CN104132615B - 一种基于天线标校结构实现的天线标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线标校结构以及天线标校方法，其中天线标校结构包括：安装在喇叭上的激光组件、与激光组件连接的多个光阑、与每一光阑连接的双光楔；其中激光组件发出多个不同方向的激光光束，每一光阑位于一个激光光束射出的位置。利用激光光束直线特点，根据光束在天线面上形成的光斑与天线面上预设的参考点是否重合对喇叭的轴线与预设的天线轴线同轴度以及喇叭与天线面相对位置进行校正。利用非实体的光束代替现有技术中实体的靶杆，减小加工及装配误差，结合激光的准直特性，实现可观测的空间测量，结构简单易操作，同时采用双光楔技术对激光角度进行微调，满足较高的精度要求，利用光阑消除杂散光并圆整光斑，提高激光对准精度。

Description

一种基于天线标校结构实现的天线标校方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别提供了一种天线校正结构以及天线标校方法。

背景技术

卫星天线包括：天线面01和喇叭02，其结构示意图如图1所示，其中的喇叭02作为馈源，也称为喇叭馈源，喇叭02是一种波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线。对于卫星天线而言，喇叭02和天线面01的空间位置精度是影响天线性能的重要参数之一，其中空间位置精度包括：喇叭轴线L与天线设计轴线同轴度，以及喇叭02在喇叭轴线L上距离天线面01的线性精度，即喇叭02与天线面01的距离。

目前，采用人工测量的方法调整卫星天线的空间位置精度，利用靶杆和尺子测量相结合的方式来调整喇叭和天线面的空间位置，具体校正方法为：第一步，调整喇叭轴线与天线设计轴线同轴度，先要确定天线面上靶心(即天线面的几何轴线与天线面的交叉点)的位置，同时将靶杆安装在喇叭上，并将靶杆指向靶心，使靶杆的尖端和靶心重合，使得喇叭轴线与预设的天线设计轴线重合；第二步，调整喇叭与天线面的相对位置，靶杆尖端与靶心重合后，在天线面的四周再选择四个参考点作为靶点，以及喇叭端面上的基准点，用尺子测量并调整喇叭与天线面在轴线上的相对位置。

利用上述人工测量的方法存在以下不足：

首先，第一步利用靶杆调整喇叭轴线与天线设计轴线同轴度时，由于靶杆细长而容易产生挠度，导致测量出现误差。其次，靶杆安装在喇叭上时，靶杆和喇叭之间还需要转接件进行连接，这样就会引入 机械加工以及装配产生的误差。另外，第二步测量喇叭与天线面之间的距离时属于点对点的测量，不易操作，而且采用人工测量方式会由于人工操作而产生较大的误差。综上所述，人工测量操作复杂而且误差较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种简单易操作的方法对喇叭和天线面的空间位置进行校正。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种天线标校结构，包括：安装在喇叭上的激光组件、与激光组件连接的多个光阑、与每一光阑连接的双光楔；其中，所述激光组件发出多个不同方向的激光光束，所述每一光阑位于一个激光光束射出的位置。

可选地，所述激光组件包括：五个激光二极管，每一个激光二极管发出一个方向的激光光束。

可选地，所述双光楔包括：两个结构相同的光楔，所述两个光楔的垂直面背向设置，所述光楔的折射率为n，楔角为α；

当两个光楔的楔角α的方向相同时，激光光束透过所述双光楔产生的偏角为δ＝±2(n-1)α；当两个光楔的楔角α的方向相反时，激光光束透过所述双光楔产生的偏角为0。

可选地，所述光阑具有三层圆孔。

可选地，还包括：卡子，通过所述卡子将所述激光组件固定在所述喇叭的端面上。

可选地，所述光阑的个数、所述双光楔的个数与所述激光二极管的个数均相同。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于上述天线标校结构实现的天线标校方法，包括：

将天线标校结构安装在喇叭上；

利用所述天线标校结构中的激光组件发出的光束调整所述喇叭的位置以及所述喇叭到与所述喇叭相匹配的天线面的相对距离，使得所述喇叭的轴线与预设的天线轴线同轴度同时所述喇叭与所述天线面的相对位置满足预设的标校位置。

可选地，所述天线标校结构安装在所述喇叭上之前还包括：

将所述天线标校结构固定在标定板上方的横梁上，打开激光二极管的电源；

选择任一个双光楔并转动两个光楔，使透过所述双光楔的光斑与所述标定板上预设的标定点重合；

将所述双光楔的位置固定，再依次利用其它双光楔对相应的光斑位置进行标定。

可选地，所述利用所述天线标校结构中的激光组件发出的光束调整所述喇叭的位置具体包括：

激光组件发出的光束在所述天线面上形成光斑；

调整所述喇叭的位置，使得激光组件中间位置的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与所述天线面的几何轴线与所述天线面的交叉点位置重合。

可选地，所述激光组件中间位置的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与所述天线面的几何轴线与所述天线面的交叉点位置重合之后还包括：

调整所述喇叭相对所述天线面的位置，使得激光组件中间位置以外的四个激光二极管在天线面上形成的光斑与天线面边缘预设的参考点位置重合。

(三)有益效果

本发明实施例利用激光组件发出的光束为直线的特点，根据光束在天线面上形成的光斑与天线面上预设的参考点是否重合对喇叭的 轴线与预设的天线轴线同轴度以及喇叭与天线面的相对位置进行标定和校正。利用非实体的光束代替现有技术中实体的靶杆，减小加工及装配误差，结合激光的准直和亮度特性，实现可观测的空间测量，结构简单易操作，同时采用双光楔技术对激光角度进行微调，满足更为精细的精度要求，利用光阑消除杂散光并圆整光斑，提高激光对准精度。

附图说明

图1是现有技术中卫星天线的结构示意图；

图2是本发明提供的天线标校结构一个侧面的结构示意图；

图3是本发明激光组件的结构示意图；

图4是本发明双光楔的结构图；

图5是本发明当双光楔中两个光楔的主截面平行且楔角方向相同时射出光线偏角的示意图；

图6是本发明当双光楔中两个光楔的主截面平行且楔角方向相反时射出光线偏角的示意图；

图7是本发明当图5中两个光楔同时旋转180度时射出光线偏角的示意图；

图8是本发明光阑的结构图；

图9是本发明光线通过光阑的原理图；

图10是本发明提供的天线标校结构另一个侧面的结构示意图；

图11是本发明将天线标校结构安装在喇叭的端面上进行标校时的工作原理图；

图12是本发明提供的天线标校方法的步骤流程图；

图13是本发明对天线标校结构使用前进行标定的示意图；

图14是本发明利用喇叭的位置、天线面上的五个参考点构建几何模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供了一种天线标校结构，其结构示意图如图2所示，包括：安装在喇叭上的激光组件10、与激光组件10连接的多个光阑20、与每一光阑20连接的双光楔30；其中，激光组件10发出多个不同方向的激光光束，每一光阑20位于一个激光光束射出的位置。

可选地，由于喇叭是一种面天线，因此将激光组件安装在喇叭的端面上。由于喇叭天线结构简单，而且方向图易于控制，通常用作中等方向性天线，本发明中将喇叭用作天线面的馈源。

可选地，本实施例中激光组件10包括：五个激光二极管，每一个激光二极管发出一个方向的激光光束。激光组件的结构示意图如图3所示(图3中未示出激光二极管)，进一步地，激光组件中还包括：底座，底座具有中空部分，用于放置激光二极管，在底座上还开设有与激光二极管个数和位置相同的透光孔10a，激光二极管发出的光束通过相应的透光孔10a向外射出。如图3所示，底座呈四棱台结构，上底面设置有一个激光二极管，发出的光束朝向天线面的几何轴线与天线面的交叉点，棱台的四个坡面上设置四个激光二极管，发出的光束分别朝向天线面的边缘上预设的参考点。虽然激光二极管的个数是五个，在校正过程中只需要中间的一个激光二极管和周边的两个激光二极管就能达到定位的目的，不过从实用和冗余的角度考虑，五个激光二极管全部应用可以达到最佳的效果。

可选地，还包括：卡子40，通过卡子40将激光组件10固定在喇叭的端面上。具体的，卡子位于激光组件中底座的下方，即在底座下方具有卡槽或卡孔，用于将卡扣插入到卡槽或卡孔中进行固定。当然，本发明中的卡子只是一种固定激光组件的方式或结构，但是并没有将固定激光组件的方式或结构局限于仅卡子一种，还可以是其它固定方式或结构。

在实际应用中，由于加工、装配误差等原因，会导致激光二极管的出光角度和设计值出现偏差，因此需要对出光角度进行调整。光楔是光学系统中实现小角度偏转的元件，可选地，采用双光楔技术来解决角度微调问题，双光楔的设计图如图4所示。其中双光楔包括：两个结构相同的光楔，且这两个光楔的垂直面背向设置，其中光楔的折射率为n，楔角为α；当两个光楔的楔角α的方向相同时，激光光束透过双光楔产生的偏角为δ＝±2(n-1)α；当两个光楔的楔角α的方向相反时，激光光束透过双光楔产生的偏角为0。

当两个光楔配对使用时，分别旋转任意一个光楔，出射光线可以在以入射光为轴的角锥内任意方向变化，光楔角度变化导致射出光线偏角发生变化的示意图如图5-图7所示，图5表示两个光楔主截面平行且楔角方向相同，此时产生正向的最大偏角，即偏角δ＝2(n-1)α；如果将其中一个光楔绕光轴旋转180度，得到图6所表示的两个光楔主截面平行且楔角方向相反的情况，此时产生的偏角为0；如果另一个光楔也旋转180度，得到图7所表示的情况，此时产生负向的最大偏角，即偏角δ＝-2(n-1)α。其中偏角的正负是根据入射光线以锐角转向出射光线的偏转方向进行区分的，顺时针则为正，逆时针则为负，因此从图5-图7示出了偏角从正向最大到0，再从0到负向最大的变化过程，这个过程共产生2(n-1)α-(-2(n-1)α)＝4(n-1)α的偏角变化量。

除了图5-图7示出的三个特殊角度，当两光楔处于其它相对位置时，偏角其中β为两光楔主截面的夹角，因此光线偏转的方向由两个光楔主截面的夹角共同决定，这样就可以将光线经过双光楔所产生的偏角转化为两个光楔之间相对的旋转角度，进而实现角度的微小调整。

在天线面上激光光斑的大小、圆度也是一个关乎测量精度的重要指标，但是由于在镜筒内壁、镜片表面反射时产生的散射光线，会让 光斑发散，因此在双光楔上还增加了光阑，采用光阑技术来消除杂散光并圆整光斑，光阑只允许有效口径的光线通过，其余杂散光经过多次反射消耗在光阑和镜筒内部，同时光阑还可以限制外部光线的进入。光阑的设计图如图8所示，优选地，光阑具有三层圆孔。光线通过光阑的原理图如图9所示，做光线1和镜筒壁交于M点，连接MC，MC与光束边缘光线的交点H即为第一层光阑位置；做光线2通过点H和镜筒壁交于N点，连接CN与入瞳平面相交与F点，F点在入瞳区域AB以外，故再连接FN，与光束边缘光线的交点I即为第二层光阑位置；同样按照以上方法再确定第三层光阑的位置，即完成光阑的设计。

需要说明的是，由于激光组件射出的每一个光束都需要经过双光楔进行角度微调，利用光阑消除杂散光，因此天线标校结构中光阑的个数、双光楔的个数与激光二极管的个数均相同。

还需要说明的是，在激光组件10中底座的两个侧面还分别设置有开关50和充电接口60，同时还配置有小型的蓄电装置(图中未示出)，通过充电接口60存储电能。其中图2仅示出了天线标校结构具有开关的一个侧面，图10还示出了天线标校结构的另一侧面(具有充电接口60的侧面)。通过拨动开关50实现激光二极管的打开和关闭，开始校正时将开关打开，利用激光二极管的光束进行校正，完成校正后将开关及时关闭以防止电能流失，达到节能的目的。

当然，除了天线面、喇叭和上述天线标校结构，在天线面下还设置有用于支撑天线面的基座以及喇叭下方的俯仰支撑装置以及俯仰调节装置等相应的配件，此处不再一一赘述。

将该天线标校结构安装到喇叭的端面上，示意图如图11所示，以对某Ka天线进行标校为例，把结构安装在喇叭的端面上，启动电源开关，然后调整喇叭轴线方向，使得结构中间的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与天线面几何轴线与天线面的交叉点重合。之后，调整喇叭相对天线面的位置，即喇叭与天线面的相对距离，直到 其余激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与天线面边缘上对应的靶点重合，即完成天线的标校。

利用本实施例提供的结构对天线进行校正，得到的校正精度为：喇叭轴线方向的校正精度≤0.9mm，喇叭轴线法向方向的校正精度≤1.2mm，而现有技术利用人工测量方法的校正精度约为5mm，因此和现有校正方法相比，该天线标校结构大大了提高了喇叭和天线面的空间位置校正精度，较现有技术的人工测量还可以大大减小误差。该天线标校结构的设计尺寸为114mm×75mm×61mm，重量仅有440g，因此还具有体积小，质量小的特点。在激光组件中底座上还设置有充电接口，可以充电后使用，重复性好，而且便携易用，可在天线调试、测试、维修过程中方便使用，同时无需人工测量，可以降低操作难度。

本发明还提供了利用上述天线标校结构对喇叭和天线面的空间位置进行校正的方法，即天线标校方法，步骤流程如图12所示，具体包括：以下步骤：

步骤S11、将天线标校结构安装在喇叭上。

步骤S12、利用天线标校结构中的激光组件发出的光束调整喇叭的位置以及喇叭到与喇叭相匹配的天线面的相对距离，使得喇叭的轴线与预设的天线轴线同轴度同时喇叭与天线面的相对位置满足预设的标校位置。

由于结构在加工和装配过程中不可避免的会引入误差，为达到设计精度，优选地，天线标校结构安装在喇叭上之前还要对该天线标校结构进行标定，示意图如图13所示，该标定装置包括：标定板以及固定在该标定板上的横梁，标定的具体步骤包括：

首先，将天线标校结构固定在标定板上方的横梁上，打开激光二极管的电源。其次，选择任一个双光楔并转动两个光楔，使透过双光楔的光斑与标定板上预设的标定点重合。标定板上预设的标定点就是图13中用十字标记的点，而且在标定板上预先设置有五个与激光二极 管相对应的十字标记。然后，将双光楔的位置固定，可以利用紧定螺钉固定，再依次利用其它双光楔对相应的光斑位置进行标定。

可选地，步骤S12中利用天线标校结构中的激光组件发出的光束调整喇叭的位置具体包括：

激光组件发出的光束在天线面上形成光斑；

调整喇叭的位置，使得激光组件中间位置的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与天线面的几何轴线与天线面的交叉点位置重合，即完成天线面上靶心的标校，这一步骤会对后续步骤产生一定影响，因此靶心的标校准确性很重要。

可选地，激光组件中间位置的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与天线面的几何轴线与天线面的交叉点位置重合之后还包括：

调整喇叭相对天线面的位置，使得激光组件中间位置以外的四个激光二极管在天线面上形成的光斑与天线面边缘预设的参考点位置重合。

步骤S12中确定喇叭的轴线与预设的天线轴线同轴度以及确定喇叭与天线面相对位置的步骤均利用非实体的光线作为测量工具，根据光斑的形成位置进行调整，方法简单易操作，提高测量精度。

结合上述步骤，以对喇叭进行校正为例，根据图10所示的原理图，预先在天线面上设计五个参考点，一个在天线面的几何轴线与天线面的交叉点上，其余四个在天线面的边缘上。在喇叭的端面上排布激光二极管的位置，使得各个激光二极管发出的激光光束指向相应的参考点。之后，调节喇叭位置，使中间激光二极管在天线面上的光斑和天线面的几何轴线与天线面的交叉点上的参考点重合，让各个激光二极管指向天线面上对应的参考点，完成喇叭轴线与预设的天线轴线同轴度的校正。之后再调节喇叭与天线面的相对距离，使其余激光二极管在天线面上的光斑和天线面边缘上的参考点重合，确定喇叭、天 线面的空间相对位置，即完成喇叭与天线面空间位置的校正。

利用喇叭的位置、天线面上的五个参考点构建几何模型如图14所示，利用几何模型完成结构标校的原理如下：

参考点P0、P1、P2、P3、P4位于天线面上，其中P0为天线面的几何轴线与天线面的交叉点，P1、P2、P3和P4为位于天线面的边缘的参考点，点O代表结构原理原点；直线OP0、OP1、OP2、OP3、OP4代表各个激光二极管发出的光束。在上述几何模型中，对于线段OP0、OP1、OP2、OP3、OP4，其中任意三条线段就可以构成一个四面体(由四个三角形组成)，根据这三个线段的长度、夹角，则可以唯一确定点O的空间位置。假设已知OP0、OP1、OP2三条线段的长度、夹角，在四面体OP0P1P2中，由三角形的几何性质可知，点O相对于点P0、P1、P2的空间位置是唯一确定的；上述几何模型中各个点的位置确定后，就等同于确定了喇叭、天线面的空间位置。

在结构中，确定喇叭与预设天线轴线同轴度是一个重要的步骤，主要是根据O和P0的光束直线确定，因此OP0需要保留；由几何关系可知，从直线OP1、OP2、OP3、OP4中任意选出两条即可达到定位的目的，但是从实用性角度出发，利用五条直线确定的位置更加精确。因此本实施例中按照5个靶点、5个激光二极管进行设计，如图10所示，这样设计的好处是：(1)OP0用来确定喇叭的轴线位置，即喇叭对天线面的几何轴线与天线面的交叉点；(2)P1P4、P2P3构成一个“十”字，和激光光束在天线面上形成的光斑相对应，方便调节水平或者垂直；(3)冗余作用，假设其中一个或者两个激光二极管出现故障，利用剩余正常工作的激光二极管也可以完成定位，不影响实际使用。

综上所述，本发明提供的天线标校方法，利用激光光束的准直特性完成标校，简单易操作，而且可以提高测量精度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于天线标校结构实现的天线标校方法，其特征在于，所述天线标校结构包括：安装在喇叭上的激光组件、与激光组件连接的多个光阑、与每一光阑连接的双光楔；其中，所述激光组件发出多个不同方向的激光光束，所述每一光阑位于一个激光光束射出的位置；其中，所述天线标校结构的中间的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与天线面几何轴线和天线面的交叉点重合，其余的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与天线面边缘上对应的靶点重合；

所述方法包括：

将天线标校结构安装在喇叭上；

利用所述天线标校结构中的激光组件发出的光束调整所述喇叭的位置以及所述喇叭到与所述喇叭相匹配的天线面的相对距离，使得所述喇叭的轴线与预设的天线轴线同轴同时所述喇叭与所述天线面的相对位置满足预设的标校位置；

其中，所述将天线标校结构安装在喇叭上之前还包括：

将所述天线标校结构固定在标定板上方的横梁上，打开激光二极管的电源；

选择任一个双光楔并转动两个光楔，使透过所述双光楔的光斑与所述标定板上预设的标定点重合；

将所述双光楔的位置固定，再依次利用其它双光楔对相应的光斑位置进行标定；

其中，所述利用所述天线标校结构中的激光组件发出的光束调整所述喇叭的位置具体包括：

激光组件发出的光束在所述天线面上形成光斑；

调整所述喇叭的位置，使得激光组件中间位置的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与所述天线面的几何轴线与所述天线面的交叉点位置重合。

2.根据权利要求1所述的天线标校方法，其特征在于，所述激光组件包括：五个激光二极管，每一个激光二极管发出一个方向的激光光束。

3.根据权利要求1所述的天线标校方法，其特征在于，所述双光楔包括：两个结构相同的光楔，所述两个光楔的垂直面背向设置，所述光楔的折射率为n，楔角为α；

当两个光楔的楔角α的方向相同时，激光光束透过所述双光楔产生的偏角为δ＝±2(n-1)α；当两个光楔的楔角α的方向相反时，激光光束透过所述双光楔产生的偏角为0。

4.根据权利要求1所述的天线标校方法，其特征在于，所述光阑具有三层圆孔。

5.根据权利要求1所述的天线标校方法，其特征在于，还包括：卡子，通过所述卡子将所述激光组件固定在所述喇叭的端面上。

6.根据权利要求2所述的天线标校方法，其特征在于，所述光阑的个数、所述双光楔的个数与所述激光二极管的个数均相同。

7.根据权利要求1所述的天线标校方法，其特征在于，所述激光组件中间位置的激光二极管发出的光束在天线面上形成的光斑与所述天线面的几何轴线与所述天线面的交叉点位置重合之后还包括：

调整所述喇叭相对所述天线面的位置，使得激光组件中间位置以外的四个激光二极管在天线面上形成的光斑与天线面边缘预设的参考点位置重合。