什么是天线座架?

什么是天线座架?

[拼音]：tianxian zuojia

[外文]：antenna pedestal

支撑天线结构并使天线在规定空域内运动的装置。它通过天线控制系统使天线按照预定的规律运动，或者跟随目标运动；并且通过轴位检测装置，精确地测出目标的方位。

结构型式

天线座架有多种结构型式：按转轴的数目，可以分为一轴、二轴、三轴、四轴和固定不动的。搜索、引导雷达在垂直方向上波瓣较宽或者垂直方向是电扫描的，只要求天线在方位上转动，就能覆盖预定的空间。跟踪雷达、卫星通信地球站和射电望远镜，通常采用圆抛物面天线，波束窄，必须使天线在方位和俯仰上同时转动才能扫掠整个空域。舰载和机载雷达为了补偿舰艇纵、横摇摆，或者飞机升降、滚翻的影响，常采用三轴或四轴的天线座。相控阵雷达天线波束是电控扫描的，微波接力通信天线用于定向传输，因此都可以采用固定不动的座架。在各种座架中，应用最广的是两轴天线座。两轴天线座按座架的结构型式分为俯仰－方位型、x-y型、极轴型等多种型式。

俯仰-方位型天线座

以地面为基准，所以也称为地平式或经纬仪式天线座。方位轴与地面垂直，俯仰轴与方位轴垂直。这种座架的结构紧凑，承载能力大，调整测量方便，是两轴天线座中应用最广的座架型式。俯仰－方位型天线座又有三种基本型式：立轴式、转台式和轮轨式。

（1）立轴式天线座：用立轴（方位轴）支撑天线和方位转动部分。中小型天线多数采用这种座架，它的基本结构简单，设计、制造、维修都比较方便。

（2）转台式天线座：天线和方位转动部分用能够承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩的特大型滚动轴承或静压轴承来支承。这种型式承载能力大、刚度好、精度高、轴向尺寸小、重心低、稳定性好，通常用于大、中型天线。

（3）轮轨式天线座：天线和方位转动部分用滚轮和轨道支承。轨道直径一般为天线口径的1/2～2/3，滚轮和轨道也是方位驱动系统的末级传动装置。滚轮和轨道是摩擦传动，所以方位驱动能力不仅决定于驱动电机的功率，而且还取决于驱动滚轮与轨道之间的静摩擦力。为了保证方位的驱动能力，轮轨之间必须有足够的正压力和摩擦系数，所以一般用于大型天线。座架采用桁架结构，与前两种型式相比，省略了大型方位轴承、方位大齿轮和大转台。因此结构简单、重量与口径的比值小、造价低、安装维修方便，而且能达到较高的结构精度。

俯仰－方位型天线座的缺点是在天顶附近有跟踪不上目标的盲区。当目标从天线天顶附近通过时，所需的方位跟踪角速度趋于无穷大，所以它只能跟踪某一仰角以下的目标。如果需要过顶连续跟踪，则须采用其他的型式。

x-y型天线座

x 轴水平配置，y轴与x轴空间垂直并随x轴转动，电轴与y轴垂直（图1）。它适用于跟踪运动卫星、气象卫星和宇宙飞船的地球站。因为卫星、飞船经过天顶时离地面距离最近，信号最强，所以要求地球站能够过顶跟踪接收，x-y型座架不像俯仰－方位型座架那样会在天顶附近出现跟不上目标的现象；此外，每根轴只需转动±90°，就能使波束扫掠整个空域。因此，它不需要高频转动铰链和滑环，可以使用挠性波导和电缆。但是这种座架x、y轴均不与地面垂直。通常两轴都需要加平衡重才能达到静平衡，因而两轴间距大，结构不紧凑，体积重量较大。

极轴型天线座

这种天线座是以赤道平面为基准，所以也称为赤道式天线座（图2）。下轴与地球自转轴线平行，称为极轴或赤经轴;上轴与极轴垂直，称为赤纬轴。这种座架在射电天文望远镜中使用较广，因为用极轴型座架跟踪恒星时，先调整赤纬轴使天线对准星体，然后只转动极轴抵消地球的自转转速（23小时56分4.095秒转一圈），就能使天线始终对准被观测的星体。它还适用于跟踪赤道卫星。极轴与地面的夹角应等于当地的纬度，所以座架的结构比较复杂，受力情况不佳。

除了上述型式之外，还有x-y-z型三轴座架、三脚支撑座架等。随着卫星通信技术的发展，还出现了各种方向有限可控的简易座架。

设计

设计的基本要求是:保证天线的活动范围;有足够的角速度和角加速度;满足跟踪测量的精度要求;座架结构应有足够的刚度和强度，在规定的环境条件下能安全、精确地工作。对于高精度天线座的设计，为了保证伺服系统的精度和动态性能指标，除这些要求外还要求转动惯量小、结构固有频率高、间隙小、摩擦和摩擦起伏小、慢动性好。同时，在各种气候条件下要求尺寸稳定和轴系精度高。为此，须对天线座架结构进行静力和动力分析计算。天线座架的设计包括结构型式和驱动方式的选择，支承转动装置、驱动装置、轴位检测装置、平衡装置、滑环，以及安全保护装置的设计。其中影响度的关键部件是支承转动装置、驱动装置和轴位检测装置。

天线座轴系精度

对于俯仰－方位型天线座是指方位轴的铅垂度；俯仰轴与方位轴的垂直度；以及电轴与俯仰轴的垂直度。测量目标的角位置是通过俯仰轴和方位轴的轴位检测装置输出的。如果方位轴、俯仰轴和电轴互不垂直，轴位检测装置输出的就不是真实的方位角和俯仰角，就会产生测角误差。影响轴系精度的因素主要是轴承的晃动、座架的制造误差、调整误差和结构变形等。

结构谐振

由天线座架、驱动系统和基础组合成一个复杂的d性系统，具有一定的固有频率。当外界干扰力(如阵风、驱动力矩、振动、颠簸等)的频率接近或等于系统的固有频率时，系统便会发生谐振。对于伺服驱动的天线系统，如果结构固有频率接近或者落入伺服系统的带宽之内，伺服噪声也会激发系统而发生谐振，使系统不稳定而无法工作，甚至造成天线系统的损伤和毁坏。为了保证伺服系统的稳定性并有足够的稳定裕度，通常要求结构固有频率为伺服带宽的3～5倍。随着天线直径的增大，这种矛盾更为突出。因此，结构谐振问题越来越受到人们的重视。在结构设计时应对天线系统进行动力分析，尽可能使结构固有频率避开各种干扰频率，高于伺服带宽；另外，也可以从机械和伺服两方面采取措施抑制谐振峰。

稳定平台

舰艇在航行中会发生纵摇、横摇、升沉和航向的变化，其中影响最大的是横摇和纵摇。舰艇连同天线座和天线波束一起纵横摇摆，就会影响雷达的搜索区域、捕捉目标的概率、作用距离和测量定位精度。为了消除舰艇纵摇和横摇的影响，通常将天线座装在稳定平台上。稳定平台有两根轴，横摇轴与舰的首尾线平行，纵摇轴与舰的首尾线垂直。在纵摇轴和横摇轴上各有一套轴位传感器和伺服驱动系统。在舰艇上装有方位水平仪，它也有纵摇、横摇两根轴和两套轴位传感器。利用高速陀螺的惯性，使方位水平仪的平台不随舰艇摇摆，而始终保持稳定的水平基准。当舰艇发生纵摇、横摇时，高速陀螺的惯性使方位水平仪的纵、横摇轴轴位传感器产生摇摆信号，与天线座稳定平台纵、横摇轴轴位传感器的信号进行比较，得出误差信号，经过放大加给伺服驱动系统，使稳定平台的纵摇轴、横摇轴跟随方位水平仪的纵摇轴、横摇轴转动，使天线座稳定平台始终保持水平。

采用稳定平台能够比较彻底地解决基座稳定问题，可以消除舰艇摇摆的影响，实现“波束稳定”。但是，对于俯仰－方位型天线座附加稳定平台的纵摇轴和横摇轴，构成四轴稳定基座(图3)需要四套伺服驱动系统，因而增加天线座的重量和结构的复杂性。为了减轻重量和简化结构，有的舰用雷达只有横摇稳定系统(图4)。因为舰艇横摇大于纵摇，只要稳定横摇，与非稳定基座相比也可以改善性能，增大作用距离。

有的舰用雷达天线座，既没有纵摇轴，也不用横摇轴，只有俯仰轴和方位轴。舰艇的纵摇和横摇角信号可以利用计算机进行实时的坐标变换，并由俯仰轴和方位轴的转角来补偿，称为两轴稳定。两轴稳定在结构上比较简单，只有两根转轴，只需要两套伺服驱动系统，就能使波束中心指向空间的任意位置，实现“瞄准线稳定”。但是，在伺服系统和结构设计上又有一些新的问题。因为除了目标运动之外，还附加了舰艇的摇摆运动，常规的伺服系统可能跟踪能力不够，必须提高伺服系统的性能，为此所采用的基本方法是速度补偿。

参考书目

吴凤高编：《天线座结构设计》，国防工业出版社，北京，1980。