CN101060191A - 柔性天线馈源大天顶角实现技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性天线馈源大天顶角实现技术。常规天线接收反射信号的天线馈源与反射面为固定连接，反射面的底部设计有旋转调整机构。大型射电望远镜由于口径与接收范围的增大，采用了主动反射面与主动馈源位姿调整方法。主动反射面与主动馈源位姿调整相配合，实现期望的接收范围和精度。本发明的目的是设计一种柔性天线馈源大天顶角实现技术。本发明的技术是在柔性结构馈源舱7上装配一套配重装置，在半球形馈源舱7的中心轴线上安装中心支撑杆13，通过馈源舱7半球顶伸出，上穿有质量配重块15。效果是天线馈源接收射电信号时，可以提高柔性天线结构中馈源在空间所处的天顶角γ。与主动反射面相互配合，以达到期望的接收范围和精度。

Description

柔性天线馈源大天顶角实现技术

一、所属领域

本发明涉及柔性天线馈源大天顶角实现技术。

二、背景技术

天线结构中用以接收反射信号的是天线馈源。图1为一常规的抛物面天线示意图。待接收的电磁信号1经抛物反射面2反射，聚焦在抛物反射面2的焦点3，接收信号的装置——天线馈源就安装在此焦点3位置。由于抛物面的反射集中，天线馈源能够接收到空间微弱的电磁信号。但是，当外部射入的电磁信号偏离原来的射入方向A时，如从图中方向B射入，抛物反射面2所反射的信号便不会再聚焦到天线馈源上。为了能够接收这种来自不同方向的外部电磁信号，在抛物反射面2的支撑底部，设计有旋转调整机构5，它使抛物反射面2可以在一定范围内摆动，从而天线馈源可接收到范围更广阔的电磁信号。上述为抛物反射面2口径4较小时的情形，当反射面2口径很大时，如口径为300m-500m的大射电望远镜时，由于其结构宏大，实现抛物反射面2结构整体摆动已不现实。随着射电望远镜反射面2的口径的增大与更宽频带范围的接收的需要，射电望远镜的结构发生了根本性的改变，馈源的支撑已经不能依靠刚性结构实现。因而，大型射电望远镜独辟蹊径，采用柔性结构来实现更大的反射面2口径和射电信号接收。为了实现天文观测，口径为300m-500m的大型射电望远镜采用了主动反射面与主动馈源位姿调整方法。图2为采用了主动反射面与主动馈源位姿调整方法的大型射电望远镜结构示意图。所谓主动反射面是指采用技术的手段，主动调整反射面12的形状。这样，主动反射面12的反射焦点也是可变的，因而，用主动馈源位姿调整方法，使钢索驱动馈源舱7运动到主动反射面12的焦点，反射信号聚焦于安装在馈源舱7的天线馈源6上。上述主动反射面与主动馈源位姿调整大型射电望远镜结构中，天线馈源姿态角之一的天顶角γ范围有限。

三、技术内容

本发明的目的是要克服上述背景技术中存在的问题，研究设计一种柔性天线馈源大天顶角实现技术。天线馈源接收射电信号时，不仅要求反射面的反射信号要聚焦在馈源焦点上，而且，根据射电信号接收特性还要求天线馈源保证一定的姿态角。其中，最重要的一个姿态角是天线馈源在空间所处的角度：图3中的γ，即天顶角γ。天顶角γ增大，可以提高大口径反射面的天线馈源的接收能力。这样，主动馈源位姿的调整与主动反射面变化相互配合，就可以达到期望的接收范围和精度。

本发明的技术解决方案：

柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：在柔性结构馈源舱7上安装一套质重调整装置，即在半球形馈源舱7的中心轴线上安装中心支撑杆13，该中心支撑杆13通过馈源舱7半球顶伸出，伸出半球顶的中心支撑杆13上穿有质量配重块15。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：质量配重块15的中心与支撑杆13中心重合。

所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：质量配重块15的上下方各有一调节机构，分别为上部调节机构16和下部调节机构14。

所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：可沿着伸出半球顶部的中心支撑杆13轴线方向移动的上部调节机构14和下部调节机构16与质量配重块15同步移动调整。

所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：当馈源舱7倾斜时，由于馈源舱系统重心位置的改变与重力作用，可形成绕C点较大的翻转力矩M，使馈源舱7可实现较大的天顶角γ。

本发明的优点和效果：

1、在图3的基础上，增加馈源舱配重质量块15，使馈源舱7系统的重心上移，当馈源舱7倾斜时，由于馈源舱系统重心位置的改变与自身重力作用，可形成绕馈源舱上空间最低点C点较大的翻转力矩M。因此，克服了馈源舱尺寸限制和柔性纲索8悬列线特性的限制，安装在馈源舱7上的天线馈源6可以实现较大的天顶角γ。提高大型射电望远镜的接收能力。

2、在5m口径的缩比实验模型上的实验结果如下：在Φ3.0m×2m圆柱形的馈源舱运动范围内运动，当无配重质量块时，馈源舱天顶角γ实测最大为40.1°。当配重质量块为2kg时，在上述同样的运动范围内，馈源舱天顶角γ实测可达60.2°。实验数据表明，在规定馈源舱规定的运动范围内，最大天顶角γ可确保60°。在50m口径的缩比模型上进行的实验与仿真同样表明了这一方法的可行性。按照相似性理论，可以将上述技术方法推广到300m-500m口径的大射电望远镜，从而，扩大了大射电望远镜的观测范围。

四、附图说明：

图1是常规刚性的天线结构示意图，图2为具有主动反射面与主动馈源位姿调整的柔性结构天线示意图，图3是未使用质量调整块的馈源舱及馈源的指向——天顶角γ示意图，图4是馈源舱上安装质量调整块装置的结构示意图。

上述各图的标号说明：1-电磁信号，2-抛物反射面，3-焦点，4-抛物反射面2口径，5-旋转调整机构，6-天线馈源，7-馈源舱，8-钢索，9-支撑塔柱，10-机械驱动器，11-滑轮，12-主动反射面，13-中心支撑杆，14-下部调节装置，15-质量配重块，16-上部调节装置；A-电磁信号正确射入方向；B-电磁信号偏离原来的射入方向；C-馈源舱上的空间最低点；M-由馈源舱重力产生的绕C点的翻转力矩；γ称为天顶角，是天线馈源6的指向与垂直坐标轴Z的夹角。

五、具体实施方式：

参见图1和图2，在背景技术中已叙述。

参见图1、图2及图3，与常规刚性结构天线不同，在位置上，大射电望远镜的天线馈源6与主动反射面12之间不再相对固定，而是可以在一定范围内进行位置与姿态调整。这样，当射入主动反射面12的射电信号超出主动反射面12调整能力时，使用主动反射面技术以及主动天线馈源的位置姿态调整技术，同样可以使反射面的反射信号聚焦到馈源焦点上。天线馈源6安装在半球型的馈源舱7内。一方面，馈源舱7作为天线馈源6的安装基础，另一方面，半球型的馈源舱7的上部与下部各有三个结点，用以连接六根柔性驱动的钢索8，以使馈源舱7能够运动。在天线的主动反射面12的周围竖立起六个高塔9，每一塔柱9的根部附近布置着机械驱动器10(示意图中只画出了一个)。六台机械驱动器10经过支撑塔柱9上的滑轮11与馈源舱7上六根柔性驱动的钢索8相连，六台机械驱动器10协同运动，可以使馈源舱7在主动反射面12的上方一定范围内调整其位置与姿态，安装在馈源舱7上的天线馈源6处在主动反射面12的焦点上，接收到反射信号。

但是，射电信号的接收还要求天线馈源6有一定的姿态角度，参见图4，其中天线馈源6的指向与垂直坐标轴Z的夹角γ称为天顶角，是天线结构中重要的参数。按照上述由钢索8驱动馈源舱7在空间运动，改变安装在馈源舱7上天线馈源6的空间位置与姿态，由于馈源舱结构尺寸的限制以及柔性钢索固有的悬列线特性限制，只能实现较小范围的天顶角γ。在口径500m大射电望远镜的5m缩比实验模型中，半球形馈源舱的直径为400mm、重量3kg，实验发现，其天顶角γ最大只有40.1°，而大射电望远镜的天文观测要求天顶角γ最大到60°。

实验与理论分析表明，通过调整馈源舱7系统的重心位置，使馈源舱7倾斜时，可以获得较大的翻转力矩M，达到获得较大天顶角γ的要求。

其具体实现方法见图4：在馈源舱7上增加一套质量配重装置，这套装置主要由中心支撑杆13、质量配重块15、上部调节装置16及下部调节装置14等辅助部件组成。中心支撑杆13安装在半球形馈源舱7的中心轴线上，通过馈源舱7半球顶伸出，中心支撑杆13伸出半球顶的部分上穿有质量配重块15，质量配重块15的中心与支撑杆13中心重合，质量配重块15的上下方各有一调节机构，分别为上部调节机构16和下部调节机构14。调节上、下部调节机构16和14能够改变质量配重块15在中心支撑杆13上的位置，因而，也就同时改变了馈源舱7系统的重心位置。与没有安装质量配重装置前相比，馈源舱7重心位置上移形成较大的翻转力矩M，见图中箭头所示，对馈源舱7的翻转有利。因此，克服馈源舱尺寸限制和柔索钢索悬列线特性的限制，安装在馈源舱7上的天线馈源6可以实现较大的天顶角γ。

Claims (5)

1、柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：在柔性结构馈源舱(7)上安装一套质重调整装置，即在半球形馈源舱(7)的中心轴线上安装中心支撑杆(13)，该中心支撑杆(13)通过馈源舱(7)半球顶伸出，伸出半球顶的中心支撑杆(13)上穿有质量配重块(15)。

2、根据权利要求1所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：质量配重块(15)的中心与支撑杆(13)中心重合。

3、根据权利要求1或2所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：质量配重块(15)的上下方各有一调节机构，分别为上部调节机构(16)和下部调节机构(14)。

4、根据权利要求1或2或3所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：可沿着伸出半球顶部的中心支撑杆(13)轴线方向移动的上部调节机构(16)和下部调节机构(14)与质量配重块(15)同步移动调整。

5、根据权利要求1或2或3所述的柔性天线馈源大天顶角实现技术，其特征是：当馈源舱(7)倾斜时，由于馈源舱(7)系统重心位置的改变与重力作用，可形成绕C点较大的翻转力矩M，使馈源舱(7)可实现较大的天顶角γ。

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