1. 背景

近年来，市场对车载站及箱型站的需求日趋增加，对于移动站的制造工艺提出要求，需要尽可能降低研发生产难度的同时进行天线生产的成本控制。对于电大尺寸前馈型抛物面天线移动站，由于天线收藏结构及馈源自身结构设计，使得其相较于固定站尤其后馈型天线而言，馈源定位难度更大，需要依托激光跟踪仪、全站仪等精密仪器辅助生产。

2. 原理分析

空间几何中的旋转抛物面是由平面抛物线围绕其对称轴旋转所得，因而其很多几何特点与平面抛物线类似并具备空间几何特性，如轴对称性。

在平面几何学中“钝角等腰三角形长边的中垂线必过该钝角三角形的钝角”。在空间几何中，当抛物面中心轴平行于直角坐标系Z轴时，抛物面上所有与抛物面顶点距离为a的点组成一个圆，该圆所在平面必平行于该坐标系的XY平面，且与Z轴相垂直。反之如果已知某抛物面上若干（）与抛物面顶点距离为a的点，将这些点置于直角坐标系的xy平面上，则该直角坐标系的z轴必然平行于该抛物面的旋转轴。保持点均在xy平面上的前提下，平移该直角坐标系至抛物面的顶点处在z轴上，则此时z轴与抛物面旋转轴重合。

3. 前馈抛物面馈源定位基准设计

基于上一章节所述原理，可以在标准抛物面天线设计生产过程中设置若干与抛物面顶端距离相同的参考点，且这些参考点以一定规律均匀分布抛物面及其附近。在抛物面精度调整至设计精度后，理想状态不考虑重力影响的情况下，调整三维空间坐标轴显示装置(激光水平仪)至所有设计的参考点均处于三维空间坐标轴显示装置(激光水平仪)所构建的平面A上。假定面A为直角坐标系的XY平面，则该直角坐标系的Z轴平行于抛物线中心轴。保持参考点均处在面A上的前提下，平移三维空间坐标轴投射装置(激光水平仪)，使得该装置所构建的三维空间直角坐标系的XZ平面和YZ平面均通过当前抛物面天线的顶点，此时抛物面旋转（电）轴与该直角坐标系的Z轴重合。抛物面天线的馈源也应当处于该Z轴之上。

由于电大尺寸抛物面天线的结构特点，无法从地面架设激光水平仪进行天线面的标校，则需要考虑如何为激光水平仪提供固定点并尽可能减少对天线结构及受力的影响。本文创新性的提出使用悬挑吊装支架固定激光水平仪。

激光水平仪的吊装支架包含两部分，分别是提供结构支撑的悬臂底座和六自由度丝杠调节机构，六自由度丝杠调节机构实物如图1所示，悬臂底座固定在抛物面天线底部的基准法兰上。

图1 六自由度丝杠调整机构实物图

使用激光水平仪水平标校功能时，我们可以获得一个较高精度的水平面和另外两个相互垂直的铅锤平面。这使得该装置可以在天线仰角为90度时提供较高精度的抛物面电轴可视化。在天线指平时，由于天线反射体自重导致抛物面发生重力形变，抛物面天线水平对称位置形变量接近，这使得该装置依然可以为前馈馈源的安装提供水平方向的定位参考。在通过对比天线方向图完成馈源位置的精准定位后，通过修正该装置在与天线电轴垂直的平面上的定位并加以锁定，可以为同型号抛物面的其他批量化产品提供快速的馈源定位基准。

相较之下，激光跟踪仪和全站仪需要至少一名专业测量人员和专业技术人员指导调试，一到两名钳工负责调整馈源位置，此外还需要云梯车等的配合。本设计在基准标定阶段也无需测量人员配合，对于批量项目保证定位装置精度稳定的情况下仅需钳工和配套云梯车等设备配合即可完成馈源的定位调试。

虽然激光水平仪是使用光标提供定位参考，该定位基准设计仅在基准标定阶段，将切面圆与抛物面上的预设基准点进行对齐时才对测试环境的光照强度有强制要求。在定位基准锁定之后，只需对被定位馈源附近的环境光照强度进行控制即可，比如打伞或避免阳光直射。

4. 以0度仰角姿态调试馈源

实际使用中，天线存在各种因素导致的形变。导致天线的形变的因素很多，如重力、风载荷、热形变等，此处我们只考虑天线在静止无风情况的的重力形变。天线的主面和馈源支撑都存在着重力导致的形变问题，为了减少重力形变对天线性能的影响，调试人员应当选择在天线经常工作的俯仰角度附近进行天线性能的调整，此次的被试天线选择在俯仰角度0度进行主面精度修正和馈源位置调整。

0度仰角姿态馈源定位基准调整步骤如下：

1. 将被试天线俯仰角调整至0度；

2. 安装激光水平仪吊装支架，将激光水平仪吊装到支架上。

3. 调整六自由度调节机构，使的水平仪基准水平泡处于中间位置。

4. 水平（顺时针或逆时针）转动水平仪，使激光水平仪构建的其中一个铅垂面和反射体所形成的切面（椭）圆与天线面上所有预设的基准点距离尽可能相等，且所有预设的基准点都在切面（椭）圆的同一侧（内侧或外侧）。该阶段如果所有预设基准点与铅垂面的距离有较大差异时，需要适当调整天线的俯仰角度，使所有预设基准点与铅垂面的位置关系满足前序描述要求。当关系满足前序描述要求时，切面圆应当为接近正圆的状态。

5. 调整六自由度调节机构，使激光水平仪在抛物面的轴向上移动，使得切面圆尽可能与所有预设的基准点相交。

6. 调整六自由度调节机构，使激光水平仪在与抛物面的轴向垂直的平面上移动，使得与切面圆垂直的另外两个平面所交会成的十字线中心处在天线反射体顶点，达到如图2的调整状态即可。

图2 切面圆与四个预设基准点重合

7. 根据此时激光水平仪在馈源上投射的十字标记对馈源机构进行调整即可保证馈源在反射面的对称（电）轴线上。

图3 0度俯仰角定位基准光标照射位置

（虚线为光标示意，箭头指向光标与馈源口的交点）

在批量化产品中，同型号产品的理论设计位置是一致的，虽然会有个体差异，使用同一个吊装支架进行标校时，无需再进行最为耗时费力的步骤5和步骤6的校准。这使得批量生产时产品的个体差异容易被甄别出来，产品调试的一致性和效率都可得到大幅度提升。

5. 误差分析

设激光水平仪产生切割抛物面的平面（后称切平面）到馈源的距离为，切平面到抛物面顶点的距离为，抛物面与切平面相交圆的半径为。

假设抛物面对应的抛物线为，

则有，；

则有

以焦径比0.38的4.5米抛物面天线为例，，

当时，，；

随着值的增大，比值递减。

图4 操作不当导致的切平面偏移示意

如图4，当操作人员操作不当导致水平仪在水平旋转时，水平仪打出的基准面与抛物面上的基准点发生距离为的偏移时，设十字光标在馈源处偏移为，

图5 切平面偏移量局部放大图

则有以标准交点处的斜率计算处的值（如图5），由于发生偏转的角度较小，可以认为点偏转弧长等于，馈源处偏转弧长等于，，

则有，。

由此可见，由于水平仪水平偏转导致的标定误差对馈源定位基准的影响为大比例成倍缩小的。

6. 俯仰姿态对馈源位置影响

为了确定天线俯仰姿态对馈源位置的影响，我们使用激光标记的方法，将激光光源固定在馈源安装基座上（如图6），激光头打出的激光标记会照射在反射面上。

图6 标记激光头安装位置

在固定好标记设备后，首先我们将被试天线以0度俯仰角静置超过24小时，在反射面中心盘处用黑胶带标明激光标记照射的位置，用两条黑胶带分别标明水平光标的上下沿。

将天线俯仰角调整至90度后，测量光标在主面上的位移量，如图7所示光标向天线俯仰运行方向移动了约11mm。

图7 0度俯仰角测量光标移动量，约11mm

由此可见两个俯仰角度下馈源电轴的位移量还是很明显的。再次将天线俯仰角度调整到0度，观察此时光标的位置，光标并未完全回归原位，相较原先的照射位置，光标向俯仰轴正向偏移约一半的光标线宽，大概0.5mm至1mm。但不能排除因为该类型天线有馈源升降机构，升降机构的活动连接结构件之间可能存在活动旷量，进而导致两次相同俯仰角情况下馈源有些许位移。

7. 问题及改进

该定位基准设计比较依赖激光水平仪的精度，需要根据所使用设备的精度等级确定适用的天线类型及口径。

考虑到光线在大气中传播的特点，我们对试验中所使用的德力西牌激光水平仪的出光情况进行了拉远测试，分别在距离水平仪2米、4米、10米、20米的距离对激光光标的线宽进行测量，在2米和4米的距离光斑清晰，光线散射不明显，20米的距离主光斑已经接近6mm宽度了。

根据波长计算公式，其中为真空中的光速，为电磁波的频率，为介质的介电常数。此处取。通常馈源设计时^[2]需要满足模式匹配，设圆形喇叭馈源出口的直径为，则该馈源的截止波长为。考虑到我们在标校基准切平面时是使用光线的中心去尽可能与所有预设的基准点相交，被定位目标馈源最终需定位在十字光标中心，则光标在馈源口出的线宽应当小于馈源的口径。经过计算分析，对于口径30米以下馈源下截止频率30GHz以下的前馈型标准抛物面天线，本设计具有适用性。

本文中仅在俯仰角90度的情况下进行了馈源定位基准的试验，还应当考虑其他角度情况下该方法的适用性。比如增加锁定激光水平仪接口丝孔螺母，使水平仪不发生轴向旋转，锁定水平仪的水平自校准，在天线俯仰角度运行到调试角度后，微调六轴调节机构使水平仪以抵消定位基准装置整体重力形变对基准定位的影响，该方案设计可完成对90度外其他俯仰角度的适配。

本设计不仅可以为馈源调试提供高可靠性定位基准，还可以作为一种检验手段对批量化产品的组装一致性进行验证。在某型车载天线的生产调试中将本设计进行了应用，使用该设计发现馈源支撑结构严重偏离设计指标，并提供了有力数据支撑。

文献

[1] 袁源,白晶,高攸纲.口径尺寸对喇叭天线辐射性能的影响研究[C]//全国电磁兼容学术会议.中国电子学会;中国通信学会, 2009.

[2] 陈振国.微波技术基础与应用[M].北京邮电大学出版社,1996.

作者简介： 范浩祥（1993-），男，陕西西安人，中国电子科技集团公司第三十九研究所，助理工程师。主要从事车载天线的伺服及总体设计工作。