反射波的電平足夠低，以保證反射波對測量結(jié)果的影響低于測量所要求的精度。對天線進行性能測試時，要求源天線與被測天線的距離滿足[4-5]：

(1)

其中，收發(fā)天線之間的距離為R，m；被測天線口徑為D，m；工作波長為λ，m。

2 轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設計

轉(zhuǎn)臺主要由方位組件、俯仰組件、極化組件、標準喇叭天線組成[6-9]，整體外形如圖1所示。

下面將從主要的設計特點、結(jié)構(gòu)設計、傳動設計、更換方式等方面進行詳細的說明。

圖1 轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of rotary table

2.1 設計特點

a.轉(zhuǎn)臺的方位和俯仰選用蝸輪蝸桿傳動方式，其具有傳動比大，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，無噪音，可自鎖等特點。

b.蝸輪蝸桿傳動箱可以任意正向和反向旋轉(zhuǎn)且空回小，設計了精巧的消空回結(jié)構(gòu)，可調(diào)整長期使用造成的空回間隙。

c.減速箱外安裝有轉(zhuǎn)動手柄，可分別調(diào)節(jié)方位和俯仰的轉(zhuǎn)動。

d.方位、俯仰和極化外側(cè)標有刻度，方便查看三個軸需要轉(zhuǎn)動的角度。

e.方位轉(zhuǎn)動范圍[10]為0°～360°，俯仰轉(zhuǎn)動范圍為-50°～100°，極化轉(zhuǎn)動范圍為±180°，并安裝鎖緊手柄。

f.可快速完成不同標準喇叭天線的更換，安裝方便、簡單。

2.2 結(jié)構(gòu)設計

測試轉(zhuǎn)臺[11-12]經(jīng)常會在室外使用，防止金屬表面出現(xiàn)生銹現(xiàn)象，轉(zhuǎn)臺所有零件采用7075鋁合金加工，表面硬質(zhì)陽極氧化處理。

2.2.1 方位組件設計

方位組件由底座、方位減速箱和固定盤組成，如圖2所示。方位傳動選用蝸輪蝸桿傳動方式，可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，此類型渦輪蝸桿減速箱可承受軸向力矩，直接安裝在底座上，用于轉(zhuǎn)臺的方位轉(zhuǎn)動。

圖2 方位組件Fig.2 AZ assembly

2.2.2 俯仰組件設計

俯仰組件由轉(zhuǎn)臺、左支架、右支架、俯仰支撐、俯仰減速箱、過渡支架、軸承壓蓋、兩個深溝球軸承組成，如圖3所示。左右支架俯仰軸的同心度需要達到0.03，即可保證轉(zhuǎn)動精度。俯仰選用蝸輪蝸桿傳動方式。左支架和右支架各裝一個深溝球軸承，用于徑向受力，減速箱軸向力矩，傳動更平穩(wěn)。

圖3 俯仰組件Fig.3 EL assembly

2.2.3 極化組件設計

極化組件由極化座、俯仰軸、鎖緊手柄、極化內(nèi)圈、壓蓋和深溝球軸承組成，如圖4所示。極化設計原則是極化的重心與俯仰旋轉(zhuǎn)重心盡量縮小，減少俯仰負載力矩，從而保證測試精度達到要求。極化座上刻有刻度，極化內(nèi)圈有指向箭頭，根據(jù)測試項目不同，極化可任意角度鎖緊。極化內(nèi)圈上加工有導向槽，鎖緊手柄鎖緊時，固定極化內(nèi)圈，旋松鎖緊手柄，導向槽和旋松鎖緊配合轉(zhuǎn)動，保證極化內(nèi)圈不會脫落。

圖4 極化組件Fig.4 POL assembly

2.3 傳動設計

方位和俯仰組件采用蝸輪蝸桿傳動，蝸輪蝸桿傳動用于傳遞交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動，主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無噪聲、沖擊振動小以及能達到很大的單級傳動比。極化組件裝有深溝球軸承可直接進行旋轉(zhuǎn)。

按照目前最用常用、重量最重的喇叭天線是BJ-120標準喇叭天線，下列計算按照此種標準喇叭天線組件為例進行計算。

2.3.1 方位組件傳動設計

蝸輪蝸桿傳動設計參數(shù)如下[13]：

蝸桿直徑系數(shù)為：

(2)

其中，蝸桿直徑系數(shù)為q；蝸桿分度圓直徑d1=9mm；模數(shù)m=0.5。

蝸桿分度圓的導程角可根據(jù)下列公式計算：

(3)

其中，蝸桿分度圓的導程角為γ，°；蝸桿頭數(shù)為z1=1；蝸桿直徑系數(shù)為q。

計算得到蝸桿分度圓的導程角γ=3°11′。

當γ≤3°40′時，蝸桿傳動具有自鎖性。

蝸輪分度圓直徑為：

d2=m·z2=41

(4)

其中，蝸輪分度圓直徑為d2，mm；模數(shù)為m=0.5；蝸輪齒數(shù)為z2=82。

蝸桿螺紋長度為：

(5)

其中，蝸桿螺紋長度為b1，mm；模數(shù)為m；蝸輪齒數(shù)為z2。

蝸輪齒寬為：

(6)

其中，蝸輪齒寬為b2，mm；模數(shù)為m；蝸桿直徑系數(shù)為q。

蝸輪蝸桿傳動比為：

(7)

方位組件系統(tǒng)受摩擦力矩和負載力矩。

方位摩擦力矩為：

M1=μ1·m1·g=6.37N·m

(8)

其中，方位摩擦力矩為M1，N·m；摩擦系數(shù)為μ1=0.05；負載重量為m1=13kg。

方位負載轉(zhuǎn)矩為：

M2=m1·g·l1=12.74N·m

(9)

其中，俯仰負載轉(zhuǎn)矩為M2，N·m；負載重量為m1=13kg；重量加速度g，m/s2；質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的距離為l1=0.1m；

方位組件系統(tǒng)總力矩為：

M3=M1+M2=19.11N·m

(10)

其中，方位組件系統(tǒng)總力矩為M3，N·m。

正常人手的最大扭力范圍是60-120N，取最小值60N計算，操作者通過減速箱轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺后，轉(zhuǎn)動手柄的半徑是0.02m，方位的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：

MA=F·r·i=98.4N·m

(11)

其中，方位的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為MA，N·m；人手的扭力為F=60N；轉(zhuǎn)動手柄的直徑為r=0.02m；傳動比為i=82。

因為M3<η1·MA=59.04N·m，操作者可輕松轉(zhuǎn)動方位組件系統(tǒng)。

其中，蝸輪蝸桿的傳動效率為η1=0.6。

2.3.2 俯仰組件傳動設計

俯仰組件系統(tǒng)受摩擦力矩和負載力矩。

俯仰摩擦力矩為：

M4=μ2·m2·g=1.96N·m

(12)

其中，俯仰摩擦力矩為M4，N·m；摩擦系數(shù)為μ2=0.05；負載重量為m2=4kg；重量加速度g，m/s2。

俯仰負載轉(zhuǎn)矩為：

M5=m2·g·l2=7.84N·m

(13)

其中，俯仰負載轉(zhuǎn)矩為M5，N·m；負載重量為m2=4kg；重量加速度g，m/s2；質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的距離為l2=0.2m；

俯仰組件系統(tǒng)總力矩為：

M6=M4+M5=9.8N·m

(14)

其中，俯仰組件系統(tǒng)總力矩為M6，N·m。

俯仰的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：

ME=F·r·i=98.4N·m

(15)

其中，方位的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為ME，N·m；人手的扭力為F=60N；轉(zhuǎn)動手柄的直徑為r=0.02m；傳動比為i=82。

因為M6<η1·ME=59.04N·m，操作者可輕松轉(zhuǎn)動俯仰組件系統(tǒng)。

其中，蝸輪蝸桿的傳動效率為η1=0.6。

2.3.3 極化組件傳動設計

極化組件系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心和中心重合，只受摩擦力，極化摩擦力矩為：

M7=μ3·m3·g=0.59N·m

(16)

其中，極化摩擦力矩為M7，N·m；摩擦系數(shù)為μ3=0.03；負載重量為m3=2kg；重量加速度g，m/s2。

極化的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：

MP=F·a=3N·m

(17)

其中，極化的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為Mp，N·m；人手的扭力為F=60N；人手到旋轉(zhuǎn)中心的距離為a=0.05m。

因為M7<η2·Mp=2.97N·m，操作者可輕松轉(zhuǎn)動極化組件系統(tǒng)。

其中，深溝球軸承的的傳動效率為η2=0.99。

2.4 更換方式設計

極化內(nèi)圈加工成四棱臺通孔形狀，將標準喇叭天線插入極化內(nèi)圈中，用302改性丙烯酸酯膠粘劑固定好，如圖5所示，整體做為測試工裝，不需要拆卸。此種結(jié)構(gòu)經(jīng)過長時間的測試使用，涂膠處沒有出現(xiàn)裂痕，302改性丙烯酸酯膠可用于兩個金屬縫隙的簡單固定。

圖5 喇叭固定方式Fig.5 Fixing mode of the horn

更換喇叭天線時，采用插拔更換方式，只需要把喇叭天線組件整體插入轉(zhuǎn)臺極化座內(nèi)，旋轉(zhuǎn)到需要的測試角度，鎖緊手柄鎖緊標準喇叭天線組件即可，如圖6所示。

圖6 喇叭安裝方式Fig.6 Installing mode of the horn

從拆下一種標準喇叭到安裝好另外一種標準喇叭，1分鐘內(nèi)即可快速完成不同的標準喇叭更換，安裝方便、簡單。

3 用途

標準喇叭天線的轉(zhuǎn)臺可對被測天線進行方向圖、天線增益、G/T值、軸比等性能[14-15]進行測試，驗證天線的指標性能。

3.1 天線方向圖性能測試

為檢驗天線的方向圖特性，需首先對天線的方向圖進行測量[12]。天線方向圖是指天線接收或發(fā)射等幅平面波能力隨天線指向角度變化情況的圖形描述。照射被測天線的等幅平面波由設置在遠區(qū)的某一固定源產(chǎn)生，接收能力的大小表現(xiàn)為連接天線的接收機所顯示的功率電平。測量方向圖時，依改變天線指向角度的旋轉(zhuǎn)軸的取向不同，可得到不同平面的方向圖，并由此獲得天線的第一方向圖電平值。

3.2 天線增益性能測試

首先測量天線的接收增益，將標準增益喇叭與待測天線分別與信標發(fā)射喇叭對準，測出二者接收端口的最大接收信標電平值，利用式(8)可計算出待測天線的接收增益：

GRX=GRS+PRX-PRS

(18)

其中，待測天線的接收增益為GRX：dBi，已知標準增益喇叭的接收增益為GRS，dBi；標準增益喇叭的最大接收信標電平值為PRS，dBi；待測天線的最大接收信標電平值為PRX，dBi。

由天線的收發(fā)互易性可知，天線發(fā)射端口的發(fā)射特性和接收特性是相同的。因此，天線的發(fā)射增益也可采用前面介紹的增益比對法進行測量。

3.3 天線G/T值性能測試

采用載噪比比較法測量G/T值，待測天線從饋源口(含濾波器)接LNA/LNB后，連接頻譜儀，不接波導及旋轉(zhuǎn)關節(jié)；標準喇叭連接同一個LNA/LNB后連接頻譜儀。Ku頻段天線對準線極化衛(wèi)星信標測試，Ka頻段天線對準圓極化衛(wèi)星信標測試。

將待測天線和標準增益喇叭分別對準目標衛(wèi)星模擬信標，使接收電平最大，并記錄歸一化載噪比分別為X1和X2。然后，測量標準增益喇叭的G/T值為X3，最后按下式計算待測天線的G/T值：

(19)

3.4 天線軸比性能測試

按照測試頻率計劃，信號源發(fā)射單載波射頻信號，待測天線接收此信號，并用頻譜儀監(jiān)測信號電平大小，調(diào)整圓極化天線的方位、俯仰角度直至接收到信號電平最大，此時接收天線對準發(fā)射天線；

利用計算機獲取頻譜儀數(shù)據(jù)，計算最大信號與最小信號電平差，即可得到待測天線的軸比。

4 結(jié)論

1.建立了遠場測試裝置，利用插拔式快拆原理，對不同的天線進行指標測試時，1分鐘內(nèi)即可快速更換不同的標準喇叭天線，可對不同口徑的天線進行性能指標測試，此結(jié)論已在實踐中驗證。

2.標準喇叭天線轉(zhuǎn)臺可對被測天線進行方向圖、天線增益、G/T值、軸比等進行性能測試，驗證天線的指標性能。同時，本技術也可用于其它頻段，如C波段、X波段、QV波段等標準喇叭天線的裝配。

3. 此種蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)可用于工程中，當蝸桿分度圓的導程角γ≤3°40′時，蝸桿傳動具有自鎖性。

4. 標準喇叭天線組件經(jīng)過長時間的測試使用，涂膠處沒有出現(xiàn)裂痕，證明302改性丙烯酸酯膠可用于兩個金屬縫隙的簡單固定。